地下壓氣儲能及建造關(guān)鍵工程問題研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞：地下壓氣儲能；工程關(guān)鍵問題；儲能技術(shù)

近年來，化石能源危機(jī)和可再生能源間歇性、波動性等問題凸顯，大規(guī)模儲能成為保障能源健康發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。隨著“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)，多種儲能技術(shù)迅速發(fā)展。其中，抽水蓄能技術(shù)較為成熟，可進(jìn)行大規(guī)模儲能，但對場地要求高；飛輪儲能響應(yīng)速度快，但成本較高，容量規(guī)模一般較小；儲熱占地面積小、效率高，但只能應(yīng)用到特定發(fā)電場景中；儲氫成本相對較低，發(fā)電時(shí)間長，但系統(tǒng)效率相對較低；液態(tài)空氣儲能能量密度大，但效率較低；電化學(xué)儲能效率較高，建設(shè)周期短，但容易導(dǎo)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(shí)可進(jìn)行大規(guī)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(guī)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(guān)鍵問題，總結(jié)已有成果，可為后續(xù)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(wǎng)低谷期時(shí)，將多余電量驅(qū)動電動機(jī)壓縮空氣，將壓縮空氣存到地下洞室中；在電網(wǎng)高峰期，壓縮空氣通過渦輪機(jī)進(jìn)行膨脹，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。因此，地下壓氣儲能需保證地下洞室密閉性、穩(wěn)定性、能夠承受多次溫壓循環(huán)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(yè)化運(yùn)行的壓氣儲能電站。儲庫為2個(gè)廢棄鹽巖礦洞，參數(shù)如表1 所示，采用高、低透平壓縮機(jī)結(jié)合的方式，可連續(xù)充氣8h，發(fā)電2h，實(shí)現(xiàn)6min 內(nèi)啟動至負(fù)荷。1991年，美國McIntosh 電站建成，機(jī)組啟動到滿負(fù)荷約需9min，額定負(fù)荷狀態(tài)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(nèi)示范項(xiàng)目投入運(yùn)行，參數(shù)如表2 所示。2024年，湖北應(yīng)城300MW級鹽穴先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能正式并網(wǎng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率達(dá)70%。

Huntorf電站采用回?zé)嵯到y(tǒng)及天然氣與壓縮空氣混合燃燒提高系統(tǒng)循環(huán)熱效率；McIntosh電站在Huntorf 電站的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，增加了廢熱回收系統(tǒng)，可節(jié)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(yīng)用先進(jìn)絕熱非補(bǔ)燃式儲能技術(shù)的電站，較國外2個(gè)典型案例，不僅充分回收了熱源能量、提高了系統(tǒng)效率，還實(shí)現(xiàn)了廢氣零污染排放。

1.3在建地下壓氣儲能庫及發(fā)展趨勢

1.3.1在建地下壓氣儲能庫

如表3 所示，2023 年國內(nèi)壓氣儲能電站在建項(xiàng)目在鹽巖地層、硬巖、廢棄礦坑、人工硐室等地零星出現(xiàn)。由于傳統(tǒng)補(bǔ)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(zhàn)略內(nèi)核，因此為提高系統(tǒng)效率、順利實(shí)施減碳，現(xiàn)階段國內(nèi)儲能開始向先進(jìn)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(fā)展。

1.3.2發(fā)展趨勢

1.3.2.1先進(jìn)絕熱壓縮地下壓氣儲能

先進(jìn)絕熱壓縮儲能（AA-CAES）摒棄了補(bǔ)燃環(huán)節(jié)，并外部擴(kuò)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(xù)優(yōu)化，作為綜合能源系統(tǒng)使用，學(xué)者們對調(diào)度模型開展了理論及仿真研究。YAOWANG L 等[1] 基于冷熱聯(lián)產(chǎn)調(diào)度，建立了一種冷熱電一體化調(diào)度模型，降低運(yùn)行成本，但尚未實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度模型。徐衛(wèi)君等[2]基于能源集線器理論，構(gòu)建多能流優(yōu)化調(diào)整模型，提高了區(qū)域的能量利用效率，進(jìn)行并仿真驗(yàn)證模型性能。因此，學(xué)者們多進(jìn)行仿真模擬研究AA-CAES，實(shí)現(xiàn)聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)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(shí)現(xiàn)恒溫，需增加接觸面積系數(shù)和空氣接觸時(shí)間，如液體活塞、金屬絲網(wǎng)、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(tǒng)的運(yùn)行性能；水泡沫作用時(shí)間長，但里面的化學(xué)成分可能會影響儲庫的運(yùn)行壽命；金屬絲網(wǎng)用于增加液體活塞的高速率傳熱，可以提高系統(tǒng)效率。VIKRAM C P 等[3] 使用鋁和銅金屬網(wǎng)進(jìn)行等溫壓縮試驗(yàn)，得出金屬絲網(wǎng)可提高6%～8% 系統(tǒng)效率，但未考慮金屬網(wǎng)在連續(xù)運(yùn)行工況下的性能，因此對于金屬絲網(wǎng)，目前的研究并不充分，金屬絲的選擇、最佳網(wǎng)眼等問題仍待進(jìn)一步研究。李瑞雄等[4] 建立詳細(xì)的熱力學(xué)模型，研究淋噴量、物理尺寸、水泵運(yùn)行工況等參數(shù)對壓氣儲能的運(yùn)行效率的影響，形成液體活塞壓氣儲能熱力評價(jià)體系。雖然，學(xué)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(jià)體系的研究卻較為欠缺。

