14层楼高的地下巨洞藏气？中国开建超级储氢库，清洁能源存储破局

#头号创作者激励计划#

这段时间我国不断上马超级工程。继雅江水电工程之后，江苏常州的“大规模盐穴储氢主体工程”宣布开建。官方新闻浓墨重彩地描绘了这个工程的意义，比如“填补国内空白”、“破解卡脖子技术难题”、“自主知识产权”等等，各路专家院士也都评价该工程为我国氢能产业发展史上的重要事件。

01为什么我们需要“多此一举”的能源？

但我猜，很多人会感到困惑：在水电、风电、太阳能都在快速发展的今天，搞氢能源这件事儿，真的必要吗？毕竟，氢气可不是自然资源，那可是要通过电解水才能获得的东西。把电转化成氢，再用氢来发电，这是不是太多此一举了呢？

确实，风能、太阳能甚至即将民用化的核聚变都是清洁能源。但它们都有一个致命的弱点：不稳定。有风有光的时候，发的电可能多到用不完；没风没光的时候，就无电可用。就算是核聚变，它确实是产能稳定，但是我们用电不稳定啊，用电有高峰和低谷，而我们不可能根据用电的高峰和低谷来随时调节核聚变发电厂的功率，这是电网最头疼的问题。

25年春节浙江电网典型负荷“鸭子曲线”，一天中尖峰负载及可再生能源发电量之间的落差

而氢能，就是解决这个问题的完美中间人。只要电能有富余，我们就可以用它来电解水制造氢气，如果能把这些氢气都存起来，在电力出现缺口的时候使用，那可就皆大欢喜了。所以，氢能源与其他能源不是相互取代的关系，氢能源是其他能源的蓄电池。这也是盐穴储氢工程的真正意义。

02地下千米的“氢气银行”如何运作？

盐穴储氢工程，用最简单的话讲，就是在天然盐层中挖出一个巨大空洞，像氢气银行一样，把氢气储存在里面。

不过新问题又来了。我们平时储存天然气、煤气，不都是用一个个金属罐子吗？为什么到了氢气这里，就非要大动干戈地去挖洞呢？

我们储存气体的常规手段无非两种：高压气态储存和低温液态储存。

先看液化。把气体变成液体，体积能直接缩小成百上千倍，效率极高。但氢气的液化极为困难，它需要在253℃的低温下才会液化。要把氢气冷却到这个温度，并长期维持，需要消耗极其巨大的能量。目前，液态储氢只会用于航空航天等不计成本的领域。

液化不行，高压气态储存可以吗？也不行。氢气是宇宙中最轻的元素，密度极低。即便把它压缩到 700 倍大气压，它的密度也只有水的二十五分之一。这意味着，储存压缩氢气，你需要一个体积大到离谱的容器。

所以，为储存氢气而挖洞，不是多此一举，而是排除了所有其他选项后，唯一可行的笨办法。而且，地底洞穴天然就是一个能够承受超高压的罐子，它同时满足了够大和承压这两个条件。

一个典型的储气库，其有效容积通常在 15 万到 50 万立方米之间。我们取一个中间值，比如 30 万立方米。这是什么概念？一个标准足球场的面积大约是 7000 平方米，30 万立方米就相当于在整个足球场上，堆起一座超过 40 米高的建筑，大概有 14 层楼那么高。

在如此巨大的空间里，以 150 倍大气压的超高压力注入氢气，大约可以储存 3600 吨。一辆主流的氢能源汽车，加满一次氢气大约需要 5 公斤，能跑 600 公里。那么，这一个空间储存的氢气，就足以让超过 70 万辆氢能源汽车，一次性加满燃料。

想让地下空腔承受巨大压力，就必须深挖，至少要挖到地下几百米上千米深才行。这么深的地方，使用传统的挖掘工具，显然是不可能完成的任务。

第一步：既然挖不了，那就“溶”掉它

工程师们想到了一个绝妙的办法：水溶法。盐是可溶于水的。他们先向地下深处的厚盐层钻一个井，然后通过这个井注入淡水。水会溶解盐，形成高浓度的盐水（卤水），再把卤水抽回地面。如此循环往复，就像用一根精密的“水针”在地下“雕刻”一样，日积月累，一个巨大的空腔就形成了。这就完美地绕开了机械挖掘的难题。

