地下儲能工程

肖立業(yè)， 張京業(yè)， 聶子攀， 王志峰， 王 粟， 唐文冰， 閆存極， 李 鑫， 夏孝天， 邱清泉， 郭文勇

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院大學， 北京 100049)

1 引言

自從習近平總書記于2020年9月在聯(lián)合國大會上提出我國2060年碳中和目標以來，我國科技界和能源產(chǎn)業(yè)界對于如何實現(xiàn)碳中和目標進行了廣泛的研究和討論[1-3]，技術(shù)層面研討的重點集中于碳中和約束下的一次能源和終端能源結(jié)構(gòu)、儲能技術(shù)發(fā)展方向以及未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行模式三個密切相關(guān)的方面。

盡管未來一次能源和儲能方式是多種多樣的，然而本文作者認為光伏發(fā)電及其相適應的儲能技術(shù)又應成為發(fā)展的重中之重。第一，經(jīng)過多年的發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)較風力發(fā)電顯示出越來越明顯的價格優(yōu)勢，預計未來光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價將廣泛低于0.1元/(kW·h)，甚至可以達到0.06元/(kW·h)以下(即低于1美分/(kW·h))；第二，光伏發(fā)電出力的波動性和間歇性較風力發(fā)電大大降低；第三，正常情況下，光伏發(fā)電與負荷的日內(nèi)功率變化曲線呈現(xiàn)一定的相似性。雖然光伏發(fā)電在夜間無法提供電力，但因其上述三方面的特點，將使得光伏發(fā)電成為未來最主要的能源。

與光伏發(fā)電相適應的儲能技術(shù)，應能夠用于調(diào)峰和大規(guī)模地將白天的電能轉(zhuǎn)移至夜間，或者能夠?qū)㈥柟獬湓r段的電能轉(zhuǎn)移至無陽光的時段(例如，陰雨天氣時段)。隨著光伏發(fā)電成本日益下降，采用光伏發(fā)電制氫加CO2制備清潔碳氫燃料的儲能方案(即超長時儲能方案)，在經(jīng)濟性方面將越來越具有競爭力。根據(jù)本文作者粗略估計，以目前中試規(guī)模的電制燃料系統(tǒng)為例，假設光伏發(fā)電成本為0.1元/(kW·h)，則利用光伏發(fā)電制備天然氣(甲烷)的全部成本也大概只有4.25元/m3，這與當前我國部分地區(qū)城市居民用氣的價格基本持平，可見其未來發(fā)展?jié)摿?，因而對于超長時間的電能轉(zhuǎn)移是較為可靠的解決方案。而對于調(diào)峰或電能的晝夜轉(zhuǎn)移，則適宜采用其他儲能方案?；瘜W電池已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，然而化學電池若要用于電網(wǎng)級規(guī)模的儲能，在安全性、環(huán)保性等方面還需要做大量的工作。目前，適合用于調(diào)峰或電能晝夜轉(zhuǎn)移的電網(wǎng)級規(guī)?；瘍δ苤饕ǔ樗畠δ?、壓縮空氣儲能和一些新型重力儲能等物理儲能。

然而，常規(guī)抽水儲能、基于廢棄或天然洞穴的壓縮空氣儲能和重力儲能等物理儲能的一個相同的問題是選址靈活性不足。為克服這一不足，本文提出并系統(tǒng)地闡述了地下儲能工程的概念和內(nèi)涵。地下儲能工程主要包括根據(jù)需求依托人造地下空間建設地下抽水儲能、地下壓縮空氣儲能、地下重力儲能、地下儲熱以及地下綜合儲能等系統(tǒng)工程。這些地下儲能工程不僅適合晝夜電能轉(zhuǎn)移，且可用于負荷調(diào)峰，甚至部分可滿足電網(wǎng)的調(diào)頻需求，因而將具有廣闊的應用前景。

2 地下儲能工程的發(fā)展方向與現(xiàn)狀

雖然本文正式提出了地下儲能工程的概念，但是其發(fā)展已有半個多世紀的歷史。地下儲能工程的發(fā)展，一方面得益于地下空間建造技術(shù)的進步，另一方面受日益增長的儲能需求的驅(qū)動，特別適合建設大規(guī)模物理儲能系統(tǒng)。由于物理儲能具有安全、環(huán)保等優(yōu)點，地下儲能系統(tǒng)就成為一個重要的發(fā)展方向，本部分重點介紹各種地下儲能工程的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 地下抽水儲能工程

