中國網/中國發展門戶網訊  隨著我國碳達峰、碳中和目標的提出，新能源將成為未來電力供應的重要組成部分。儲能技術是解決可再生能源大規模接入、提高常規電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要，因此被稱為能源革命的支撐技術和戰略性新興技術，并得到世界各國廣泛關注。地下儲能常利用枯竭油氣藏、含水層、鹽穴等進行儲能庫建設，作為一種大規模能源存儲技術具有廣闊應用前景，是支撐我國大規模發展新能源、保障能源安全的關鍵技術。鹽穴儲能作為地下儲能的重要形式之一，可以充分利用地下閑置空間，實現多種形式能量的大規模高效存儲，具有儲存容量大、儲存壓力高、清潔環保、安全可靠、經濟性好等優點，對于優化能源結構、促進清潔能源生產、保障國家能源安全意義重大，是實現國家可持續發展和綠色發展戰略的重要選擇之一。 

國際鹽穴儲能領域發展現狀

鹽穴即鹽礦開采后留下的礦洞；建設鹽穴儲庫進行壓縮空氣、天然氣、石油和氫氣等能源存儲，是世界上許多國家普遍采用的方法。

壓縮空氣。全球鹽穴壓縮空氣儲能電站研究已?有?40?多年歷史。目前，全球已有?2?座大規模鹽穴壓縮空氣儲能電站投入商業運行。1978?年，德國率先建成世界上第?1?座商業性鹽穴壓縮空氣儲能電站——亨托夫（Huntorf）電站；該電站輸出功率為?321?MW，運行效率為?29%。美國于?1991?年建成了世界上第?2?座商業性的壓縮空氣儲能電站——麥金托什（McIntosh）電站；該電站輸出功率為?110?MW，運行效率為?54%。近年來，美國、加拿大等國都部署了鹽穴壓縮空氣儲能項目。美國貝瑟爾能源中心（APEX Bethel）開發的壓縮空氣儲能設施項目計劃于?2022?年投運。2019?年，加拿大自然資源部和可持續發展技術基金會提供資金支持的?Goderich?壓縮空氣儲能電站投產。我國鹽穴壓縮空氣儲能相關研究開發起步較晚，2021?年?9?月，中國山東肥城鹽穴先進壓縮空氣儲能電站正式并網發電，同時中鹽金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家示范項目也并網試驗成功，我國鹽穴壓縮空氣儲能領域的研發和應用取得重大進展。

天然氣。自?1959?年蘇聯建成世界上第?1?座鹽穴儲氣庫以來，全球鹽穴儲氣庫建設和運營已有?60?年的發展歷程。截至?2020?年初，全世界共有?100?余座鹽穴儲氣庫投入運行，主要分布在北美洲（47?座）和歐洲（60?座），以美國和德國居多。我國鹽穴儲氣庫研究始于?1999?年，與國外相比，我國在地下儲氣庫建設方面仍存在較大差距。2018?年，我國首個鹽穴儲氣庫——港華金壇儲氣庫投產。2021?年，亞洲最大的鹽穴儲氣庫在湖北潛江開建。依據國家總體部署，我國未來將形成東北儲庫群、華北儲庫群、長江中下游儲庫群和珠江三角洲儲庫群四大區域性聯網協調的儲氣庫群。

石油。鹽穴儲油是目前大規模石油儲備中成本最低、最安全的儲油方式。20?世紀?60?年代起，蘇聯開始重點關注地下鹽穴油庫建設。20?世紀?70?年代石油危機爆發后，至今已有近?36?個國家實施了鹽穴地下石油儲備庫建設。據統計，美國?90%、德國?50%、法國?30%?的石油儲備儲存于鹽巖庫群中。僅美國墨西哥灣沿岸就有?60?座鹽穴儲油庫用于戰略石油儲備。2020?年，我國原油對外依存度高達?73%，能源安全形勢嚴峻。我國石油儲備規模與國際能源署建議的?90?天安全戰略儲備量差距較大，現有儲油庫不能滿足需求。隨著國家戰略石油儲備計劃的推進，地下鹽穴儲油庫在石油儲備體系的占比將不斷增大——我國鹽穴儲油庫將迎來重要發展機遇。

