地下儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

張媛媛，葉燦滔，龔宇烈*，馬玖辰，黃永輝，趙軍，龐忠和

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州510640；2.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津300384；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029；4.天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津300350）

0 引言

全球變暖引發(fā)了從基于化石燃料的能源系統(tǒng)向可持續(xù)能源系統(tǒng)的全球性轉(zhuǎn)變，為可再生能源帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)［1-2］。為了實現(xiàn)二氧化碳排放于2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和這一目標(biāo)，需要增加可再生能源在供暖和制冷領(lǐng)域的比例，并解決熱能需求和季節(jié)性供應(yīng)之間不匹配的問題［3］。熱能儲存（TES）因其可以有效解決這種季節(jié)性不匹配問題而引起越來越多的關(guān)注［4］。我國儲能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局始于2005年發(fā)布的《可再生能源發(fā)展指導(dǎo)目錄》，在2011 年儲能被寫入“十二五”規(guī)劃綱要，并在2017 年發(fā)布首個指導(dǎo)性政策《關(guān)于促進儲能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出未來10 年內(nèi)分2 個階段推進相關(guān)工作：第1 階段實現(xiàn)儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡；第2 階段實現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。

在儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵時期，地下儲能因其高儲存效率和高儲存容量［5-6］等優(yōu)點，是長期熱能存儲的首選。

地下儲能分為含水層儲能（ATES）和鉆孔式儲能（BTES）。其中地下ATES 的存儲容量最高，成本較低，當(dāng)冷熱平衡系統(tǒng)所需冷量和熱量均為1 000 MW·h 時，假定發(fā)電效率為35%，且由礦物燃料發(fā)電，ATES 系統(tǒng)與常規(guī)儲能系統(tǒng)相比可節(jié)能4 700 GJ［7］，因此最適合大規(guī)模應(yīng)用。地下ATES應(yīng)用起源于我國1965 年上海地下水人工回灌工程，利用“冬灌夏用”為主、“夏灌冬用”為輔的季節(jié)性儲能為紡織廠調(diào)溫和調(diào)濕［3，8］。隨后的幾年里，地下ATES 系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)量逐漸增加。然而由于含水層流體污染、井配置不當(dāng)、管道腐蝕堵塞等問題，導(dǎo)致ATES系統(tǒng)不可持續(xù)利用而停止運行。

從20 世紀80 年代開始，荷蘭和瑞典經(jīng)過工程可行性論證，并分析了水文地質(zhì)和熱力學(xué)參數(shù)對存儲效率的影響進而對系統(tǒng)進行優(yōu)化，使得地下ATES 技術(shù)得到了工程應(yīng)用［9-10］。地下ATES 根據(jù)地下深度不同，分為淺層（<500 m）和中深層（≥500 m）含水層。目前的應(yīng)用主要集中于淺層ATES，全球有2 800 多個該系統(tǒng)在運行，以荷蘭的應(yīng)用最為廣泛［3，11］。

2018 年中國科學(xué)院開展戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A 類）課題“基于消納風(fēng)電的儲能式地?zé)峁┡P(guān)鍵技術(shù)研究與示范”，分析了復(fù)雜地質(zhì)與水力條件下儲能式地?zé)嵯到y(tǒng)的關(guān)鍵物理/化學(xué)過程機理，明確了影響儲能式地?zé)峁┡到y(tǒng)性能的關(guān)鍵因素；研究基于不同灌注水體和精細灌注工藝的灌注技術(shù)方案，開發(fā)了適用于中深層儲能式地?zé)嵯到y(tǒng)的儲層改造技術(shù)，提高增產(chǎn)效率，突破砂巖低回灌的技術(shù)瓶頸，建立儲能式地?zé)嵯到y(tǒng)的綜合評價體系；研究基于“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同優(yōu)化的新一代電熱耦合技術(shù)，突破將不穩(wěn)定的風(fēng)電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的地?zé)彷敵龅年P(guān)鍵技術(shù)；打造基于100%可再生能源的儲/供能“地?zé)?”多能互補供暖系統(tǒng)，為實現(xiàn)中國北方清潔供暖提供有力技術(shù)保障。

