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文 ｜ 《中國科學報》 記者 倪思潔
2021年冬天，萬明忠帶著建新型儲能電站的想法，走進中國科學院武漢巖土力學研究所（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。
與科學家的聯手，讓身為中國能源建設股份有限公司首席專家、中能建數字科技集團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發電，正式投入商業運行。該儲能電站位于湖北省孝感市應城市，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、地上電力系統兩部分，地上是壓縮機、膨脹機、換熱器等設備，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變成電力。
“地上決定好壞，地下決定成敗。”這是萬明忠在做超級“空氣充電寶”建設項目時最大的感慨，“地下鹽穴的開發利用是決定整個儲能電站成敗的核心部分。”
“我們想找鹽穴”
在萬明忠的腦海里，新型電力系統是一個“三角形”，三條邊是“綠色”“安全”“經濟”。一直以來，以風能、太陽能等新能源為主體的新型電力系統，存在發電隨機、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，化學儲能有安全風險，抽水蓄能建設周期長、不經濟，“綠色”“安全”“經濟”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、鋰電池等化學儲能電站都不同的電站，把中國的新型電力系統變成“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，相對更經濟。
然而，最讓他撓頭的問題就是“去哪兒找這樣的地下空間”。“‘地上’部分的技術我們已經掌握了，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。”萬明忠說。
“必須找一個對地下儲能空間研究比較深的單位合作。”他心想。
2021年底的一天，萬明忠第一次走進了楊春和的辦公室：“我們想找鹽穴，做壓縮空氣儲能電站，發電功率要達到300兆瓦……”
楊春和一聽，心中便有數了——他和他的團隊已經有了成熟的技術儲備。
楊春和介紹不同的腔體結構與排鹵方式。倪思潔/攝
1995年，楊春和受中國科學院留學基金資助，赴美留學，并于1999年獲得美國內華達大學地質工程博士學位。畢業后，他回到武漢巖土所工作，成為該所留學歸國的首位博士。
在美國留學時，楊春和發現，美國的石油戰略儲備庫中，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，他提出了一個設想：“向地下要空間，儲存油氣。”盡管很多人認為我國鹽礦的地質層不適宜儲氣，但楊春和還是反復做實驗，去全國各地找地下鹽穴。2007年，他最初的構想變成了現實——江蘇金壇儲氣庫正式投產注氣，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隊，楊春和團隊最熟悉的就是湖北地區，包括距離武漢兩小時車程的應城。
應城是湖北省轄縣級市，由孝感市代管。這座工業城市的地下有許多鹽礦。巖鹽與石膏、溫泉一起被合稱為“應城三寶”。
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，而且鹽穴還有自修復功能，一旦出現裂縫，可以通過鹵水再結晶，不僅能修復裂縫，而且不留‘疤痕’，是很好的密封儲存庫。”楊春和團隊成員、武漢巖土所研究員馬洪嶺說。
基于對應城的了解，楊春和團隊很快梳理掌握了應城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——穩定性、密封性、可用性。”對于鹽穴篩選標準，馬洪嶺如數家珍，“鹽穴不能太淺，否則加壓之后洞穴會被‘撐破’，也不能太深，否則地面壓縮機要對抗鹽穴本身的巨大地應力；洞穴內壁上的鹽要達到一定厚度才具備密封性；同時，體積還要達到60萬立方米，否則支撐不了企業要求的電站能力。”