氫氣。地下儲氫是英國和美國（石油）化學工業多年來的先進技術。英國提賽德地區和美國得克薩斯州都建有純氫氣地下鹽穴儲庫（95%?氫氣及?3%—4%?二氧化碳），這些地下儲氫經驗已經證明氫氣可以進行長期安全存儲。過去?10?年，地下儲氫受到了廣泛關注。以美國為代表的世界發達國家地下儲氫技術迅速發展。目前，英國、德國、加拿大、波蘭、土耳其和丹麥等都制定了鹽穴儲氫計劃。相比上述國家，我國地下儲氫研究較為滯后，尚無地下儲氫實踐。 

主要國家/地區鹽穴儲能戰略計劃及特點

美國：重視鹽穴儲能在儲油、儲氦、儲氫等方面的全方位應用，以保持其戰略能源儲備與國際領先地位。①儲油。1973?年，中東國家實施石油禁運導致全球油價飆升后，美國政界人士首次提出了石油儲備的想法。美國國會在?1975?年通過了《能源政策與保護法案》，確立了戰略石油儲備。1977?年，美國能源部（DOE）制定戰略石油儲備計劃，先后建成了?5?個鹽穴戰略石油儲備基地。②儲氦。1962?年?12?月起，美國禁止氦出口，并將過剩的氦儲存于國家地下氦儲庫。美國物理學會和材料研究學會建議美國應該保持氦的非國防儲備。③儲氫。過去?30?年里，美國能源部化石能源辦公室一直致力于開發和推進氫能源技術，大型儲罐和地質儲氫是其研發項目的重要組成部分。2020?年，美國能源部先后發布《氫能計劃發展規劃》和《儲能挑戰路線圖》，其中氫儲能作為重要的儲能技術被提及；美國能源部提出了未來?10?年及更長時期氫能研究、開發和示范的總體戰略框架，地質儲氫的識別、評估和論證被列為關鍵技術領域研發及示范重點。2019?年，位于美國猶他州的“先進清潔能源儲存”（Advanced Clean Energy Storage）項目啟動；該項目計劃到?2025?年在該州德爾塔鎮附近建立一個大型綠色儲氫中心，并將電解氫儲存在?100?個巨大的地下鹽穴中，以平衡季節性的能源需求。

歐盟：積極部署鹽穴儲氫項目計劃，集中于工業規模鹽穴儲氫研究。歐盟委員會預測，到?2050?年，氫在歐洲能源結構中的比重將由?2019?年的不到?2%?上升到?13%—14%。2012—2014?年，德國、法國和英國等?7?個國家的?12?家單位發起了大型地下儲氫項目“地下氫”（HyUnder），并首次在德國、英國、法國、荷蘭、羅馬尼亞和西班牙等范圍內評估了地下鹽穴長期大規模儲氫的潛力。2021?年，首個由歐盟支持的鹽穴工業規模綠色儲氫項目?HyPSTER?啟動，項目首先進行地下鹽穴和地表工程研究，然后將進入現場試驗階段，旨在測試鹽穴中綠色氫的生產、儲存及該方法在歐洲其他地點的可復制性。2020?年?1?月，歐盟“燃料電池與氫能聯合行動計劃”（FCH-JU）發布招標公告，擬投入?9?300?萬歐元支持氫能和燃料電池領域?24?個技術主題的研究，其中與鹽穴儲氫相關的主題包括：小型鹽穴中可再生氫氣存儲的循環測試，鹽穴進行氫氣循環存儲的可行性和中試規模示范。

德國：重視鹽穴儲氫發展，將氫視為能源轉型成功的關鍵。德國高度重視“綠色氫能源”，將氫能視為德國能源轉型成功的關鍵。2020?年，德國發布總投資?90?億歐元的《國家氫能戰略》，推出?38?項具體措施，涵蓋氫的生產制造和應用等多個方面，研究將涉及地下儲氫的可行性。德國聯邦政府的“儲能資助倡議”將地質儲能列為具有戰略性意義的資助領域，計劃于?2023?年建設?3?500?噸氫氣的鹽穴儲存示范項目。2019?年，“德國東部氫能存儲和解決方案”（Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany）項目包含為期?2?年的“洞穴儲氫研究”（H2 Research Cavern）項目，其主要任務是開發鹽穴儲氫研究平臺。作為該研究項目的一部分，德國中部的地下氫儲存試點項目于?2019?年?5?月1日啟動。該設施將成為歐洲大陸上第一個鹽穴儲氫設施，也是世界上首個存儲可再生綠色氫的地下設施。2020?年，德國聯邦交通和數字基礎設施部（BMVI）投資近?600?萬歐元資助“機動性氫氣洞穴”（HyCAVmobil）項目。其中，德國航空航天中心（DLR）負責研究和評估如何將氫儲存在鹽穴中，并計劃在實驗室規模的測試成功之后，在德國奧爾登堡能源公司（EWE）經營的一個鹽穴中進行測試。

