千年鹽穴遇見未來能源：氫能存儲破局

這段時間我國不斷上馬超級工程。繼雅江水電工程之后，江蘇常州的“大規(guī)模鹽穴儲氫主體工程”宣布開建。官方新聞濃墨重彩地描繪了這個工程的意義，比如“填補(bǔ)國內(nèi)空白”、“破解卡脖子技術(shù)難題”、“自主知識產(chǎn)權(quán)”等等，各路專家院士也都評價該工程為我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上的重要事件。

01為什么我們需要“多此一舉”的能源？

但我猜，很多人會感到困惑：在水電、風(fēng)電、太陽能都在快速發(fā)展的今天，搞氫能源這件事兒，真的必要嗎？畢竟，氫氣可不是自然資源，那可是要通過電解水才能獲得的東西。把電轉(zhuǎn)化成氫，再用氫來發(fā)電，這是不是太多此一舉了呢？

確實，風(fēng)能、太陽能甚至即將民用化的核聚變都是清潔能源。但它們都有一個致命的弱點：不穩(wěn)定。有風(fēng)有光的時候，發(fā)的電可能多到用不完；沒風(fēng)沒光的時候，就無電可用。就算是核聚變，它確實是產(chǎn)能穩(wěn)定，但是我們用電不穩(wěn)定啊，用電有高峰和低谷，而我們不可能根據(jù)用電的高峰和低谷來隨時調(diào)節(jié)核聚變發(fā)電廠的功率，這是電網(wǎng)最頭疼的問題。

25年春節(jié)浙江電網(wǎng)典型負(fù)荷“鴨子曲線”，一天中尖峰負(fù)載及可再生能源發(fā)電量之間的落差

而氫能，就是解決這個問題的完美中間人。只要電能有富余，我們就可以用它來電解水制造氫氣，如果能把這些氫氣都存起來，在電力出現(xiàn)缺口的時候使用，那可就皆大歡喜了。所以，氫能源與其他能源不是相互取代的關(guān)系，氫能源是其他能源的蓄電池。這也是鹽穴儲氫工程的真正意義。

02地下千米的“氫氣銀行”如何運作？

鹽穴儲氫工程，用最簡單的話講，就是在天然鹽層中挖出一個巨大空洞，像氫氣銀行一樣，把氫氣儲存在里面。

不過新問題又來了。我們平時儲存天然氣、煤氣，不都是用一個個金屬罐子嗎？為什么到了氫氣這里，就非要大動干戈地去挖洞呢？

我們儲存氣體的常規(guī)手段無非兩種：高壓氣態(tài)儲存和低溫液態(tài)儲存。

先看液化。把氣體變成液體，體積能直接縮小成百上千倍，效率極高。但氫氣的液化極為困難，它需要在253℃的低溫下才會液化。要把氫氣冷卻到這個溫度，并長期維持，需要消耗極其巨大的能量。目前，液態(tài)儲氫只會用于航空航天等不計成本的領(lǐng)域。

液化不行，高壓氣態(tài)儲存可以嗎？也不行。氫氣是宇宙中最輕的元素，密度極低。即便把它壓縮到 700 倍大氣壓，它的密度也只有水的二十五分之一。這意味著，儲存壓縮氫氣，你需要一個體積大到離譜的容器。

所以，為儲存氫氣而挖洞，不是多此一舉，而是排除了所有其他選項后，唯一可行的笨辦法。而且，地底洞穴天然就是一個能夠承受超高壓的罐子，它同時滿足了夠大和承壓這兩個條件。

一個典型的儲氣庫，其有效容積通常在 15 萬到 50 萬立方米之間。我們?nèi)∫粋€中間值，比如 30 萬立方米。這是什么概念？一個標(biāo)準(zhǔn)足球場的面積大約是 7000 平方米，30 萬立方米就相當(dāng)于在整個足球場上，堆起一座超過 40 米高的建筑，大概有 14 層樓那么高。

在如此巨大的空間里，以 150 倍大氣壓的超高壓力注入氫氣，大約可以儲存 3600 噸。一輛主流的氫能源汽車，加滿一次氫氣大約需要 5 公斤，能跑 600 公里。那么，這一個空間儲存的氫氣，就足以讓超過 70 萬輛氫能源汽車，一次性加滿燃料。

想讓地下空腔承受巨大壓力，就必須深挖，至少要挖到地下幾百米上千米深才行。這么深的地方，使用傳統(tǒng)的挖掘工具，顯然是不可能完成的任務(wù)。

第一步：既然挖不了，那就“溶”掉它

工程師們想到了一個絕妙的辦法：水溶法。鹽是可溶于水的。他們先向地下深處的厚鹽層鉆一個井，然后通過這個井注入淡水。水會溶解鹽，形成高濃度的鹽水（鹵水），再把鹵水抽回地面。如此循環(huán)往復(fù)，就像用一根精密的“水針”在地下“雕刻”一樣，日積月累，一個巨大的空腔就形成了。這就完美地繞開了機(jī)械挖掘的難題。