本文主要綜述了地下儲能方式及其原理，分析了地下ATES 系統(tǒng)的理論、試驗研究、應(yīng)用情況及其關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸問題，對比了地下ATES 系統(tǒng)熱工性能和經(jīng)濟環(huán)保效益評價標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上展望了地下ATES的未來，為后續(xù)的應(yīng)用研究提供參考。

1 地下儲能方式及其工作原理

1.1 ATES

地下巖層中有透水層和隔水層之分，透水層中充滿可自由流動的重力水，稱為含水層。ATES 將地下水作為外部熱/冷源和含水層之間的傳熱介質(zhì)。地下水具有恒定的溫度，與當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞囟扔嘘P(guān)。在冬季，低品位的冷量儲存在含水層的冷側(cè)，同時將熱量從暖側(cè)抽走，夏季則相反，進而通過熱交換器將熱量或冷量從地下水回路傳遞給用戶。工作原理如圖1所示。

圖1 ATES工作原理示意［12］Fig.1 ATES working principle［12］

根據(jù)距離地表深度不同，處于近地表含水層為潛水含水層，處于地下深處含水層為承壓含水層。承壓含水層的水溫幾乎不受外界因素的影響，是一個恒溫帶。只有處于一定深度的承壓含水層才能被用于儲能，因此承壓含水層又分為淺層承壓含水層和深層承壓含水層。含水層特點和區(qū)別見表1［13-14］。有研究發(fā)現(xiàn)，ATES 系統(tǒng)能效高于地下水源熱泵，供冷性能系數(shù)（COP）比地下水源熱泵提高了2.00～4.00 倍，供熱COP 提高了1.25 倍左右［15］?？梢钥闯觯顚映袎汉畬泳哂懈叩膬釡囟群洼^低的成本，未來發(fā)展?jié)摿^大。根據(jù)儲能方式不同，ATES 有單井、對井和多井3種儲能系統(tǒng)，各自的儲能特點見表2［16］。當(dāng)井相對位置適中時，對井內(nèi)冷、熱流體可在同層或異層含水層中被隔開，從而減少自然對流引起的熱損失，也節(jié)省了成本，是近年來研究的熱點。

表1 潛水含水層和承壓含水層特點及區(qū)別Tab.1 Characteristics and differences between unconfined aquifer and confined aquifer

表2 不同儲能方式的特點Tab.2 Characteristics of different thermal energy storage methods

1.2 鉆孔式儲能

當(dāng)沒有合適的含水層時，BTES不受地質(zhì)條件限制，可以作為使用巖層進行能量儲存的替代系統(tǒng)。在BTES 系統(tǒng)中，鉆孔在地下充當(dāng)換熱器。地埋管有單U 管、雙U 管和套管。最常見的是由聚乙烯塑料（PE）管制成的單個U 型管。通過鉆孔使流體在封閉回路中循環(huán)，從而為地下輸送或提取熱量或冷量。流體通常添加防凍劑，以保持系統(tǒng)在冰點以下運行［16］。與ATES 系統(tǒng)一樣，室內(nèi)與鉆孔的冷熱交換是通過系統(tǒng)中的熱交換器完成的。BTES 地埋管換熱器井群耦合的儲能系統(tǒng)示意如圖2所示［17］。由于巖層的儲熱能力低于水，因此一定量的熱量需要更大的儲熱容積。

圖2 BTES地埋管換熱器井群耦合的儲能系統(tǒng)示意Fig.2 Energy storage system coupled with well clusters of BTES heat exchangers