抽水儲能具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、平移功率、事故備用和黑啟動等多種功能，是建設以新能源為主的新型電力系統(tǒng)最為理想的儲能方式之一。然而，常規(guī)抽水儲能以山體落差為基礎，對于建設選址的要求嚴格，且也有一定環(huán)保方面的考慮，因此適合建設常規(guī)抽水儲能的選址也是有限的。國家能源局于2021年發(fā)布的《抽水儲能中長期發(fā)展規(guī)劃》中指出，我國中長期抽水儲能儲備項目的總?cè)萘考s為3.05億kW，加上已建、在建和擬建項目，共計儲能容量為4.2億kW，難以滿足我國能源的長遠發(fā)展需求。

地下抽水儲能，以地下水庫為下庫、地面水庫為上庫，下庫埋深約100～1 500 m，且發(fā)電廠房也位于地下；發(fā)電廠房和下庫可以利用已有的廢棄地下空間(如礦井、油井、礦坑等)建設[4]，也可以是專門為建設地下抽水儲能而挖掘和建造的地下空間。因此，地下抽水儲能的建設選址，比常規(guī)抽水儲能的靈活性大大增加。地下抽水儲能系統(tǒng)與常規(guī)抽水系統(tǒng)的效率并無本質(zhì)區(qū)別，一般為70%～80%，但因下庫建在地下，可以降低水庫蒸發(fā)量的影響。作為對常規(guī)抽水儲能的發(fā)展，地下抽水儲能可以大大增加可建抽水儲能電站的總?cè)萘浚蚨鴮τ趯崿F(xiàn)碳中和目標具有重大的意義。

目前，常規(guī)抽水儲能電站的發(fā)電廠房一般位于地下，而下庫仍然位于地面。日本在常規(guī)抽水儲能電站的地下廠房工程建設方面較早[5]，其代表性的工程包括1965 年竣工的Shiroyama 電站和1998年在沖繩建成的基于海水抽水蓄能的電站。由于土地資源和適宜建設常規(guī)抽水儲能電站的選址有限，日本從1997年到2002年，對將下庫和發(fā)電廠房均建于地下空間的抽水儲能工程進行了研究，證明了在高水頭(800 m以上)的情況下，其經(jīng)濟性可與常規(guī)抽水儲能相比[6]。

由于土地少、無高山等原因，新加坡不能修建常規(guī)抽水蓄能電站，于是在1996年也提出修建地下抽水蓄能電站的設想。該設想利用廢棄的采石場作為上庫，在花崗巖地層中人工挖掘下庫和廠房，建造地下抽水蓄能電站。由于水頭不受地形限制，下庫可直接布置在上庫下面，使上下庫水平距離最小。經(jīng)核算，其投資與相同規(guī)模的燃油電廠相同，用于電網(wǎng)調(diào)峰很有競爭力[7]。

2004年，為了解決莫斯科市的供電問題, 俄羅斯計劃在莫斯科市修建地下抽水蓄能電站，并提出了如下設計方案：上庫建在地面，下庫為建在地下約800～1 300 m深的隧洞，隧洞長度為16 km、直徑為12.5 m。地下廠房在地下1 300 m處，尺寸約為20 m×60 m,高度約為30～40 m，廠房內(nèi)安裝4臺可逆式水輪機組, 水輪機出力各為250 MW，總功率為1 000 MW，投資預算為700 $/kW[8]，與常規(guī)抽水儲能電站建設成本基本相當。

2.2 地下壓縮空氣儲能工程

壓縮空氣儲能是一種十分環(huán)保的物理儲能，其中儲氣室是壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。現(xiàn)有的儲氣方式主要有廢棄或天然地下洞穴儲氣、地面金屬或復合材料高壓儲罐儲氣、地下人造空間儲氣等三種方式。適合壓縮空氣儲能的廢棄或天然地下洞穴資源有限且其選址不一定符合實際需求，而地面高壓儲氣罐造價高且需要占用地面，因而人們把目光投向人造地下儲氣室。一方面可以擺脫對洞穴資源的限制；另一方面可以大大減少對地面的占用，從而使得地下壓縮空氣儲能成為一種重要的工程方案。

