综述：地下氢储存技术综述：多场耦合、地表-地下一体化及关键技术瓶颈

《Geoenergy Science and Engineering》：Review of Underground Hydrogen Storage: Multi-Field Coupling, Surface–Subsurface Integration, and Key Technical Bottlenecks

　　莫斯塔法·蒙塔泽里（Mostafa Montazeri）| 马努切赫尔·哈吉吉（Manouchehr Haghighi）| 阿里雷扎·萨尔马奇（Alireza Salmachi）| 巴巴克·法泽拉德奥拉巴迪（Babak Fazelabdolabadi）| 穆罕默德·阿明·凯里（Mohammad Amin Kheiri）
澳大利亚南澳大利亚州阿德莱德大学科学、工程与技术学院化学工程学院，北露台校区，邮编5007

**摘要**
氢气越来越被认为是低碳能源系统的关键能源载体，但其大规模应用依赖于安全、高效且经济可行的储存解决方案。地下氢储存（UHS）在实现大规模能源平衡方面具有巨大潜力；然而，其性能和可行性受到地下储存设施与地面设施之间紧密耦合过程的影响。本文通过综合同行评审文献、现场示范项目和技术研究，系统地评估了当前的大规模UHS现状。采用了一种综合分析框架，将主要的地质储存方式（主要是盐穴和枯竭的油气储层）与地面设施要求以及地表-地下系统的多场耦合过程联系起来。研究表明，地下过程（包括压力和温度变化、地球化学和微生物反应以及地质力学响应）直接影响井口条件和气体组成。这些效应会传递到地面设施，影响压缩、净化、热管理、运行灵活性和资本支出。关键技术瓶颈包括氢气引起的材料降解、井筒和水泥的完整性、气体纯度控制，以及现有模型在捕捉地表和地下领域的热-水力-机械-化学（THMC）耦合过程方面的局限性。本文认为，将地表和地下系统孤立处理会导致保守的设计选择和低估风险。未来大规模氢储存的发展需要综合的地表-地下建模、先进的多场监测技术以及能够捕捉耦合过程和不确定性的系统级技术经济框架，以实现安全、灵活且成本效益高的部署。

**引言**
能源是人类发展和生活质量的基础，这一点在文献中得到了广泛认可[1]。历史上，人类不断寻求利用可用的自然资源来支持日常活动和经济增长[2]。早期例子包括古希腊社会在公元前3世纪使用水轮将流动的水转化为机械能用于谷物磨粉等任务[3]，以及希腊和罗马建筑中融入被动太阳能设计原则以最大化太阳能吸收[4]。化石燃料的广泛使用后来改变了能源系统，推动了工业化和技术的迅速进步[5]。提取技术的进步使得人们能够开采越来越深和复杂的储备资源，例如俄罗斯的Z-44 Chayvo井，深度达12,376米[6]。然而，化石燃料开采的环境后果最初并未被预料到。这些资源的有限性以及燃烧副产品的释放（特别是二氧化碳）导致了显著的环境影响，包括气候变化、水资源短缺、天气模式改变、海平面上升和酸雨[7]。随着化石燃料消费的环境影响日益明显，向可持续能源系统的转型已成为全球能源战略的核心目标。可再生能源（包括太阳能、风能、水能和地热能）为减少温室气体排放和缓解环境退化提供了可行的途径[8]。这些技术的特点是运行排放低且资源分布广泛，尽管其性能通常受到地理位置、间歇性和能量密度较低的限制（与化石燃料相比）[9][10]。例如，太阳能和风能在单位面积上的能量密度较低，转换效率介于15-22%（光伏系统）和35-45%（风力涡轮机）之间，因此需要大面积的土地和有利的气候条件才能实现大规模部署[9][11]。这些限制——特别是太阳能和风能的间歇性和低能量密度——限制了可再生能源系统提供连续大规模供应的能力。因此，人们开始关注能够储存多余可再生能源并在不同领域实现灵活转换的能源载体。氢气因此成为了一个有前景的选择，因为它可以从可再生能源电力中生产，并用于发动机、涡轮机和燃料电池[20][21]。为了使氢气作为系统级能源载体发挥作用，储存是必不可少的。它可以在生产和消费之间提供时间平衡，同时确保供应可靠性和终端使用及基础设施系统的持续运行[14]。满足这一需求需要能够长时间容纳大量能量的储存解决方案，这超出了基于地表的储存技术的实际和经济限制[15]。因此，将氢气储存在盐穴和枯竭的天然气储层等地质构造中成为长期和季节性储存的可扩展选择[16][17][18]。这使得地下氢储存成为将可再生氢可靠整合到未来低碳能源系统中的关键基础设施。