第二步：去哪里找這么完美的“鹽層”？

方法有了，但去哪兒用呢？不是所有地下都有鹽，也不是所有鹽層都適合。我們需要找的，是那種厚度達(dá)到幾百米、純度很高、埋藏深度恰到好處（通常在 600 米到 2000 米之間）的穩(wěn)定鹽層。太淺了，地層壓力不夠，密封性差；太深了，鉆探和建設(shè)成本又太高。這就需要地質(zhì)勘探科學(xué)家大顯身手，他們利用地震波、鉆探取芯等各種高科技手段，像給地球做 CT 一樣，在廣袤的國土上尋找最合適的“風(fēng)水寶地”。

儲能電站鹽穴微地震監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)圖

第三步：洞穴造好了，會不會塌方？

一個相當(dāng)于 14 層樓高的地下空腔，光是聽著就讓人擔(dān)心它的穩(wěn)定性。沒錯，這是一個核心的工程力學(xué)問題。為了防止塌方，工程師絕不會隨心所欲地去“溶解”。他們會通過精確控制注水和抽鹵水的流量、壓力和位置，主動去設(shè)計和塑造鹽穴的形狀。

最經(jīng)典的形狀是“梨形”或“水滴形”，上窄下寬。這種結(jié)構(gòu)符合巖石力學(xué)原理，能將頂部的巨大壓力均勻地傳導(dǎo)到兩側(cè)和底部，從而保持腔體的長期穩(wěn)定。這已經(jīng)不是簡單的“造洞”，而是精密的“地下建筑設(shè)計”。

儲能鹽穴聲吶測量結(jié)果

第四步：萬一漏氣了怎么辦？神奇的“自我修復(fù)”能力

這是最關(guān)鍵，也最違反直覺的一點。氫氣是宇宙中最小的分子，滲透能力極強(qiáng)，怎么保證它不泄漏？這就回到了我們?yōu)槭裁捶且x“鹽巖”這個材質(zhì)。

在地下深處，鹽巖表現(xiàn)出一種獨特的物理特性——蠕變性，或者說“可塑性”。為了讓你更好地理解，我們換一個比喻。你可以把它想象成一條移動極其緩慢的冰川。冰是固體，你敲上去是硬的，但整座冰川在自身巨大的重力和壓力下，卻能像河流一樣流動。

深處的鹽巖也是如此。它雖然是堅硬的晶體，但在地層深處巨大的壓力下，它擁有了類似超高粘度流體的“可塑性”。一旦鹽穴的腔壁出現(xiàn)微小的裂縫，周圍巨大的壓力就會驅(qū)使鹽巖緩緩“流”過去，將裂縫重新“焊”上。這種“自我修復(fù)”能力，是花崗巖等其他巖石完全不具備的，它為氫氣的長期安全封存提供了獨一無二的保障。

第五步：如何給這個“巨型氣罐”蓋上蓋子，并實現(xiàn)存取？

鹽穴造好了，如何安全地把氫氣放進(jìn)去，又在需要時取出來？這就要靠一套精密復(fù)雜的井口和管道系統(tǒng)。工程師會從地面向下，套入一層又一層的鋼制管道（稱為套管），并用特種水泥將每層套管之間的環(huán)形空間牢牢封死，形成多重屏障，確保氣體不會順著井筒向上泄漏。

最內(nèi)層的管道，就是氫氣進(jìn)出的通道。地面上則有巨大的壓縮機(jī)、過濾器和控制閥門，像一個超級“水龍頭”，精確地控制著氫氣的“存”和“取”。考慮到氫氣還會讓普通鋼材變脆（氫脆），所有接觸氫氣的管道和設(shè)備，都必須采用特殊的抗氫脆合金材料，這本身就是高端制造業(yè)的一次大考。

所以你看，從論證非它不可的必要性，到解決一系列工程難題，這是一個環(huán)環(huán)相扣、步步為營，集地質(zhì)學(xué)、工程力學(xué)、材料科學(xué)、流體力學(xué)于一體的宏大系統(tǒng)工程。為了解決能源問題，人類從技術(shù)到工程展現(xiàn)了強(qiáng)大的智慧，而這些技術(shù)和工程的底層都是基礎(chǔ)科學(xué)。每當(dāng)在面對這些大工程杰作時，心里總是嘆服于人類的科技文明。

聊到這里，相信你已經(jīng)了解了鹽穴儲氫工程的原理。你認(rèn)為未來能源的終極答案會是什么？歡迎給我們留言，我們一起腦洞未來。