雖然人造地下儲氣室建造成本較高，但比地面高壓儲罐成本低，而相比于廢棄或天然地下洞穴儲氣室而言，其對地質(zhì)結(jié)構(gòu)依賴性弱，并可方便選址，可部分省去電能傳輸線路的基建成本和運行過程中的損耗，因而成為規(guī)?；瘔嚎s空氣儲能的理想儲氣方式之一。采用人造地下儲氣室方案，并不影響系統(tǒng)的總效率，如果在放電時保留儲氣室內(nèi)的基礎氣壓(例如3～4 MPa)，則系統(tǒng)效率可達60%以上。國內(nèi)已有研究機構(gòu)對地下人工儲氣室技術(shù)進行了研究，如表1所示。長沙理工大學在湖南平江對埋深110 m的人工建造洞室進行了壓縮空氣儲氣實驗研究，證明其滿足壓縮空氣儲能裝置的需求[9]。中國科學院工程熱物理研究所正在張家口建設的100 MW/400 MW·h壓縮空氣儲能系統(tǒng)，采用人工地下洞室與地面儲罐相結(jié)合的方式進行儲能。

表1 國內(nèi)地下壓縮氣體儲存案例Tab.1 Underground compressed gas storage cases in China

2.3 地下重力儲能工程

重力儲能也是一種十分環(huán)保的物理儲能，與抽水儲能和壓縮空氣儲能相比，它還具有效率高的優(yōu)勢。近年來，隨著對儲能技術(shù)需求的日益增長，依托山體落差的重力儲能、基于廢棄礦井的重力儲能、基于預制重物塊的儲能塔儲能、基于重物和液壓系統(tǒng)的重力儲能等一系列重力儲能技術(shù)也得到了廣泛的研究和發(fā)展[10-14]。

圖1 Gravitricity公司廢棄礦井儲能Fig.1 Gravitricity’s gravitation energy storage based on drilling well

Energy Vault[12]公司提出了一種利用起重機將混凝土塊堆疊成塔的結(jié)構(gòu)(以下稱為儲能塔)，利用混凝土塊的吊起和吊落進行儲能和發(fā)電。這一技術(shù)方案獲得了日本軟銀集團愿景基金1.1億$投資，并于2019年開始在印度部署一臺35 MW·h儲能系統(tǒng)的建設，如圖2所示。這個儲能系統(tǒng)包含了一臺超大型六臂式起重機，以及數(shù)量眾多的混凝土地，每塊重達35 t。儲能塔的容量可達35 MW·h、峰值功率可達4 MW，起重機在2.9 s的時間里就能發(fā)電并且往返一次的能源效率據(jù)稱能夠達到90%。

圖2 Energy Vault 35 MW·h儲能塔Fig.2 Energy Vault 35 MW·h energy storage tower

然而，廢棄礦井的資源有限且選址不夠靈活，而廢棄的煤礦礦井等因瓦斯安全隱患而受國家嚴格管理；此外，Gravitricity方案所提重物較為有限。而儲能塔方案雖然選址靈活，也具有良好的可拓展性，但儲能塔的建筑穩(wěn)定性以及對塔吊的精度控制難度較大，每天一升一降，容易引起倒塌風險，且易受天氣影響。為此，本文作者提出將儲能塔建造在地下豎井(或斜井)中的方案，如圖3所示。該方案一方面克服了Gravitricity礦井儲能量有限的缺點，另一方面也克服了儲能塔建設難度大、存在倒塌風險和易受天氣影響的缺點，且可根據(jù)需求靈活選址，因而是一種更具應用前景的地下重力儲能方案。基于目前較為成熟的掘井技術(shù)，大口徑的豎井深度可達500～1 000 m，單井的儲能量可達數(shù)十萬千瓦時。如果利用斜井方案，在同樣落差的情況下，斜井的長度大于豎井，因而可儲存更多的重物；同時，因重物可以依托斜坡提供部分支撐，從而可進一步提高系統(tǒng)安全性。因而，這種新型地下重力儲能方案也將具有重要的應用前景。

圖3 基于豎井的多重物重力儲能方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of shaft-based gravity energy storage scheme for multiple weights