這些原則，來自楊春和團隊過去20多年摸索出的經驗，他們正在將其寫入國家標準。“國內幾乎所有的鹽穴選址，都是我們團隊做的。”馬洪嶺說，因為經常幫國內各類工程尋找合適的鹽穴，他們常常開玩笑說自己是“風水先生”。
大約只用了一個月，楊春和團隊就基于地質調查數據，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，企業挑選了兩個遠離農田、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，團隊開始了更細致和緊張的工作。
用時一年，團隊與中能建數字科技集團有限公司深地技術科研團隊、中國石油天然氣集團有限公司系統內多家單位深度協同，采用聲吶、三維地震探測等技術手段，對鹽穴的內部情況進行調查，逐漸摸清鹽穴里的詳細情況。他們又用時半年完成鹽穴的穩定性、密封性、地面沉降評價，對鹽穴進行全套力學實驗。
其間，他們設計出大口徑氣密封井、新的排鹵方案等一系列復雜鹽穴空間高效率利用的成套技術。例如，團隊首次實現了高位注氣、低位排鹵的沉渣空隙儲氣擴容新方案。
與國外的鹽礦不同，國內的鹽礦開采完后，空腔部分相對較少，很大一部分會被沉渣占據。鹽礦里的鹽溶進水里，變成鹵水被排出來，但礦里的殘渣還會留在腔體中。關于“沉渣空間能不能用來儲氣”，學界爭論了十幾年。一些人認為沉渣是泥或沙，不能儲氣，但楊春和團隊堅持認為，沉渣是石塊，縫隙里可以儲氣。
通過現場測試，研究團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。
“目前我們已經在鹽穴里騰出大約70萬立方米的儲氣空間，超過了企業最初提出的需求。”楊春和說。
與此同時，他們還在世界范圍內首次利用壓裂鹽穴開展地下儲能，為我國鹽穴采空區的大規模利用奠定了基礎；首創國內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工期。
2024年4月9日，湖北應城300兆瓦鹽穴壓縮空氣儲能電站并網發電。如今，該電站正式投入商業運行，并實現了三個“世界第一”——單機功率世界第一、儲能規模世界第一、轉換效率世界第一。
“它的單機功率達到300兆瓦級，儲能容量達1500兆瓦時，系統轉換效率約70%，每天儲能8小時、釋能5小時，年均發電約5億千瓦時。以空氣為介質，它一年轉換的電量可以滿足75萬居民的用電需求。”馬洪嶺說。
面對這座嶄新的電站，萬明忠感慨：“目前它可以有效應對新能源發電的波動性、間歇性和隨機性，為湖北省電網安全穩定運行和省內新能源消納發揮重要作用。”
楊春和（左一）在指導學生。倪思潔/攝
信任與未來
2024年12月24日，在工程現場，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，空氣已經被壓到了73.59個大氣壓。“我們給企業的建議是最高到90個大氣壓，最低保持在60個大氣壓。”馬洪嶺說。
對于科學家，萬明忠及其企業團隊非常信任。過去3年里，雙方已經成了好朋友。“我們隨叫隨到，他們也隨叫隨到。以前，我們對鹽穴一點都不懂，現在在楊院士團隊的支持下，我們團隊也有了很多專家。”萬明忠說。
在這個項目中，楊春和團隊史無前例地提供了全過程的技術支撐。鹽穴投入商業運行之后，他們還將繼續幫助企業監測地面沉降情況，以確保儲能電站安全運行。
“我們原本做的是一個很小眾的研究方向，但遇到了能源轉型的機遇期。”馬洪嶺回憶，2008年，團隊剛開始做地下鹽穴利用研究時門可羅雀，如今，“雙碳”政策的驅動讓新型電力系統和鹽穴儲能出現了井噴式發展，也讓科技在服務經濟發展方面有了用武之地。有時實驗室剛開發出一項技術，立馬就有企業想要承接。
與企業合作時，楊春和總是跟團隊成員說：“企業的錢不是大風刮來的，你得給別人解決問題、帶來經濟效益，別人才會持續地跟你合作。”
楊春和計劃，未來不僅要帶著團隊做“從0到1”的工作，也要關注“從1到0”的問題。“在工程取得成功之后，我們要反思為什么會成功，優化的空間在哪里，還有哪些基礎原理沒有研究透徹，以便進行下一步的技術迭代。”楊春和說。