**尽管具有战略重要性，地下氢储存（UHS）仍是一项新兴技术，尚未在商业规模上得到广泛应用，主要是由于在大规模部署之前必须仔细解决一系列技术、运营和系统级挑战[19][20]。这些挑战涉及多个领域，包括地面设施[21][22]、地下地质构造、材料完整性、地球化学和微生物相互作用、热-水力-机械行为以及整体系统集成[23][24][25]。越来越多的实验研究和数值建模表明，氢储存系统的每个组成部分都会引入不同的风险和不确定性，同时影响其他组成部分的性能和安全性[19][26][27][28][29]。例如，地面压缩、净化和缓冲策略决定了注入条件，而地下压力变化、温度变化和组成效应则反过来影响地面运营要求和设计约束[30][31][32][33][34]。然而，现有文献大多孤立地研究这些挑战，往往只关注地表系统或地下过程。这种碎片化的处理方式忽略了地下氢储存的固有耦合性质，即从地面设施到储层规模的所有过程都是动态相互连接的。因此，系统组件之间的相互作用及其对储存效率、包容完整性和长期运行能力的综合影响尚未得到充分探索，导致可行性评估的不确定性增加，阻碍了实际应用。为填补这一空白，本文综合了以往的实验研究、现场观察和数值建模成果，提供了关于地下氢储存的综合性多学科视角。通过明确将地表相关挑战与地下过程及其相互反馈机制联系起来，本文将UHS视为一个耦合系统，而不仅仅是一系列独立元素的集合。文章首先介绍了氢在未来能源系统中的背景和作用，然后概述了适合大规模储存的地质选项及其技术可行性评估。接着探讨了与地面设施、地下行为及其耦合相互作用相关的挑战，并强调了整体系统级建模方法的必要性。最后，本文指出了关键的知识空白，并概述了未来研究方向，旨在实现地下氢储存的安全、高效和经济可行部署。

**部分摘录**
**氢气的关键性质和生产**
氢气是一种轻质、无色且高反应性的气体，具有独特的热力学性质，使其成为有吸引力的能源载体[35]。由于其非常低的分子质量（2.016 g/mol），氢气具有快速的扩散性和较高的热导率，这影响了其传输和储存行为[36][37]。其相变特性受极低温度的影响，标准沸点为-252.87°C，这意味着液态氢...

**大规模地质储存技术**
目前全球氢气产量约为每年94.4百万吨，预计到2030年将增长约1.63%[50]。这种快速增长凸显了迫切需要能够长时间容纳大量氢气的储存解决方案。在这种情况下，氢储存系统的排放持续时间是一个关键性能指标，因为它决定了在高需求或发电受限时期提供持续能源供应的能力[51]。

**地下氢储存的地表技术瓶颈**
UHS的性能、安全性和经济可行性很大程度上取决于地面设施，这些设施是氢生产、地下储存和终端应用之间的关键接口。由于氢的高扩散性、低分子量和与材料的强烈相互作用，地表系统面临一系列与传统地下气体储存不同的技术瓶颈。

**地下氢储存的地下挑战**
虽然地表设施决定了UHS的运行灵活性，但储存氢气的长期安全性、包容性能和可回收性主要由地下过程控制。UHS的地下挑战源于氢与地质构造、井筒系统以及循环压力和温度条件下的原位流体之间的相互作用[19]。关键问题包括作为地表与储存之间通道的井的完整性...

**地下氢储存的多场耦合**
地下氢储存受到多个物理、化学、生物和运营过程的耦合控制，这些过程贯穿地下储存构造和地面设施。氢的注入和提取会引起多相流动、压力和温度变化、地球化学和微生物反应以及储层和盖层的地质力学响应，这些因素共同决定了氢的保留、损失机制和长期储存...

**未来方向**
未来地下氢储存的发展将依赖于从组件级优化向系统级设计的转变，这种设计明确考虑了控制储存性能的耦合物理、化学、生物和经济过程。虽然在识别与材料、地球化学和运营风险相关的个别挑战方面已经取得了显著进展，但UHS研究的下一阶段必须关注这些过程如何相互作用...

**结论**
本文将地下氢储存视为一个综合的地表-地下系统，强调了为实现其安全和大规模部署必须解决的技术、材料和运营挑战。分析表明，氢的独特物理化学性质（特别是其高扩散性和反应性）对地表基础设施和地下储存带来了明显的限制，使得传统的设计和评估方法...

**作者贡献声明**
穆罕默德·阿明·凯里（Mohammad Amin Kheiri）：资源整理。
阿里雷扎·萨尔马奇（Alireza Salmachi）：撰写——审稿与编辑。
巴巴克·法泽拉德奥拉巴迪（Babak Fazelabdolabadi）：撰写——审稿与编辑。
莫斯塔法·蒙塔泽里（Mostafa Montazeri）：撰写——初稿编写、可视化、验证、数据整理。
马努切赫尔·哈吉吉（Manouchehr Haghighi）：撰写——审稿与编辑。

**未引用的参考文献**
[12], [13], [59], [60], [61], [80], [88], [89], [91], [92], [94], [110], [113], [120], [121], [123], [126], [128], [129], [141], [142], [143], [144], [158], [171], [173]