2.4 地下儲熱工程

地下儲熱工程是將熱能存儲在介質(zhì)中并將介質(zhì)置于地下空間的工程。我國建筑采暖熱負荷占國內(nèi)能源消費總量的20%左右，利用地下儲熱工程存儲太陽熱及各類余熱，以用于冬季建筑采暖，是實現(xiàn)碳減排的重要途徑之一。早在20世紀80年代，瑞典通過與國際能源署(International Energy Agency, IEA)的廣泛合作，率先進行了大規(guī)模地下跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的研究。如今，眾多國家如美國、瑞典、德國和丹麥等均已建成基于跨季節(jié)儲熱技術(shù)的區(qū)域供熱系統(tǒng)。

地下儲熱工程主要包括淺層地埋管儲熱工程、地下天然含水層儲熱工程、地下人工水體儲熱工程等。①地埋管儲熱技術(shù)的儲熱介質(zhì)為土壤。充熱過程中，熱流體通過埋在地下的閉環(huán)管網(wǎng)與土壤換熱，將熱量儲存在土壤中；放熱過程中，冷流體通過埋在地下的管網(wǎng)與土壤換熱，將熱量從土壤中提取出來。土壤單位體積儲熱密度比水小，儲存相同熱量的前提下，土壤儲熱體積是水體的3～5倍。地埋管儲熱技術(shù)需要可以打孔的地質(zhì)，循環(huán)水溫一般要低于50 ℃，另需增加熱泵提升溫度，且土壤在放熱過程中，埋管分區(qū)控制策略復雜，閥門啟停較為頻繁，系統(tǒng)可靠性相對較差，目前已經(jīng)較少使用。②含水層是地下的含水多孔結(jié)構(gòu)，其建設成本在這幾種儲熱體中最低，但是含水層必須確保有兩個互不連通的地下含水層，且含水層內(nèi)基本無地下徑流干擾，才能實現(xiàn)穩(wěn)定的儲熱與取熱。因此，該技術(shù)受限于自然資源量和選址的限制，目前幾乎沒有實際運行的工程。③地下人工水體儲熱，采用人工建造坑式水體，坑內(nèi)儲存水體內(nèi)存在垂直溫度分布和季節(jié)性周期變化，且頂部最高水溫可能達到95 ℃，因此該類人工水體對高溫防滲、保溫浮頂技術(shù)要求較高。由于水具有較高的比熱，且易于實現(xiàn)換熱調(diào)控，因而成為目前應用最為廣泛的大容量跨季節(jié)儲熱技術(shù)。

近年來，國內(nèi)外在地下儲熱工程示范與建設方面取得了一系列成就。我國最大的土壤儲熱是赤峰50萬m3地埋管土壤儲熱示范工程，利用太陽能與低品位工業(yè)余熱相結(jié)合，通過跨季節(jié)儲熱實現(xiàn)“夏熱冬用”，用于城市集中供熱。丹麥等國家已經(jīng)建成很多采用地下熱水儲熱的跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)(如圖4所示)，運行效果很好[15,16]。西藏浪卡子建造的太陽能供暖系統(tǒng)，儲熱體積為15 000 m3、集熱器總面積為24 300 m2、供回水溫度為65 ℃/35 ℃。中國科學院電工研究所在張家口也建造了黃帝城3 000 m3地下儲熱水體，并用于建筑供暖示范。

圖4 丹麥太陽能跨季節(jié)儲熱商業(yè)化熱站Fig.4 Solar thermal storage heat station in Denmark

2.5 地下燃料儲存工程

采用天然洞穴或廢棄礦洞進行天然氣存儲的技術(shù)已經(jīng)得到應用?？紤]可再生能源制備清潔碳氫燃料的遠景，在電制燃料工廠附近建設人造地下空間，并直接以地下空間為燃料儲存室(如存儲天然氣)或者在地下空間的燃料儲罐外充滿氮氣，可以解決燃料儲存空間的地面占地并大大降低火災風險，因而也是一個值得探索的方向。表2列出了國外在這方面的實踐，瑞典Skallen項目將埋深在115 m的淺埋型地下人工儲氣室用于壓縮天然氣的儲存，項目已經(jīng)投入商業(yè)運行[17]。韓國地球科學和礦產(chǎn)資源研究所(Kigam)對一個儲存冷凍食物的地下空間進行擴建，經(jīng)過內(nèi)襯處理后用于液化天然氣存儲，該項目已經(jīng)完成中試[18]。

