文 ｜ 《中國科學(xué)報》 記者 倪思潔

????2021年冬天，萬明忠?guī)еㄐ滦蛢δ茈娬镜南敕?，走進(jìn)中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所（以下簡稱武漢巖土所），敲開中國工程院院士、武漢巖土所研究員楊春和辦公室的門。

????與科學(xué)家的聯(lián)手，讓身為中國能源建設(shè)股份有限公司首席專家、中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司董事長的萬明忠心里慢慢有了底，也讓未來的超級“空氣充電寶”有了“底”。

????3年后，2025年1月9日，被譽(yù)為超級“空氣充電寶”的300兆瓦壓縮空氣儲能電站示范工程全功率并網(wǎng)發(fā)電，正式投入商業(yè)運(yùn)行。該儲能電站位于湖北省孝感市應(yīng)城市，是世界首臺（套）全面投用的300兆瓦級壓縮空氣儲能電站。

????儲能電站分為地下儲能系統(tǒng)、地上電力系統(tǒng)兩部分，地上是壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器等設(shè)備，地下是兩個鹽礦采空后留下的洞穴。儲能時，它可以用電力將空氣壓縮到90個大氣壓；放能時，它又可以讓空氣膨脹轉(zhuǎn)變成電力。

????“地上決定好壞，地下決定成敗?！边@是萬明忠在做超級“空氣充電寶”建設(shè)項目時最大的感慨，“地下鹽穴的開發(fā)利用是決定整個儲能電站成敗的核心部分?！?/p>

????“我們想找鹽穴”

????在萬明忠的腦海里，新型電力系統(tǒng)是一個“三角形”，三條邊是“綠色”“安全”“經(jīng)濟(jì)”。一直以來，以風(fēng)能、太陽能等新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，存在發(fā)電隨機(jī)、間歇、波動的難題，儲能被視為唯一 一個能解決這些問題的辦法。然而，化學(xué)儲能有安全風(fēng)險，抽水蓄能建設(shè)周期長、不經(jīng)濟(jì)，“綠色”“安全”“經(jīng)濟(jì)”三條邊怎么都做不到一樣長。

????而他想做新型的儲能電站，一種與以往的水電站、抽水蓄能電站、鋰電池等化學(xué)儲能電站都不同的電站，把中國的新型電力系統(tǒng)變成“等邊三角形”。它利用空氣的壓縮與膨脹儲能，具有安全性，又利用廢棄鹽礦洞穴等地下空間作為儲能場所，相對更經(jīng)濟(jì)。

????然而，最讓他撓頭的問題就是“去哪兒找這樣的地下空間”?！啊厣稀糠值募夹g(shù)我們已經(jīng)掌握了，但要搞成壓縮空氣儲能電站，就涉及‘地下’部分，這部分我們沒有把握?！比f明忠說。

????“必須找一個對地下儲能空間研究比較深的單位合作?！彼南搿?/p>

????2021年底的一天，萬明忠第一次走進(jìn)了楊春和的辦公室：“我們想找鹽穴，做壓縮空氣儲能電站，發(fā)電功率要達(dá)到300兆瓦……”

????楊春和一聽，心中便有數(shù)了——他和他的團(tuán)隊已經(jīng)有了成熟的技術(shù)儲備。

?楊春和介紹不同的腔體結(jié)構(gòu)與排鹵方式。倪思潔/攝

????1995年，楊春和受中國科學(xué)院留學(xué)基金資助，赴美留學(xué)，并于1999年獲得美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)地質(zhì)工程博士學(xué)位。畢業(yè)后，他回到武漢巖土所工作，成為該所留學(xué)歸國的首位博士。

????在美國留學(xué)時，楊春和發(fā)現(xiàn)，美國的石油戰(zhàn)略儲備庫中，共有60余個鹽穴，而彼時，我國連一座鹽穴儲備庫都沒有。回國后，他提出了一個設(shè)想：“向地下要空間，儲存油氣。”盡管很多人認(rèn)為我國鹽礦的地質(zhì)層不適宜儲氣，但楊春和還是反復(fù)做實驗，去全國各地找地下鹽穴。2007年，他最初的構(gòu)想變成了現(xiàn)實——江蘇金壇儲氣庫正式投產(chǎn)注氣，成為亞洲首座地下鹽穴儲氣庫。

