大型地下氢储存设施——地下工程行业的新机遇与新挑战

全球新能源技术的迅猛发展给地下工程行业带来了全新的机遇，交通，建设，制造等行业越来越多地开始使用氢气作为能源，传统的氢储存方式已经难以满足各行业的需求。

如今，越来越多的企业开始研究建造新型的人工地下氢储存设施，而大型的人工地下氢储存设施很有可能成为地下工程行业的一片新市场。

技术背景

地下氢能储存设施的原理是将氢气压缩储存于地下容器或地质储层中，并在未来需要时释放出来供应用。尽管相关研究在上世纪70年代就已经开始，但目前地下氢能储存技术仍处于研究和试验阶段，尚未开始大规模商业应用。

传统地面氢储存设施

地下氢能储存设施具有以下几方面的优势：

■ 容量大

相比地面的气罐式储存设施，地下设施可以充分利用地下空间，储存大量的氢气，满足未来对氢气大规模使用的需求。

■ 更加安全

地下储氢设施具有更好的密封性和稳定性，能够确保氢气储存的安全。

■ 长期储存

地下储氢设施可以对氢气进行长期储存，以平衡氢能源供需之间的时间差，实现持续稳定的氢气供应。

基于地下盐穴储氢设施

过往地下氢储存设施的主要研究方向是改造盐穴来进行储存：盐岩因其较低的渗透特性､良好的蠕变特性､化学反应惰性､溶解于水以及易开挖的特点，是最理想的地下氢环境｡

除盐穴外，还有其他利用地下结构储氢的思路：

■ 地下岩石层

地下岩石层是利用地下岩石结构的空隙和裂缝来储存氢气，通常通过高压注入氢气来实现储氢。

■ 地下含水层

含水层几十年来一直被用作天然气储存场所，许多含水层靠近主要能源消费的大城市群，这也意味着含水层在储氢方面具有潜力｡

■ 废弃矿井和枯竭油气库

建设成本低是此类储存设施的主要优势，但如何解决好密封性等问题是改造这些设施需要面对的挑战。

尽管利用盐穴可能是最具成本效益的地下氢能储存设施建设方式，但在很多地区，并没有这种天然条件，所以建设人工地下空间来储存氢气便成为了研究的方向。

人工地下空间

建设人工地下空间作为地下氢储存设施有着显著的优势，人工的地下空间可以不受地质条件的限制，直接建立在有需要的地方，减少运输耗费。

虚拟管片拼装实验过程

建设人工地下空间作为地下氢储存设施的另一项优势，在于目前地下工程行业已有非常成熟的钻探和竖井施工技术，完全可以满足建设氢储存设施的需求。

竖井施工设备

目前，主要的人工地下氢储存设施思路是建设有衬砌的高压储氢竖井，但由于需要保证气密性以及应对氢脆现象，所以竖井的衬砌设计和材料选择成为了建设此类设施的主要难点。

氢脆现象

氢脆是指由于氢进入金属基体后 ,局部氢浓度达到饱和后聚合为氢分子,造成应力集中,引起金属塑性下降、诱发裂纹或断裂的现象。锰钢、镍钢以及其它高强度钢都容易发生氢脆。

由于目前还未找到不易受氢脆现象影响的高强度钢，所以一些研究团队提出了使用双层衬砌的设计思路：内层由强度较低但不易受氢脆影响的低碳钢构成，外层为一种柔性薄膜，两层结构之间填充液体，通过这种结构将载荷从衬砌转移到岩体上。

基本结构

在存储氢气的空间上部还需要一个覆盖层，以防止由于内部压力造成的上升和隆起。

实际应用

目前，瑞典的HYBRIT氢能源钢铁工厂项目正在建设大规模的人工地下氢储存设施，该项目使用了无化石电力和氢气取代传统矿石炼钢所需的焦煤。HYBRIT项目的人工地下氢储存设施目前正在建设中，其目标是建设总面积达12万m³的地下氢储存设施。

Hybrit项目没有公布过其人工地下氢储存设施的竖井衬砌设计细节，仅透露采用了钢制衬砌；使用的具体是何种钢材，如何防止氢脆现象，均未向外界透露。

来自澳大利亚的Ardent Underground 公司和英国的Gravitricity公司也都宣传正在研究建设人工地下氢储存设施相关技术：Ardent Underground 的主要研究方向是使用低碳钢和柔性薄膜构成双层衬砌，目前已经为设计申请了专利；而Gravitricity目前并未对外公布过其衬砌系统的具体设计。