地下壓氣儲能及建造關鍵工程問題研究進展

摘要：發展儲能技術是新能源持續健康發展的關鍵。地下壓氣儲能效率高、選址靈活，對環境友好，是儲能技術發展的重點方向。梳理地下壓氣儲能技術的發展過程、關鍵問題等，可為相關研究提供重要指導。全面綜述地下壓氣儲能工程的研究進展與關鍵性問題，討論潛在的發展方向，發現我國的地下壓氣儲能發展起步晚于國外，且多處于技術研究和示范工程階段，不同巖層的選址、密封性、穩定性要求有所差異，需要分類開展研究；同時，地下壓縮空氣儲能工程圍巖多場耦合效應對工程穩定性和功能轉化效率具有重要意義。但由于壓氣儲能是新興的儲能技術，在國內外雖然取得了豐富的研究成果，可工程應用仍有較多問題亟需解決。因此，將壓氣儲能作為集中式、分布式、聯合循環等電站配套設施，優化密閉檢測、數字化和智能化是壓氣儲能重要的發展方向。

關鍵詞：地下壓氣儲能；工程關鍵問題；儲能技術

基金項目：貴州大學2022年大學生創新創業訓練計劃項目（gzusc2022034）

近年來，化石能源危機和可再生能源間歇性、波動性等問題凸顯，大規模儲能成為保障能源健康發展的關鍵一環。隨著“雙碳”戰略的推進，多種儲能技術迅速發展。其中，抽水蓄能技術較為成熟，可進行大規模儲能，但對場地要求高；飛輪儲能響應速度快，但成本較高，容量規模一般較小；儲熱占地面積小、效率高，但只能應用到特定發電場景中；儲氫成本相對較低，發電時間長，但系統效率相對較低；液態空氣儲能能量密度大，但效率較低；電化學儲能效率較高，建設周期短，但容易導致安全隱患；壓縮空氣儲能對場地要求靈活，成本接近抽水蓄能，同時可進行大規模儲能，壓氣儲能儲庫既可以使用地上罐體，又可以建立地下儲庫。對比其他儲能，壓氣儲能是大規模儲能的理想儲能方式。建立地下儲庫較高壓罐體可大幅削減成本，因此研究其關鍵問題，總結已有成果，可為后續研究提供方向。

1 地下壓氣儲能工程

1.1 地下壓氣儲能庫介紹

地下壓氣儲能原理如圖1所示，在電網低谷期時，將多余電量驅動電動機壓縮空氣，將壓縮空氣存到地下洞室中；在電網高峰期，壓縮空氣通過渦輪機進行膨脹，驅動發電機發電。因此，地下壓氣儲能需保證地下洞室密閉性、穩定性、能夠承受多次溫壓循環荷載，建庫地層一般為鹽穴、硬巖地層、廢棄礦洞和含水層。

1.2 已建成地下壓氣儲能庫

1978年，德國Huntorf電站正式建成，是國際上首座商業化運行的壓氣儲能電站。儲庫為2個廢棄鹽巖礦洞，參數如表1所示，采用高、低透平壓縮機結合的方式，可連續充氣8h，發電2h，實現6min內啟動至負荷。1991年，美國McIntosh電站建成，機組啟動到滿負荷約需9min，額定負荷狀態熱效率74.7%。2022年，江蘇金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲能電站作為國內示范項目投入運行，參數如表2所示。2024年，湖北應城300MW級鹽穴先進絕熱壓縮空氣儲能正式并網，系統轉化率達70%。

Huntorf電站采用回熱系統及天然氣與壓縮空氣混合燃燒提高系統循環熱效率；McIntosh電站在Huntorf電站的基礎上進行改良，增加了廢熱回收系統，可節省25%的燃料；江蘇金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲能電站是世界上首座成功應用先進絕熱非補燃式儲能技術的電站，較國外2個典型案例，不僅充分回收了熱源能量、提高了系統效率，還實現了廢氣零污染排放。