英國：將地下儲氫作為實現凈零排放的關鍵技術之一，并開展相關試驗研究。2017?年，英國發布《現代工業戰略》（Building our Industrial Strategy-Green Paper），將儲能確定為英國成為全球領導者的八項技術之一。2020?年?11月，英國政府推出一項新計劃“綠色工業革命十點計劃”，希望于?2030?年實現?5?GW?的低碳氫產能，并制定了“英國氫能網絡計劃”（Britain’s Hydrogen Network Plan），這將有效推動英國地下儲氫的發展。2021?年?8?月，英國發布首個國家氫能戰略，鹽穴儲氫作為氫氣儲運方案被提及。英國地質調查局（BGS）強調了地質學在支持英國長期能源轉型中的重要性，指出地下儲氫是英國實現凈零排放的?4?項技術之一。為了支持更多地使用地下儲能技術，英國地質調查局正在進行試驗，旨在研究鹽穴的可循環使用性和安全性。 

國際鹽穴儲能領域的重要研究方向態勢與熱點

鹽穴儲氫蓬勃發展。氫能將是實現全球能源結構清潔、低碳發展的關鍵路徑之一，目前這一全球共識正逐漸形成。歐洲氫能組織（Hydrogen Europe）發布的《為實現歐洲綠色協議的?2×40 GW?綠氫行動計劃》（Green Hydrogen for a European Green Deal A 2×40 GW Initiative）指出，到?2030?年，氫在歐洲的使用量將比?2015?年增加?1?倍多，達到?665 TW·h。全球著名能源咨詢公司伍德麥肯茲（Wood Mackenzie）研究表明，由太陽能電解生產的綠色氫，到?2030?年將在澳大利亞、德國和日本達到成本平價，而鹽穴儲氫將為綠色氫生產提供儲備設施。已有研究表明，鹽穴儲氫成本至少比電池儲氫成本低?100?倍。美國能源部可再生能源實驗室與艾塞爾能源公司在科羅拉多州的風能-氫能示范項目論證了壓縮氫氣儲能的可行性，預計可能成為儲能技術中的重要方式之一。歐洲具有在層狀鹽巖和鹽丘中儲存?84.8 PW·h?氫氣的技術潛力。我國尚無鹽穴儲氫實踐，且面臨儲層和蓋層地質完整性、氫氣地下化學反應、井筒完整性、采出純度和材料耐久性等問題制約，因此有必要開展防氫滲透氫脆材料系列、儲氫庫地面配套設備、氫氣除雜技術和地下微生物化學反應評估等方面的研究。

壓縮空氣儲能進入重要發展機遇期。以風能、太陽能為代表的可再生能源是能源低碳轉型的重要方向，據國際能源署（IEA）預測，2030?年全球可再生能源發電量占全球總發電量的比例將達到?33%。2020?年，我國棄風電量約?1.66×1010 kW·h，棄光電量?52.6×108 kW·h。構建以新能源為主題的新型電力系統是保障我國電力安全、能源安全的核心，也是實現碳達峰、碳中和目標的關鍵。在我國風能、太陽能等可再生能源與消費中心地區嚴重逆向分布的背景下，壓縮空氣儲能是提高未來能源系統可控性和靈活性的關鍵技術。我國已將壓縮空氣儲能納入國家“十四五”規劃，這為鹽穴壓縮空氣儲能的研究提供了有力支撐。鑒于我國鹽礦的特殊地質條件，壓縮空氣儲能對于鹽穴腔體篩選的相關標準及腔體改造完成后的井筒穩定性提出了更高要求，因此急需解決鹽穴篩選與評價、儲能鹽穴井筒工程技術、運行狀態的儲庫完整性監測等問題。