3 綜合性地下儲能工程實施方案探討

第2節(jié)系統(tǒng)地介紹了地下儲能工程的主要類型及其國內(nèi)外主要進展。可以看出，這些地下儲能工程既適合建設集中式儲能，也適合建設分布式儲能。我國可再生能源主要集中在西北部地區(qū)，而負荷主要集中在東部和南部地區(qū)。我國西北部地區(qū)缺水，而東部南部地區(qū)水資源相對豐富。因此，根據(jù)不同地區(qū)的電源和負荷分布以及資源和氣候特點，在不同的應用場景，通過資源綜合優(yōu)化利用，可以進一步提升地下儲能工程的綜合效率和效益。為此，本文提出以下幾種綜合性工程實施方案的建議。

表2 國外基于人造空間的地下天然氣存儲案例Tab.2 Examples of underground natural gas storage based on man-made space

3.1 依托護城河或自然水源的城市地下抽水儲能

城市是負荷中心，用于調(diào)峰填谷的儲能需求量大。隨著光伏發(fā)電的日益增長，用于電能晝夜轉(zhuǎn)移的儲能需求量也不斷增長。為此，在靠近城市或大型企業(yè)的合適地點建設地下抽水儲能工程，將具有重大的現(xiàn)實意義。

為提高城市地下抽水儲能工程的綜合效益，本文提出：可以采用護城河或自然水源(如江、河、湖、海等)作為上庫、在護城河或者自然水源下方挖掘隧洞或其他形式的地下空間作為地下發(fā)電廠房和下庫，以此建設地下抽水儲能工程，不僅可以節(jié)省上庫和大量占地，而且選址靈活，從而使得儲能系統(tǒng)靠近負荷中心，因而可以提供一種十分有效的儲能方案。我國東部南部地區(qū)的城市大都靠近自然水源，較為合適于建設基于自然水源為上庫的地下抽水儲能工程。我國北部地區(qū)的城市缺少自然河流，則可以利用或挖掘護城河、城市景觀水系、深水池等作為上庫，以建設集中式或分布式的地下抽水儲能工程；這里所述的深水池也可以建于地下，或者在其上疊加漁光互補淺水池，從而提高土地資源的綜合效益。

以建設北京市地下抽水儲能工程為例。在北京六環(huán)大小的范圍建設一條護城河作為上庫，護城河長大約250 km，并在護城河以下1 100～1 500 m深處挖掘直徑為12 m的地下隧洞作為下庫，則地下隧洞的總蓄水量為2 500萬m3，總儲能量約為7 500～10 000萬kW·h。因此，圍繞這條護城河，可以建設15～20座百萬千瓦的抽水儲能電站，以供電負荷為1 500萬kW計算，可以為整個北京市提供5～6 h的電力供應。此外，圍繞護城河，還可以建設城市綠化帶，并在護城河上方安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。據(jù)初步估計，此項工程總造價約為1 500～1 800億元人民幣，與現(xiàn)有的抽水儲能總造價基本相當。如果利用密云水庫、官廳水庫和現(xiàn)有的京密引水渠等作為上庫，則工程總造價可進一步降低。可見，這樣的綜合性地下抽水儲能工程，不僅解決了大規(guī)模儲能問題，而且美化了城市，具有重大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

3.2 地下復合儲能工程

我國西北部地區(qū)缺水，不太適宜建設地下抽水儲能，但可再生能源豐富。為此，適合建設地下重力儲能工程或地下壓縮空氣儲能系統(tǒng)。為提高地下儲能工程的綜合效益，也可以將重力儲能與壓縮空氣儲能共用一個地下豎井，從而建成一個復合性的儲能系統(tǒng)。其基本原理是：充電時，先將重物從豎井中提升至地面，然后關(guān)閉井口并利用豎井作為壓縮空氣儲罐，從而實現(xiàn)儲能。放電時，先用壓縮空氣驅(qū)動膨脹機發(fā)電，當氣壓釋放完畢，打開井口并逐漸吊入重物模塊發(fā)電。因此，豎井可以依次用于重力儲能和壓縮空氣儲能，系統(tǒng)綜合效益也將得以提高。例如，設豎井深度為500 m、直徑為12 m，采用鐵筐裝載鐵礦石為重物模塊，平均密度約為4 t/m3，重物模塊可以從井底堆疊至150 m深處；如將這些重物塊全部提升至地面，則儲能量大約為14萬kW·h。然后，再用豎井充當儲氣罐，以儲氣壓力達到60 atm為例，則壓縮空氣儲能大約為20萬kW·h。由此可得，系統(tǒng)的總儲能量可達34萬kW·h，采用三口豎井即可儲能達100萬kW·h。

