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聚焦枯竭气藏地下储氢性能，助力氢能规模化安全存储新突破 Engineering |
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论文标题：Hydrogen Storage Performance During Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Reservoirs: A Review
期刊：Engineering
DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.011
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近日，由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）曾令平、Regina Sander、陈永强，以及澳大利亚科廷大学Quan Xie等研究人员合作，在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Hydrogen Storage Performance During Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Reservoirs: A Review”的综述文章，系统梳理了枯竭气藏地下储氢的核心制约因素、性能评估维度与技术经济特性，为全球氢能规模化存储及可再生能源消纳提供关键理论支撑与实践路径，对推动能源系统向碳中和转型具有重要意义。
随着全球能源转型加速，氢能作为零排放、高能量密度的清洁能源载体，成为衔接可再生能源与终端应用的关键纽带。据国际能源署（IEA）数据，2020—2026 年全球可再生能源发电装机容量占比将增至 95%，但太阳能、风能等能源具有间歇性特征，亟需大规模储能技术实现供需平衡。地下储氢（UHS）凭借安全、可扩展、低成本的优势，成为解决这一难题的核心方案，而枯竭气藏因具备万亿瓦级存储容量、现成地面基础设施及良好的地质密封性，被视为地下储氢的最优选择之一（盐洞存储容量为千兆瓦级，地面储罐仅为千瓦级）。
然而，当前枯竭气藏地下储氢的商业化进程受限于关键技术认知缺口。研究首次明确，储氢性能核心取决于三大关键过程与一个热力学基础：氢气输送能力（注入、流动及抽出效率）、氢气捕集效果（多孔介质中氢气固定与留存）、氢气状态方程（描述氢在储层条件下的热力学特性），三者共同决定储氢系统的安全性、效率与经济性。
在此基础上，团队构建了多维度性能评估框架，从岩石物理、流体力学、热力学多视角解析影响因素：氢气输送能力重点依赖储层渗透率与孔隙率，高渗透率、高孔隙率可显著提升注采效率，同时需控制黏性指进与微粒迁移，通过低速率注入、分层含水层优选可有效缓解此类问题；氢气捕集效果受润湿性、毛细压力、扩散与溶解度共同调控，低残余氢饱和度可提升循环效率；氢气状态方程方面，现有模型难以精准描述氢与缓冲气体、地层流体的混合特性，需开发新模型整合热方程、多相流与多组分流动方程，以优化储层动态模拟精度。
研究还创新性提出风险评估矩阵，将储氢影响因素按 “可能性–后果” 划分为 5个风险等级。其中，渗透率、孔隙率、黏性指进及混合气体流动特性被列为中风险因素，需重点管控；矿物学（碳酸盐、硫酸盐与氢发生氧化还原反应致氢损失）、微粒迁移等则为低–中风险，需通过储层筛选（优选砂岩储层，避免碳酸盐储层）与实验验证降低隐患。
在技术经济层面，团队对比了枯竭气藏与盐洞、含水层等储氢方案的成本差异：枯竭气藏因无需新建洞穴，资本成本显著低于其他方案，但缓冲气（占总储气量50%）与压缩机成本占总投资80%，成为主要支出项。案例研究显示，荷兰Roden枯竭气田储氢平准化成本可低至 0.55~0.90 USD/kg，且随年循环次数增加（从1次增至6次），成本可从0.87 USD/kg降至0.28 USD/kg，凸显规模化与高频次运营的经济性优势。
储氢方案的规模和输送能力
该研究不仅填补了枯竭气藏地下储氢的知识空白，更为实际项目提供了明确指导，如通过储层矿物学分析筛选优质站点、优化注采速率与井网布局减少氢损失。未来，随着新型状态方程模型开发、微生物–矿物相互作用机制深化，枯竭气藏地下储氢将实现更高效、安全的规模化应用，为全球氢能产业链落地奠定坚实基础。
论文信息：
Lingping Zeng, Regina Sander, Yongqiang Chen, Quan Xie. Hydrogen Storage Performance During Underground Hydrogen Storage in Depleted Gas Reservoirs: A Review. Engineering, 2024, 40 (9): 211-225. DOI: 10.1016/j.eng.2024.03.011
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