鹽穴儲氣處于黃金發展期。隨著全球能源結構轉型，未來?10—20?年，全球地下儲氣庫數量和規模將會隨能源需求量增長而擴大。據國際天然氣聯盟（IGU）預測，到?2030?年全球地下儲氣庫調峰需求量將達到?5.03×1011 m3，這需要在現有地下儲庫基礎上新建地下儲庫?183?座，預計需要新增工作氣量?1.406×1011 m3才能滿足今后的調峰需求。隨著“西氣東輸”、中俄東線天然氣管道、“川氣東送”和中緬油氣管道的運行與啟動，為了提高管道利用率，解決現有儲運基礎設施工程建設能力/速度與國家需求不匹配問題，地下儲氣庫的建設呈現出高需求態勢，未來?10?年將是我國儲氣庫建設的高峰期。雖然我國已經具備在超薄多夾層鹽穴中建設儲氣庫的技術能力，但鹽穴儲氣庫建設仍面臨造腔效率低、復雜老腔改造難度大、缺乏適宜建設儲氣庫的鹽礦資源等問題，而鹽穴腔體精確測量技術、腔體體積控制技術、環保節能造腔技術、復雜地質條件下的造腔技術研究是儲氣庫建設的重點與難點問題。

鹽穴電池儲能系統發展前景廣闊。利用鹽穴開展液流電池儲能，可以大幅提高裝機容量，且占地面積小、成本低，具有廣闊的商業應用前景。德國率先開展了鹽穴儲能電池系統的研究工作，德國能源公司?Ewe Gasspeicher Gmb H?與耶拿市弗里德里希·席勒·耶納大學計劃在?Jemgum?天然氣儲存設施所在地建造一套全球最大的氧化還原液流電池“鹽鹵發電”（brine4power）項目。該電池系統首次利用地下鹽穴來儲存電解液，預計將在?2023?年底投入運營，電池容量可達?700 MW·h，可為?7.5?萬個家庭提供?1?天所需電力。目前，中國鹽穴電池儲能技術研究尚屬空白。鹽穴電池工作需要頻繁的注采頻率，注采頻率對鹽穴穩定運行的影響規律需要進一步研究。 

 對策與建議

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和?2035?年遠景目標綱要》指出，研究與開發新型大規模儲能技術對于中國未來能源結構轉型及能源互聯網、智能電網建設具有重要意義。我國鹽穴儲能利用方面的研究起步較晚，與歐美等國相比，鹽穴地下儲庫的建設數量和技術水平仍有較大差距。目前，我國被利用的鹽穴數量不多，同時利用鹽穴進行能源存儲已經成為國內研究熱點。針對我國鹽穴儲能發展存在的問題，提出以下?4?點建議。

選擇適合我國國情的鹽穴儲能發展道路。以美國、德國為代表的發達國家在鹽穴儲庫建設運營和綜合利用方面經驗豐富。我國鹽穴儲能的發展應依據巖鹽賦存特點，合理借鑒國外案例與經驗，選擇適合我國國情的鹽穴儲能發展道路。

深化鹽穴儲能產業規劃、政策與資金支持。加強國家層面的鹽穴儲能頂層設計，科學規劃鹽穴儲能上下游產業鏈發展，完善儲能產業規劃和科技創新政策體系，設立鹽穴儲能專項資金，加大企業、科研創新提供資金支持力度。

積極開展關鍵技術攻關，形成建設和運行技術體系。技術研發升級對鹽穴儲能發展至關重要，國內相關部門應聯合攻關；針對我國鹽穴儲能面臨的問題，推動鹽穴儲能關鍵技術研發和產學研深度融合，強化產業自主創新力度。充分利用已有中鹽金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目，突破關鍵核心技術，實現自主知識產權。

打造產業集群，促進鹽業與鹽穴儲能產業的有機協同發展。合理規劃設計，開展以鹽穴造腔為目的的采鹵，促進鹽業轉型發展；積極探明已有鹽穴資源情況、探索鹽穴利用途徑、深入研究鹽穴儲能運行管理問題，探索完善儲能運行商業模式，優化產業發展路徑，提高鹽穴綜合利用水平。

（本文由中國科學院武漢文獻情報中心學科情報團隊、中國科學院武漢巖土力學研究所油氣地下儲備與開發研究中心團隊共同撰稿，執筆人包括：李娜娜，趙晏強，王同濤，楊春和；《中國科學院院刊》供稿） 

相關文章