在某些城市地區(qū)或大型企業(yè)，也可以建設壓縮空氣/抽水復合儲能系統(tǒng)，該種形式的復合儲能系統(tǒng)可以提高綜合效率和效益[19,20]。其基本原理為：在充電階段，通過壓縮空氣的高氣壓將下庫的水提升至地面上庫；當下庫的水位降低到一定的程度，關(guān)閉進氣閥門和空氣壓縮機，并通過水壓維持地下儲氣室的壓力。在放電階段，采用水壓維持壓縮空氣儲能系統(tǒng)恒壓恒功率放電，從而提高系統(tǒng)的綜合效率。當然，在放電階段，也可先通過膨脹機釋放氣壓做功，當氣壓回到常壓時，再通過上庫往下庫排水驅(qū)動水輪機發(fā)電，如圖5所示。采用后一種模式時，會增加水輪發(fā)電機組和地下廠房，但其工作適應性會有所改善。該綜合儲能工程的儲能量將比任一單獨的地下儲能工程都要大，綜合效益顯著提高。例如，在地下1 100 m深處建設長1 km、直徑為12 m的地下管狀通道，容積約10萬m3；采用高氣壓提水，則需要氣壓約為100 atm。由此可得，該系統(tǒng)的總儲能量將達到約120萬kW·h。

圖5 地下壓縮空氣/抽水儲能復合儲能系統(tǒng)Fig.5 Underground compressed air/pumped energy storage composite energy storage system

3.3 地下調(diào)水/抽水儲能綜合工程

我國新疆地區(qū)可再生能源豐富，但這里也十分缺水，不太適合大規(guī)模發(fā)展高能耗工業(yè)。與此同時，由于缺水，新疆地區(qū)也不適合大力發(fā)展抽水儲能，隨著新疆地區(qū)可再生能源的不斷發(fā)展，在此建立大規(guī)模儲能系統(tǒng)以支撐大量可再生能源電力外送也成為重要的課題。近年來，有關(guān)調(diào)水入疆的話題引起了廣泛的討論。從討論的情況來看，大家對于調(diào)水入疆這件事的重大意義是有廣泛共識的，不同點主要在于從哪里調(diào)水、能夠調(diào)多少水、需要調(diào)多少水以及怎么調(diào)水等幾個方面。

為此，本文提出如下大膽設想：建設一條從三峽庫區(qū)經(jīng)重慶、四川、陜西、甘肅至新疆吐魯番盆地艾丁湖的地下隧道，隧道長約2 500 km。由于三峽庫區(qū)海拔約170 m，而艾丁湖的海拔低于海平面150 m，自然落差達320 m，因而無需建設提水系統(tǒng)即可實現(xiàn)從三峽庫區(qū)向新疆調(diào)水的重大目標。根據(jù)百度提供的數(shù)據(jù)，吐魯番盆地總面積約5萬km2，其中低于海平面的面積達到4 050 km2。根據(jù)吐魯番盆地的等高線估計，當盆地的水位上升至與三峽庫區(qū)齊平時，其人工湖的面積大體上可達到約5 000 km2甚至更大。如果從三峽上游水電站的庫區(qū)向吐魯番盆地調(diào)水，相對落差更高，可望形成更大的人工湖。

以現(xiàn)有較為成熟的隧道挖掘技術(shù)，開挖兩條平行互通的隧道，每條隧道的截面直徑按照16 m設計。依托此工程，可以沿途建設抽水灌溉/儲能電站，即在隧道沿途需要水資源的地點，建立抽水灌溉/儲能電站，白天依靠太陽能從隧道內(nèi)提水至上庫，夜間通過上庫排水發(fā)電并實施農(nóng)業(yè)灌溉。依托5 000 km2的人工湖，可以沿湖建設多個抽水儲能電站，一方面可以為解決新疆大規(guī)模電力儲存問題提供有力支撐，另一方面可以將水資源輻射至北疆和其他周邊地區(qū)，促進當?shù)毓I(yè)發(fā)展并就地消納可再生能源，以減少電力外送并服務于國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略。與此同時，還可以在人工湖表面建設漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)(裝機容量可達數(shù)億kW)或漁光互補系統(tǒng)，不僅可以提高工程的綜合能源效益，而且可以顯著降低湖水蒸發(fā)量。此外，5 000 km2的人工湖可以對局地氣候產(chǎn)生積極影響，可望改善吐魯番盆地的局部生態(tài)環(huán)境。由此可見，雖然此項地下調(diào)水/抽水儲能工程巨大，但其產(chǎn)生的長遠綜合效益，包括政治、經(jīng)濟、環(huán)境、社會等各方面的效益也將是十分巨大的，值得做進一步的調(diào)查研究和投資效益分析。