2地下壓氣儲能工程關(guān)鍵問題研究進(jìn)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(zhì)含量高、夾層多等特點(diǎn)。國外與國內(nèi)的鹽巖地層類型有所差異，楊春和等[5] 進(jìn)行了多年國內(nèi)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(rèn)為純度不高的鹽巖地層建設(shè)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(wěn)定性和密閉性。硬巖壓氣儲能在國內(nèi)尚未有示范性項(xiàng)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(chǎn)邊研階段。用于地下儲能庫礦洞應(yīng)保證圍巖的自承能力大、巷道和豎井穩(wěn)定性高、巷道密封性好。廢棄煤礦地質(zhì)賦存、采掘條件具有復(fù)雜性，趙同彬等[7]梳理了前人文獻(xiàn)，總結(jié)了廢棄壓氣儲能選址評估方法。國內(nèi)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(yīng)用，仍需進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。

含水層需蓋層不透水，并建立在密封性好的地區(qū)。國外已在含水層儲能庫多方面建立了評估標(biāo)準(zhǔn)，但國內(nèi)發(fā)展較晚，目前只集中在運(yùn)行參數(shù)優(yōu)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(gòu)建地下含水層模型，對含水層壓縮空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)起決定性作用；葉磊[9] 表明系統(tǒng)的循環(huán)會影響含水層及上下巖層，背斜構(gòu)造氣體飽和度和可持續(xù)周期數(shù)最高。但在無背斜構(gòu)造的含水層仍有建庫需求，DONGMEIS等[10] 采用數(shù)值模擬方法，表明在近海地區(qū)沒有合適的背斜構(gòu)造含水層的情況下，水平含水層是CAES存儲介質(zhì)的潛在選擇。

建庫地層適宜性集中在水文地質(zhì)、密封性、地質(zhì)構(gòu)造等評價(jià)放面，因此需建立綜合評價(jià)體系，使得建庫多因素指標(biāo)越來越受關(guān)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(jìn)行密封，也可通過豎井與洞室連接封閉，特定條件下采用復(fù)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(jià)高，在濕空氣作用下容易腐蝕。夏才初等[11] 通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬得出，玻璃鋼和橡膠板密封性好、施工難度小、造價(jià)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(yùn)行性能。國內(nèi)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(zhì)（API 法）或液體為介質(zhì)（Geostock 法）2種。其中，API 法簡單、成本低；Geostock法準(zhǔn)確科學(xué)，但測試時(shí)間長、成本高。國內(nèi)學(xué)者多將國外密封監(jiān)測方法進(jìn)行結(jié)合或改進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測，成功應(yīng)用到江蘇金壇的鹽巖井洞中。另外，通過氣體的溫度評價(jià)儲能庫密閉性也是當(dāng)今判別儲庫氣密性的方式，如自然高靈敏測井技術(shù)。為將儲庫應(yīng)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(nèi)首座硬巖試驗(yàn)庫，得出各結(jié)構(gòu)層位移、溫度、應(yīng)力的變化規(guī)律，并使用光纖驗(yàn)證硬巖試驗(yàn)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(wěn)定性研究

由于儲能庫受熱力耦合作用明顯，易發(fā)生變形，因而保障儲能庫的穩(wěn)定性至關(guān)重要。夏才初等[15] 使用Abaqus 分析了壓氣儲能硬巖洞室穩(wěn)定性和洞周應(yīng)變規(guī)律，認(rèn)為埋深300m 的圓形洞室和大罐洞室穩(wěn)定性較好，馬蹄型洞室應(yīng)變最大。劉瀾婷[16] 結(jié)合平江硬巖壓氣試驗(yàn)庫地質(zhì)條件，建立數(shù)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(wěn)破壞。駱帥伶等[17] 總結(jié)出圍巖穩(wěn)定性與巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、洞室跨度等有關(guān)。因此，圍巖穩(wěn)定性受應(yīng)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(yīng)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(nèi)外學(xué)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(gòu)模型，分析溫壓作用下鹽巖的穩(wěn)定性，表明應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性有重要影響，循環(huán)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(yīng)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。RAHIMH 等[20] 研究鹽巖地層的熱- 水- 力- 化學(xué)耦合過程，確認(rèn)影響儲能庫運(yùn)行過程的關(guān)鍵參數(shù)。綜上，學(xué)者們對硬巖溫壓規(guī)律的研究集中在花崗巖，研究不充分。因此，研究熱- 水-力-化學(xué)的共同耦合作用，更符合實(shí)際的工況，是儲能庫密閉性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題的發(fā)展方向。