1.3 跨季節(jié)地下儲能系統(tǒng)特點

跨季節(jié)地下儲能系統(tǒng)能有效解決可再生能源供熱系統(tǒng)在時間、空間、強度等方面的間歇性和不穩(wěn)定性，可將夏季低品位熱量轉(zhuǎn)移到冬季，冬季低品位冷量轉(zhuǎn)移到夏季，提高可再生能源利用效率。研究顯示，短期儲能系統(tǒng)能量利用率只有10%～20%，而跨季節(jié)地下儲能系統(tǒng)可達50%～100%［18-19］。ATES和BTES優(yōu)缺點對比見表3。

表3 ATES和BTES優(yōu)缺點對比Tab.3 Advantages and disadvantages of ATES and BTES

隨著跨季節(jié)地下儲能技術(shù)研究的不斷完善，綜合利用多種跨季節(jié)儲能系統(tǒng)提高儲能效率成為近年來的發(fā)展趨勢。文獻［20］闡述了4種跨季節(jié)地下儲熱系統(tǒng)（熱水儲熱、礫石-水儲熱、鉆孔式儲熱和含水層儲熱）及其工作原理，如圖3所示。分析了全球跨季節(jié)儲能的最新技術(shù)，并預(yù)測了該技術(shù)的發(fā)展趨勢，結(jié)果證明跨季節(jié)地下儲能系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

圖3 4種跨季節(jié)地下儲能系統(tǒng)及其工作原理Fig.3 Working principles of four seasonal underground thermal energy storage systems

2 地下含水層儲能理論研究

2.1 數(shù)值模擬研究

國內(nèi)外針對ATES 系統(tǒng)換熱的數(shù)值模擬進行了廣泛而深入的研究，具體見表4。

表4 國內(nèi)外ATES系統(tǒng)數(shù)值模擬研究Tab.4 Numerical simulation studies on ATES systems at home and abroad

針對ATES 溫度場數(shù)值模擬研究的模型多樣性，計算方法也有所不同。從這些研究中可以歸納出以下幾點。

（1）ATES 換熱模型采用局部熱平衡模型，忽略水-巖熱交換，換熱方式多采用導(dǎo)熱、自然對流、熱彌散等。

（2）對于深層ATES需考慮溫度梯度的影響。

（3）通常將隔水層物性參數(shù)看作常數(shù)。

（4）含水層的結(jié)構(gòu)性質(zhì)大多數(shù)假設(shè)為各向均值、同性，一定限度上降低了模型精確度。

2.2 試驗研究

國際上對于地下含水層試驗研究可以追溯到1973 年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的高溫地下巖體資源開采試驗，使用水壓致裂法向地下3 000～5 000 m 基巖中注水，獲得了200～325 ℃的超高溫?zé)崴?1］。

隨后的幾十年里，國內(nèi)外開始對ATES 系統(tǒng)開展大量相關(guān)試驗研究，表5 列舉了國內(nèi)外比較典型的ATES系統(tǒng)試驗研究。

表5 國內(nèi)外ATES系統(tǒng)試驗研究Tab.5 Test researches on ATES systems at home and abroad

ATES 試驗研究不斷完善，既在實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上解決問題又探索在各種因素下可能出現(xiàn)的問題，根據(jù)現(xiàn)有研究可以得到以下幾點結(jié)論。

（1）保證試驗中含水層良好的滲透性，較大的含水層厚度可以儲存更多能量。

（2）含水層上下的隔水層滲透性要足夠低且具有較好的保溫性以減少能量損失。

（3）大部分研究集中于室內(nèi)含水層砂箱試驗系統(tǒng)，逐漸從單井試驗擴大到井群。

（4）承壓ATES 與太陽能、風(fēng)能等其他可再生能源形成的多能互補耦合試驗研究較少。

3 地下ATES關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

3.1 儲能式綜合能源技術(shù)應(yīng)用

目前全球ATES 共有超過2.5 TW·h 的能量用于供暖和制冷。然而，其中99%地下儲能系統(tǒng)的含水層溫度低于25 ℃，即近地表ATES 系統(tǒng)［3］。根據(jù)不同TES 稟賦，應(yīng)用于多種冷、熱、電綜合能源供應(yīng)場景的情況見表6［3，43-53］。由表6 可知，與其他地下儲能相比，深層承壓ATES 的工程應(yīng)用很少，多為試驗示范項目研究，該技術(shù)理論研究仍存在不足，需要進一步深入研究并攻克其瓶頸問題［54］。