3.4 地下儲熱與光伏備用容量綜合利用工程

太陽能和風能特別是風能具有短時出力波動性的特點。當電網(wǎng)中的太陽能和風能占比達到一定的水平時，為了平滑短時功率的波動性，以便于大型太陽能或風能發(fā)電站更友好地接入電網(wǎng)乃至實現(xiàn)對電網(wǎng)短時有功調(diào)節(jié)，一般將需要在電源側(cè)合理配置相適應的儲能系統(tǒng)。然而，能夠頻繁地用于上述目的的儲能系統(tǒng)(如飛輪、超級電容器或超導儲能等)，一般來說造價都比較高昂。

為此，本文提出地下儲熱與光伏備用發(fā)電容量綜合利用工程方案。隨著光伏發(fā)電的成本日益下降，采用光伏備用容量作為虛擬儲能系統(tǒng)，以部分替代用于上述目標的儲能系統(tǒng)，就成為一種經(jīng)濟上較為可行的方案之一。其基本思路是：按照可再生能源發(fā)電(光伏或風電)并網(wǎng)容量的一定比例(如10%)配置光伏備用容量；根據(jù)平滑本區(qū)域可再生能源短時發(fā)電功率的需要或電網(wǎng)短時有功調(diào)節(jié)需要，每一個可投入運行的光伏備用容量可以部分或全部實時地投入或切出電網(wǎng)。同時，光伏備用容量還可以部分地向其他系統(tǒng)如同步調(diào)相機提供動力，從而為系統(tǒng)提供無功支撐和增加系統(tǒng)慣量。對于經(jīng)常性切出電網(wǎng)的那一部分光伏備用容量，由于其功率的波動性較大，最好的利用方式是直接用于電加熱，同時將該部分熱能存儲于地下儲熱系統(tǒng)。這樣一來，光伏備用容量不僅部分替代了相應的儲能系統(tǒng)，而且實現(xiàn)了熱儲存，因而系統(tǒng)綜合效益大大提高。

4 發(fā)展前景與發(fā)展建議

改革開放以來，我國基礎設施建設取得了舉世矚目的成就。相應地，我國地下挖掘技術(shù)和地下工程建設技術(shù)取得了長足的發(fā)展。例如，我國自主研發(fā)的大口徑盾構(gòu)機技術(shù)總體上已經(jīng)處于國際領先水平，2020年長沙中國鐵建重工集團成功研制的超大直徑盾構(gòu)機，最大開挖直徑達16.07 m；2021年中交天和研發(fā)的超大直徑硬巖豎井掘進機“首創(chuàng)號”，刀盤直徑達到11.4 m、豎向掘進深度可達800 m。我國在鐵路公路隧道、海底/河底隧道、垂直豎井/斜井、地鐵、大型水電站的地下工程建設等方面突飛猛進。這些工程技術(shù)和基礎設施建設方面的成就，使得我國地下工程的建設成套技術(shù)日趨成熟，建設工期和建設成本都大大降低。例如，直徑12 m的淺埋深管狀隧道，每公里全部建設成本(包括挖掘、隧道防水、支護和通風等全部工程)大約為1.5～1.8億元人民幣，但可形成約10萬m3的地下空間?？梢?，我國已經(jīng)具備建設大型地下空間的成套技術(shù)和裝備，地下空間的建造成本也具備了競爭力。