????得知萬明忠的想法后，楊春和胸有成竹。他推算，這個鹽穴至少要有60萬立方米的存儲空間。

馬洪嶺在查看注采井上的表盤。倪思潔/攝

????百里挑十，十里選二

????作為武漢巖土所的科研團(tuán)隊，楊春和團(tuán)隊最熟悉的就是湖北地區(qū)，包括距離武漢兩小時車程的應(yīng)城。

????應(yīng)城是湖北省轄縣級市，由孝感市代管。這座工業(yè)城市的地下有許多鹽礦。巖鹽與石膏、溫泉一起被合稱為“應(yīng)城三寶”。

????鹽礦用水溶方式開采完后，會留下一個個空腔。這是儲存油氣、壓縮空氣的天然“寶箱”。

????“鹽穴四周都是氯化鈉晶體，可以承受很高的壓強(qiáng)，而且鹽穴還有自修復(fù)功能，一旦出現(xiàn)裂縫，可以通過鹵水再結(jié)晶，不僅能修復(fù)裂縫，而且不留‘疤痕’，是很好的密封儲存庫?！睏畲汉蛨F(tuán)隊成員、武漢巖土所研究員馬洪嶺說。

????基于對應(yīng)城的了解，楊春和團(tuán)隊很快梳理掌握了應(yīng)城4家鹽礦里100多個鹽穴的情況，并從中篩選出10個符合條件的鹽穴。

????“我們有3個篩選原則——穩(wěn)定性、密封性、可用性?！睂τ邴}穴篩選標(biāo)準(zhǔn)，馬洪嶺如數(shù)家珍，“鹽穴不能太淺，否則加壓之后洞穴會被‘撐破’，也不能太深，否則地面壓縮機(jī)要對抗鹽穴本身的巨大地應(yīng)力；洞穴內(nèi)壁上的鹽要達(dá)到一定厚度才具備密封性；同時，體積還要達(dá)到60萬立方米，否則支撐不了企業(yè)要求的電站能力?！?/p>

????這些原則，來自楊春和團(tuán)隊過去20多年摸索出的經(jīng)驗，他們正在將其寫入國家標(biāo)準(zhǔn)?！皣鴥?nèi)幾乎所有的鹽穴選址，都是我們團(tuán)隊做的?！瘪R洪嶺說，因為經(jīng)常幫國內(nèi)各類工程尋找合適的鹽穴，他們常常開玩笑說自己是“風(fēng)水先生”。

????大約只用了一個月，楊春和團(tuán)隊就基于地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，拿出了初步的可行性研究報告，其中包含了10個鹽穴的具體信息。最終，企業(yè)挑選了兩個遠(yuǎn)離農(nóng)田、埋深500米左右的鹽穴，一個鹽腔大約有40萬立方米，另一個鹽腔有20多萬立方米。

?楊春和（右二）與學(xué)生們討論實驗中的問題。倪思潔/攝

????三個“世界第一”

????鎖定鹽穴之后，團(tuán)隊開始了更細(xì)致和緊張的工作。

????用時一年，團(tuán)隊與中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司深地技術(shù)科研團(tuán)隊、中國石油天然氣集團(tuán)有限公司系統(tǒng)內(nèi)多家單位深度協(xié)同，采用聲吶、三維地震探測等技術(shù)手段，對鹽穴的內(nèi)部情況進(jìn)行調(diào)查，逐漸摸清鹽穴里的詳細(xì)情況。他們又用時半年完成鹽穴的穩(wěn)定性、密封性、地面沉降評價，對鹽穴進(jìn)行全套力學(xué)實驗。

????其間，他們設(shè)計出大口徑氣密封井、新的排鹵方案等一系列復(fù)雜鹽穴空間高效率利用的成套技術(shù)。例如，團(tuán)隊首次實現(xiàn)了高位注氣、低位排鹵的沉渣空隙儲氣擴(kuò)容新方案。

????與國外的鹽礦不同，國內(nèi)的鹽礦開采完后，空腔部分相對較少，很大一部分會被沉渣占據(jù)。鹽礦里的鹽溶進(jìn)水里，變成鹵水被排出來，但礦里的殘渣還會留在腔體中。關(guān)于“沉渣空間能不能用來儲氣”，學(xué)界爭論了十幾年。一些人認(rèn)為沉渣是泥或沙，不能儲氣，但楊春和團(tuán)隊堅持認(rèn)為，沉渣是石塊，縫隙里可以儲氣。