表6 儲能式綜合能源技術(shù)應(yīng)用實例Tab.6 Applications of comprehensive energy system integrated energy storage

3.2 關(guān)鍵技術(shù)及瓶頸

通過上述文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國地下ATES 作為一種新的可再生能源開發(fā)技術(shù)，和國外先進水平相比仍存在差距，需要將理論研究和實踐相結(jié)合。

目前地下儲能關(guān)鍵技術(shù)及瓶頸主要有以下幾方面。

（1）提高ATES 熱利用效率：通過ATES 強化技術(shù)如壓裂、選址等。

（2）地?zé)?多能耦合技術(shù)：由于淺層含水層受地面影響較大，如何更好地解決淺層冷熱平衡問題仍需研究；中深層含水層熱量利用為遞減趨勢，如何對中深層含水層跨季節(jié)補熱等問題，將成為“地?zé)?”多能耦合技術(shù)研究的重點。

（3）地?zé)崮芏嘣咝Ю眉夹g(shù)：目前地?zé)崮芏嘤糜诠┡涂照{(diào)，而在中低溫發(fā)電、制冷、能量梯級利用等方面應(yīng)用較少，需要進一步提高地?zé)崮芏嘣眉夹g(shù)。

（4）回灌技術(shù)：目前仍然存在由于井堵塞導(dǎo)致地下水不能有效回灌，能效降低，嚴重時引起地面沉降的問題，亟須在保證足量水源和良好水質(zhì)條件下完善回灌技術(shù)。

（5）其他防護措施：提升井下防腐、防垢和除垢技術(shù)避免管道堵塞。

4 地下ATES性能評價

4.1 熱工性能評價

熱工性能主要有以下3種分析方法。

4.1.1 瑞利數(shù)（Rayleigh Number）分析法［54］

瑞利數(shù)是一種無量綱數(shù)，根據(jù)臨界值衡量熱量傳遞形式是熱傳導(dǎo)為主還是對流傳熱為主，方程式為

式中：α，ρ，g，h，caq，kaq，ΔT，μ和λaq分別為水的熱膨脹系數(shù)、密度、重力加速度、含水層厚度、含水層體積熱容、含水層滲透系數(shù)、注入水和環(huán)境的溫差、水動力學(xué)黏度和含水層導(dǎo)熱系數(shù)。

文獻［55-56］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ra 的臨界值Rac≥4π2時，如果Ra

4.1.2 熱干擾分析法［57］

通常將含水層中的儲水量近似為圓柱體，高度等于含水層厚度，其熱干擾半徑則隨著注入含水層的水量增加而增大。假設(shè)地下水和含水層沉積物之間存在瞬時熱平衡，則熱干擾半徑為

式中：cw為水的體積熱容；Rh為水力半徑；n 為孔隙率。從式（2）可知，當(dāng)cw，caq和n 為定值時，熱干擾半徑與水力半徑呈線性關(guān)系，這是由于熱傳遞發(fā)生在所有方向，而水僅從井中徑向流動造成。

4.1.3 熱回收效率分析法［58］

熱回收效率ηth是指從含水層中提取的能量與注入的能量的比值，所使用的參考溫度為含水層未受干擾時的溫度，方程為

式中：qVext和qVinj分別為提取和注入的水的體積流量；T0為含水層的初始溫度；Text和Tinj分別為提取和注入的水溫度；textststart和textend分別為提取水的開始和結(jié)束時間；tinjstart和tinjend分別為注入水的開始和結(jié)束時間。