根據(jù)國家能源局的有關(guān)數(shù)據(jù)，2020年，我國能源消費總量為49.8億t標準煤，二氧化碳排放總量約為113億t，其中能源消費導致的二氧化碳約為99億t，占我國總排放量的88%，其他排放(主要包括工業(yè)過程排放、農(nóng)業(yè)和廢棄物等造成的排放等)共計約14億t。依據(jù)全國人大副委員長丁仲禮院士的估計[1]：要實現(xiàn)碳中和的目標，我國2060年的排放量將被限制在約20～25億t以內(nèi)。如果其他排放量基本保持不變，則能源消費導致的排放量將被限制在10億t左右。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院等出臺的《中國二氧化碳捕集利用與封存 (CCUS)年度報告(2021)—中國CCUS路徑研究》報告，2060年我國碳捕集總量約可達到10億t。因此，在考慮CCUS之后，2060年我國能源消費的總排放量將被控制在20億t左右。

基于上述排放限制，本文在此做一個粗略的估計，即假設2060年的這20億t排放全部來自最清潔的化石能源天然氣，則相應的天然氣消費量可折合約13億t標準煤。根據(jù)有關(guān)報告測算[21]，2060年我國能源消費總量將達到62.8億t標準煤，正好比2020年多出約13億t。這意味著，還有49.8億t標準煤當量的能源需求(即相當于2020年我國全部能源消費)要由可再生能源、水電和核能等清潔低碳能源來提供，約占2060年總能源消費比重的80%。2020年，我國發(fā)電量約為7.7萬億kW·h，占終端能源消費的比重約為27%，總的終端能源消費當量為28.5萬億kW·h。清潔低碳能源的利用模式主要是發(fā)電，預計2060年我國水電裝機可達5.8億kW，可提供電力約2.0萬億kW·h，而核電裝機將達到約2～3億kW，可提供電力1.5～2.5萬億kW·h。因此，到2060年，還有大約24萬億kW·h當量的能源將主要通過光伏發(fā)電或風力發(fā)電獲得，以平均發(fā)電小時數(shù)為1 800 h計算，則可再生能源裝機將達到約130億kW。即使按照可再生能源發(fā)電功率的20%配置4 h的儲能系統(tǒng)，總的儲能需求量也將達到26億kW。如果常規(guī)抽水儲能可以提供約4億kW的功率，且將天然氣發(fā)電(估計約為7.5億kW)全部用作靈活電源部分替代儲能，則仍然需要布局其他儲能大約14.5億kW。假設化學儲能電池的貢獻(例如占20%，即2.9億kW)，則地下儲能工程也將有大約11.6億kW的市場需求量，總的市場規(guī)模約7萬億元人民幣，前景十分廣闊。如果考慮生物質(zhì)能、太陽熱、地熱等在終端能源中的貢獻(例如，約占10%)，我國地下儲能工程也將大約有3～4萬億元的市場規(guī)模，而全球市場規(guī)模將達到10萬億元以上。圖6顯示了本文對未來地下儲能工程的構(gòu)想。

為此，本文建議國家科技部門或者國家研究機構(gòu)盡快設立重大科技項目，以支持地下儲能工程技術(shù)的研究開發(fā)，并進行工程示范，以形成完整的勘探、設計以及工程建設成套裝備和技術(shù)、工藝、控制和運維技術(shù)、地下儲能系統(tǒng)優(yōu)化布局及其與電網(wǎng)的優(yōu)化互動等完整的工程體系，從而推動地下儲能工程技術(shù)的全面產(chǎn)業(yè)化。

圖6 未來低碳能源體系與地下儲能工程Fig.6 Imaginary picture for future low-carbon energy system and underground energy storage

建議組織中國科學院和相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門在先進物理儲能技術(shù)及裝備、電網(wǎng)技術(shù)與電氣設備以及地質(zhì)學、地下工程建設成套技術(shù)與裝備、工程力學、建筑學、城市規(guī)劃、環(huán)境與水資源等方面的研究開發(fā)力量，圍繞本文所提出的各種地下儲能工程方案與綜合性實施方案，加強關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)，建設相應的地下儲能示范工程并應用推廣，為我國實現(xiàn)碳中和目標提供有力的支撐。相關(guān)技術(shù)和建設運維經(jīng)驗可以進一步惠及全世界，可為我國企業(yè)創(chuàng)造更加廣闊的全球市場，并為我國打造像高鐵一樣的又一張高科技名片！

致謝：衷心感謝國家能源局李冶總經(jīng)濟師提供了重要的參考數(shù)據(jù)，衷心感謝中國科學院廣州能源所馮自平研究員和中國科學院工程熱物理所徐玉杰研究員提供的有益幫助。