1.3 在建地下壓氣儲能庫及發展趨勢

1.3.1 在建地下壓氣儲能庫

如表3所示，2023年國內壓氣儲能電站在建項目在鹽巖地層、硬巖、廢棄礦坑、人工硐室等地零星出現。由于傳統補燃式壓氣儲能效率較低、依賴天然氣、碳排放大，不符合“雙碳”戰略內核，因此為提高系統效率、順利實施減碳，現階段國內儲能開始向先進絕熱壓氣儲能、等溫壓縮壓氣儲能、多種地層建立儲庫等方向發展。

1.3.2 發展趨勢

1.3.2.1 先進絕熱壓縮地下壓氣儲能

先進絕熱壓縮儲能（AA-CAES）摒棄了補燃環節，并外部擴展電加熱單元、光熱收集單元等來提高效率。AA-CAES的效率可通過耦合單元持續優化，作為綜合能源系統使用，學者們對調度模型開展了理論及仿真研究。YAOWANG L等[1]基于冷熱聯產調度，建立了一種冷熱電一體化調度模型，降低運行成本，但尚未實現最優調度模型。徐衛君等[2]基于能源集線器理論，構建多能流優化調整模型，提高了區域的能量利用效率，進行并仿真驗證模型性能。因此，學者們多進行仿真模擬研究AA-CAES，實現聯供系統規劃尚不成熟。

1.3.2.2 等溫壓縮地下壓氣儲能

等溫壓縮壓氣儲能是使空氣保持接近等溫，提高壓縮空氣熱效率，為實現恒溫，需增加接觸面積系數和空氣接觸時間，如液體活塞、金屬絲網、水泡沫等。其中，活塞可以避免氣體泄漏，但氣體壓力的波動會影響活塞系統的運行性能；水泡沫作用時間長，但里面的化學成分可能會影響儲庫的運行壽命；金屬絲網用于增加液體活塞的高速率傳熱，可以提高系統效率。VIKRAM C P等[3]使用鋁和銅金屬網進行等溫壓縮試驗，得出金屬絲網可提高6%～8%系統效率，但未考慮金屬網在連續運行工況下的性能，因此對于金屬絲網，目前的研究并不充分，金屬絲的選擇、最佳網眼等問題仍待進一步研究。李瑞雄等[4]建立詳細的熱力學模型，研究淋噴量、物理尺寸、水泵運行工況等參數對壓氣儲能的運行效率的影響，形成液體活塞壓氣儲能熱力評價體系。雖然，學者們對液體活塞的研究較多，但對等溫壓縮壓氣儲能的其他等溫手段評價體系的研究卻較為欠缺。

2 地下壓氣儲能工程關鍵問題研究進展

2.1 地下壓氣儲能庫候選場址要求

巖石類型的特性不同，地下儲能庫對地層的建庫要求也不同。鹽巖是壓氣儲能的理想地層，密閉性好，相對其他地層研究較為成熟。國外的鹽巖地層為鹽穴，而我國鹽巖地層有層薄、雜質含量高、夾層多等特點。國外與國內的鹽巖地層類型有所差異，楊春和等[5]進行了多年國內鹽層建庫的可行性論證，為江蘇金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲能電站的完成提供了支撐。HANG L等[6]認為純度不高的鹽巖地層建設壓氣儲能庫也是可行的，鹽巖地層夾層滲透性越低，蓋層越厚，越有利于腔體的穩定性和密閉性。硬巖壓氣儲能在國內尚未有示范性項目建成，目前硬巖建庫并沒有成熟的選址路線可供參考，仍處于邊產邊研階段。用于地下儲能庫礦洞應保證圍巖的自承能力大、巷道和豎井穩定性高、巷道密封性好。廢棄煤礦地質賦存、采掘條件具有復雜性，趙同彬等[7]梳理了前人文獻，總結了廢棄壓氣儲能選址評估方法。國內廢棄礦洞壓氣儲能庫研究起步晚，未有成熟的選址評估方法推廣應用，仍需進一步實踐驗證。