第二步：去哪里找这么完美的“盐层”？

方法有了，但去哪儿用呢？不是所有地下都有盐，也不是所有盐层都适合。我们需要找的，是那种厚度达到几百米、纯度很高、埋藏深度恰到好处（通常在 600 米到 2000 米之间）的稳定盐层。太浅了，地层压力不够，密封性差；太深了，钻探和建设成本又太高。这就需要地质勘探科学家大显身手，他们利用地震波、钻探取芯等各种高科技手段，像给地球做 CT 一样，在广袤的国土上寻找最合适的“风水宝地”。

储能电站盐穴微地震监测系统布设图

第三步：洞穴造好了，会不会塌方？

一个相当于 14 层楼高的地下空腔，光是听着就让人担心它的稳定性。没错，这是一个核心的工程力学问题。为了防止塌方，工程师绝不会随心所欲地去“溶解”。他们会通过精确控制注水和抽卤水的流量、压力和位置，主动去设计和塑造盐穴的形状。

最经典的形状是“梨形”或“水滴形”，上窄下宽。这种结构符合岩石力学原理，能将顶部的巨大压力均匀地传导到两侧和底部，从而保持腔体的长期稳定。这已经不是简单的“造洞”，而是精密的“地下建筑设计”。

储能盐穴声呐测量结果

第四步：万一漏气了怎么办？神奇的“自我修复”能力

这是最关键，也最违反直觉的一点。氢气是宇宙中最小的分子，渗透能力极强，怎么保证它不泄漏？这就回到了我们为什么非要选“盐岩”这个材质。

在地下深处，盐岩表现出一种独特的物理特性——蠕变性，或者说“可塑性”。为了让你更好地理解，我们换一个比喻。你可以把它想象成一条移动极其缓慢的冰川。冰是固体，你敲上去是硬的，但整座冰川在自身巨大的重力和压力下，却能像河流一样流动。

深处的盐岩也是如此。它虽然是坚硬的晶体，但在地层深处巨大的压力下，它拥有了类似超高粘度流体的“可塑性”。一旦盐穴的腔壁出现微小的裂缝，周围巨大的压力就会驱使盐岩缓缓“流”过去，将裂缝重新“焊”上。这种“自我修复”能力，是花岗岩等其他岩石完全不具备的，它为氢气的长期安全封存提供了独一无二的保障。

第五步：如何给这个“巨型气罐”盖上盖子，并实现存取？

盐穴造好了，如何安全地把氢气放进去，又在需要时取出来？这就要靠一套精密复杂的井口和管道系统。工程师会从地面向下，套入一层又一层的钢制管道（称为套管），并用特种水泥将每层套管之间的环形空间牢牢封死，形成多重屏障，确保气体不会顺着井筒向上泄漏。

最内层的管道，就是氢气进出的通道。地面上则有巨大的压缩机、过滤器和控制阀门，像一个超级“水龙头”，精确地控制着氢气的“存”和“取”。考虑到氢气还会让普通钢材变脆（氢脆），所有接触氢气的管道和设备，都必须采用特殊的抗氢脆合金材料，这本身就是高端制造业的一次大考。

所以你看，从论证非它不可的必要性，到解决一系列工程难题，这是一个环环相扣、步步为营，集地质学、工程力学、材料科学、流体力学于一体的宏大系统工程。为了解决能源问题，人类从技术到工程展现了强大的智慧，而这些技术和工程的底层都是基础科学。每当在面对这些大工程杰作时，心里总是叹服于人类的科技文明。

聊到这里，相信你已经了解了盐穴储氢工程的原理。你认为未来能源的终极答案会是什么？欢迎给我们留言，我们一起脑洞未来。