????通過現(xiàn)場測試，研究團(tuán)隊揭示了沉渣空間良好的連通性。他們用一根相對短的管道為鹽穴注氣，又用另一根伸向沉渣底部的長管道向外排鹵。隨著鹵水不斷排出，鹽穴里的儲氣空間越來越大，空間利用率從最初的20%提高到70%以上。

????“目前我們已經(jīng)在鹽穴里騰出大約70萬立方米的儲氣空間，超過了企業(yè)最初提出的需求。”楊春和說。

????與此同時，他們還在世界范圍內(nèi)首次利用壓裂鹽穴開展地下儲能，為我國鹽穴采空區(qū)的大規(guī)模利用奠定了基礎(chǔ)；首創(chuàng)國內(nèi)最大口徑注采井方案，大幅提高了鹽穴空腔利用率和注采井的注采氣量，降低了工程造價并縮短了建設(shè)工期。

????2024年4月9日，湖北應(yīng)城300兆瓦鹽穴壓縮空氣儲能電站并網(wǎng)發(fā)電。如今，該電站正式投入商業(yè)運(yùn)行，并實現(xiàn)了三個“世界第一”——單機(jī)功率世界第一、儲能規(guī)模世界第一、轉(zhuǎn)換效率世界第一。

????“它的單機(jī)功率達(dá)到300兆瓦級，儲能容量達(dá)1500兆瓦時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約70%，每天儲能8小時、釋能5小時，年均發(fā)電約5億千瓦時。以空氣為介質(zhì)，它一年轉(zhuǎn)換的電量可以滿足75萬居民的用電需求?！瘪R洪嶺說。

????面對這座嶄新的電站，萬明忠感慨：“目前它可以有效應(yīng)對新能源發(fā)電的波動性、間歇性和隨機(jī)性，為湖北省電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和省內(nèi)新能源消納發(fā)揮重要作用。”

? 楊春和（左一）在指導(dǎo)學(xué)生。倪思潔/攝

????信任與未來

????2024年12月24日，在工程現(xiàn)場，龐大的注采井上涂著鮮紅的漆，馬洪嶺看了看旁邊的儀表盤，上面顯示著“7.359MPa”。此時，在腳下看不見的鹽穴里，空氣已經(jīng)被壓到了73.59個大氣壓?！拔覀兘o企業(yè)的建議是最高到90個大氣壓，最低保持在60個大氣壓?！瘪R洪嶺說。

????對于科學(xué)家，萬明忠及其企業(yè)團(tuán)隊非常信任。過去3年里，雙方已經(jīng)成了好朋友?！拔覀冸S叫隨到，他們也隨叫隨到。以前，我們對鹽穴一點(diǎn)都不懂，現(xiàn)在在楊院士團(tuán)隊的支持下，我們團(tuán)隊也有了很多專家?！比f明忠說。

????在這個項目中，楊春和團(tuán)隊史無前例地提供了全過程的技術(shù)支撐。鹽穴投入商業(yè)運(yùn)行之后，他們還將繼續(xù)幫助企業(yè)監(jiān)測地面沉降情況，以確保儲能電站安全運(yùn)行。

????“我們原本做的是一個很小眾的研究方向，但遇到了能源轉(zhuǎn)型的機(jī)遇期?！瘪R洪嶺回憶，2008年，團(tuán)隊剛開始做地下鹽穴利用研究時門可羅雀，如今，“雙碳”政策的驅(qū)動讓新型電力系統(tǒng)和鹽穴儲能出現(xiàn)了井噴式發(fā)展，也讓科技在服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面有了用武之地。有時實驗室剛開發(fā)出一項技術(shù)，立馬就有企業(yè)想要承接。

????與企業(yè)合作時，楊春和總是跟團(tuán)隊成員說：“企業(yè)的錢不是大風(fēng)刮來的，你得給別人解決問題、帶來經(jīng)濟(jì)效益，別人才會持續(xù)地跟你合作?！?/p>

????楊春和計劃，未來不僅要帶著團(tuán)隊做“從0到1”的工作，也要關(guān)注“從1到0”的問題?！霸诠こ倘〉贸晒χ?，我們要反思為什么會成功，優(yōu)化的空間在哪里，還有哪些基礎(chǔ)原理沒有研究透徹，以便進(jìn)行下一步的技術(shù)迭代?！睏畲汉驼f。