含水層需蓋層不透水，并建立在密封性好的地區。國外已在含水層儲能庫多方面建立了評估標準，但國內發展較晚，目前只集中在運行參數優化、氣體滲漏控制、多場耦合模擬等理論方面。謝珺河[8]、葉磊[9]構建地下含水層模型，對含水層壓縮空氣儲能系統進行了THM耦合模擬分析。謝珺河[8]得出滲透率和注氣方案等因素對系統起決定性作用；葉磊[9]表明系統的循環會影響含水層及上下巖層，背斜構造氣體飽和度和可持續周期數最高。但在無背斜構造的含水層仍有建庫需求，DONGMEI S等[10]采用數值模擬方法，表明在近海地區沒有合適的背斜構造含水層的情況下，水平含水層是CAES存儲介質的潛在選擇。

建庫地層適宜性集中在水文地質、密封性、地質構造等評價放面，因此需建立綜合評價體系，使得建庫多因素指標越來越受關注。

2.2 地下壓氣儲能庫密閉工程型式

鹽巖有較低的滲透率，密閉性好，多采用單層洞室密封。硬巖、廢棄礦洞洞室可采用鋼筋混凝土與圍巖的雙層洞室或密封層、襯砌、圍巖組成的3層洞室進行密封，也可通過豎井與洞室連接封閉，特定條件下采用復合式襯砌。國外對硬巖地層密封材料大多采用鋼板，鋼板材料幾乎不透氣，但鋼板作為密封層材料，施工難度大、造價高，在濕空氣作用下容易腐蝕。夏才初等[11]通過試驗及數值模擬得出，玻璃鋼和橡膠板密封性好、施工難度小、造價低廉，可作為備選的密封材料。

2.3 地下壓氣儲能庫密閉性研究

密閉性是地下壓氣儲能庫需要首要考慮的問題之一，直接影響儲能庫的運行性能。國內外研究鹽巖密閉性的成果較為豐富，國外密封檢測方法主要有氣體為介質（API法）或液體為介質（Geostock法）2種。其中，API法簡單、成本低；Geostock法準確科學，但測試時間長、成本高。國內學者多將國外密封監測方法進行結合或改進使用。袁光杰等[12]與孫希亮[13]采用了原理與API法相似的方法，對鹽腔的密閉性進行監測，成功應用到江蘇金壇的鹽巖井洞中。另外，通過氣體的溫度評價儲能庫密閉性也是當今判別儲庫氣密性的方式，如自然高靈敏測井技術。為將儲庫應用到廣大其他地層，研究非鹽巖地層密閉性也十分必要。蔣中明等[14]建立國內首座硬巖試驗庫，得出各結構層位移、溫度、應力的變化規律，并使用光纖驗證硬巖試驗庫的密閉性。綜上，針對地下壓氣儲能鹽巖的密閉性研究較為豐富，但對于非鹽巖地層的研究，仍然需要不斷完善。

2.4 地下壓氣儲能庫變形及穩定性研究

由于儲能庫受熱力耦合作用明顯，易發生變形，因而保障儲能庫的穩定性至關重要。夏才初等[15]使用Abaqus分析了壓氣儲能硬巖洞室穩定性和洞周應變規律，認為埋深300m的圓形洞室和大罐洞室穩定性較好，馬蹄型洞室應變最大。劉瀾婷[16]結合平江硬巖壓氣試驗庫地質條件，建立數值仿真模型，得出密封層靠近堵頭處溫度最高，襯砌容易失穩破壞。駱帥伶等[17]總結出圍巖穩定性與巖石強度、巖體結構、洞室跨度等有關。因此，圍巖穩定性受應力、溫度等一系列的因素影響，開展多場耦合研究具有十分重要的意義。

2.5 地下壓氣儲能庫應力-溫度-變形研究

地下壓氣儲能電站承受荷載變化頻率高，溫度變化明顯，國內外學者對此開展研究積累了豐富的成果。KHALEDI K等[18]建立鹽巖的蠕變本構模型，分析溫壓作用下鹽巖的穩定性，表明應力對圍巖穩定性有重要影響，循環溫度會縮短儲能庫的使用壽命。XU X L等[19]基于Weibull分布和等效應變原理，建立損傷模型，探討溫壓條件下的花崗巖變形和破壞特征。RAHIM H等[20]研究鹽巖地層的熱-水-力-化學耦合過程，確認影響儲能庫運行過程的關鍵參數。綜上，學者們對硬巖溫壓規律的研究集中在花崗巖，研究不充分。因此，研究熱-水-力-化學的共同耦合作用，更符合實際的工況，是儲能庫密閉性、穩定性等關鍵問題的發展方向。