熱回收效率和熱干擾半徑與地下水流速之間的關(guān)系如圖4 所示。當(dāng)TES 半徑和流速比值較?。≧th/u<2）時，熱損失較大，熱回收效率低；當(dāng)TES 半徑和流速比值較大（Rth/u>4）時，熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)，熱回收效率基本穩(wěn)定；當(dāng)TES 半徑和流速比值滿足2

圖4 熱回收效率和熱干擾半徑與地下水流速之間的關(guān)系［59］Fig.4 Relationship between heat recovery efficiency and heat disturbance radius or groundwater velocity［59］

4.2 經(jīng)濟環(huán)保效益評價

在對ATES 系統(tǒng)進行經(jīng)濟性評價時，以獲取高熱量為目標(biāo)，熱回收效率和熱量為首要因素，投資成本、維修費用等為次要因素［60］。在環(huán)保效益方面，將二氧化碳排放作為最低評估標(biāo)準(zhǔn)。具體評價指標(biāo)和費用計算見表7。

表7 ATES經(jīng)濟環(huán)保效益費用計算Tab.7 Economic costs and environmental protection benefits of the ATES system

然而，在實際工程中需要同時考慮熱工性能和經(jīng)濟環(huán)保效益。文獻［61］提出了一種根據(jù)指標(biāo)權(quán)重不同，基于理想點多指標(biāo)決策原理的逼近理想點（TOPSIS）法，計算公式為

式中：Ci為第i 個方案最接近最優(yōu)解的程度；n 為評價指標(biāo)數(shù)量；xij為標(biāo)準(zhǔn)化后的評價指標(biāo)；為極大值；為極小值；wj為權(quán)重。

文獻［29］利用該綜合效益評價方法對ATES 系統(tǒng)進行評價，分別獲得了以能量獲取和環(huán)境效益為標(biāo)準(zhǔn)時的最佳設(shè)計方案，并假定當(dāng)獲取熱量3.5 MJ時，ATES 系統(tǒng)用電量比傳統(tǒng)空調(diào)減少了50%，二氧化碳排放減少50%，總費用節(jié)省原系統(tǒng)的1/3。由此可見，ATES系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

5 結(jié)論和展望

本文通過分析地下ATES 系統(tǒng)的理論和工程研究進展，以及在實際工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸，根據(jù)地下ATES 系統(tǒng)熱工性能和經(jīng)濟環(huán)保效益評價標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)地下ATES 的理論和工程研究逐漸由淺層向深層發(fā)展，挖掘深層含水層更多的應(yīng)用潛力，如發(fā)電、制冷等。主要結(jié)論如下。

（1）地下ATES 具有技術(shù)優(yōu)勢，環(huán)保效益較為顯著，逐漸從淺層向深層研究發(fā)展。

（2）在理論研究方面，仍需完善數(shù)值模型，如考慮地面環(huán)境、復(fù)雜的含水層結(jié)構(gòu)等因素；改進試驗方法，如與太陽能、風(fēng)能等其他可再生能源形成多能互補耦合。

（3）由于投資成本高，經(jīng)濟效益不突出，需要突破和攻克技術(shù)瓶頸以增加實際工程數(shù)量。

（4）未來研究將集中在地下高溫含水層TES 強化方面，如提高中深層含水層回灌技術(shù)、對中深層含水層進行跨季節(jié)補熱的多能耦合儲能，以及用于中低溫發(fā)電、能量梯級利用等多元化高效利用。

為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)，電能作為重要的低碳行動載體，而新型電力系統(tǒng)主要使用的是新能源，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵。通過構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，與利用可再生能源的地下ATES 技術(shù)相結(jié)合，可以真正實現(xiàn)節(jié)能減排，同時是電儲能與其他儲能方式相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)之一，這將成為未來儲能產(chǎn)業(yè)的研究熱點和發(fā)展趨勢。