3地下壓氣儲能工程發(fā)展方向

3.1新能源發(fā)展配套地下儲能潛在發(fā)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(fēng)能資源豐富，由于風(fēng)能和太陽能發(fā)電的波動性和不確定性，需結(jié)合儲能技術(shù)，平衡能源供需關(guān)系，采用大容量、中長時(shí)間尺度的壓氣儲能解決新能源發(fā)電不足和消納問題，使壓氣儲能可作為新能源的配套設(shè)施，來優(yōu)化電力系統(tǒng)的布局，緩解地區(qū)和時(shí)段性的供求矛盾。集中式電站與壓氣儲能結(jié)合，可解決可再生能源不穩(wěn)定性，回收地下采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用。我國江蘇金壇、湖北應(yīng)城壓氣儲能電站示范性項(xiàng)目均為集中式電站，為區(qū)域產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了支撐，同時(shí)分布式電站與壓氣儲能結(jié)合，可最大化利用能源，減小新能源接入電力系統(tǒng)所造成的影響。清華大學(xué)進(jìn)行100kW 光熱復(fù)合絕熱壓氣儲能冷電熱三聯(lián)供實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了分布式電站的研究。

3.1.2聯(lián)合循環(huán)電站

聯(lián)合循環(huán)電站將多種熱力學(xué)循環(huán)結(jié)合，提升熱效率。壓氣儲能可與多種發(fā)電方式結(jié)合，如燃?xì)? 蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站。法國阿爾斯通公司計(jì)劃開發(fā)442MW發(fā)電機(jī)，來滿足燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的運(yùn)行要求。壓氣儲能也可與其他能源系統(tǒng)進(jìn)行集成，提高壓氣儲能庫的性能，如與生物質(zhì)氣化系統(tǒng)結(jié)合。西班牙計(jì)劃在Basque-Cantabrian 開展沼氣與壓氣儲能的聯(lián)合循環(huán)電站項(xiàng)目，理論效能可達(dá)80%。聯(lián)合循環(huán)電站提高了能源的利用率，降低了環(huán)境污染，是壓氣儲能發(fā)展的潛在方向。

3.2數(shù)字化與智能化

數(shù)字化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)智能化儲能庫的基礎(chǔ)。數(shù)字化儲能庫有利于對儲能庫自我調(diào)節(jié)和監(jiān)控，降本增效。預(yù)計(jì)智能化儲能庫可優(yōu)化運(yùn)行方案，識別儲能庫潛在風(fēng)險(xiǎn)，了解地下儲能庫的運(yùn)行狀態(tài)，評估儲能庫的密封性能，及時(shí)預(yù)警，提高儲能庫可靠性。目前，國內(nèi)外尚未有建成的智能化儲能庫。

4結(jié)論

梳理國內(nèi)外地下壓氣儲能研究進(jìn)展，以及壓氣儲能候選場址要求、密閉工程、密閉性研究、穩(wěn)定性和溫度- 應(yīng)力- 變形等問題，并討論不同地層建庫適宜性、潛在發(fā)展方向和監(jiān)測技術(shù)等，得出以下4項(xiàng)結(jié)論。

①地下壓氣儲能效率高、選址靈活、環(huán)境友好，是儲能技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

②國內(nèi)的地下壓氣儲能發(fā)展比國外起步晚，多處于技術(shù)研究和示范工程階段，不同巖層的選址、密封性、穩(wěn)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(yīng)，對工程穩(wěn)定性和功能轉(zhuǎn)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(wěn)定性研究、應(yīng)力- 溫度- 變形等關(guān)鍵問題方面，國內(nèi)外取得了豐富的研究成果，為壓縮空氣儲能工程建設(shè)提供了重要理論支撐。

④應(yīng)對儲能不同需求、不同地域地質(zhì)條件的差異，集中式、分布式、聯(lián)合循環(huán)等電站的持續(xù)發(fā)展為新能源提供了關(guān)鍵儲能支撐；同時(shí)，密閉檢測方法技術(shù)、智能監(jiān)測是重要的發(fā)展方向。

作者簡介

宋宇（2002—），男，漢族，黑龍江大慶人，大學(xué)本科在讀，研究方向?yàn)閮δ芗夹g(shù)。

通信作者

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

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-21