3 地下壓氣儲能工程發展方向

3.1 新能源發展配套地下儲能潛在發展方向

3.1.1 集中式與分布式新能源電站配套壓氣儲能

我國太陽能、風能資源豐富，由于風能和太陽能發電的波動性和不確定性，需結合儲能技術，平衡能源供需關系，采用大容量、中長時間尺度的壓氣儲能解決新能源發電不足和消納問題，使壓氣儲能可作為新能源的配套設施，來優化電力系統的布局，緩解地區和時段性的供求矛盾。集中式電站與壓氣儲能結合，可解決可再生能源不穩定性，回收地下采空區，實現資源最大化利用。我國江蘇金壇、湖北應城壓氣儲能電站示范性項目均為集中式電站，為區域產業升級和經濟發展提供了支撐，同時分布式電站與壓氣儲能結合，可最大化利用能源，減小新能源接入電力系統所造成的影響。清華大學進行100kW光熱復合絕熱壓氣儲能冷電熱三聯供實驗，促進了分布式電站的研究。

3.1.2 聯合循環電站

聯合循環電站將多種熱力學循環結合，提升熱效率。壓氣儲能可與多種發電方式結合，如燃氣-蒸汽聯合循環電站。法國阿爾斯通公司計劃開發442MW發電機，來滿足燃氣-蒸汽聯合循環電站的運行要求。壓氣儲能也可與其他能源系統進行集成，提高壓氣儲能庫的性能，如與生物質氣化系統結合。西班牙計劃在Basque-Cantabrian開展沼氣與壓氣儲能的聯合循環電站項目，理論效能可達80%。聯合循環電站提高了能源的利用率，降低了環境污染，是壓氣儲能發展的潛在方向。

3.2 數字化與智能化

數字化建設是實現智能化儲能庫的基礎。數字化儲能庫有利于對儲能庫自我調節和監控，降本增效。預計智能化儲能庫可優化運行方案，識別儲能庫潛在風險，了解地下儲能庫的運行狀態，評估儲能庫的密封性能，及時預警，提高儲能庫可靠性。目前，國內外尚未有建成的智能化儲能庫。

4 結論

梳理國內外地下壓氣儲能研究進展，以及壓氣儲能候選場址要求、密閉工程、密閉性研究、穩定性和溫度-應力-變形等問題，并討論不同地層建庫適宜性、潛在發展方向和監測技術等，得出以下4項結論。

①地下壓氣儲能效率高、選址靈活、環境友好，是儲能技術發展的重點方向。

②國內的地下壓氣儲能發展比國外起步晚，多處于技術研究和示范工程階段，不同巖層的選址、密封性、穩定性要求有所差異，需要分類開展研究；地下壓縮空氣儲能工程圍巖多場耦合效應，對工程穩定性和功能轉化效率具有重要意義。

③在地下壓氣儲能庫的候選場址、密閉工程型式、密閉性研究、變形及穩定性研究、應力-溫度-變形等關鍵問題方面，國內外取得了豐富的研究成果，為壓縮空氣儲能工程建設提供了重要理論支撐。

④應對儲能不同需求、不同地域地質條件的差異，集中式、分布式、聯合循環等電站的持續發展為新能源提供了關鍵儲能支撐；同時，密閉檢測方法技術、智能監測是重要的發展方向。

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作者簡介

宋宇（2002—），男，漢族，黑龍江大慶人，大學本科在讀，研究方向為儲能技術。

通信作者

陳世萬（1990—），男，漢族，四川達州人，副教授，研究生導師，博士，主要從事高放廢物地質處置中巖石力學方面的研究。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-21