郭朝斌， 李采， 楊利超， 劉凱， 阮岳軍， 何陽

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037； 2.湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長沙 410029)

0 引言

“減碳”與“增匯”是我國2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的根本措施。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、降低煤炭及石油消耗是從源頭上減少CO2排放的根本途徑。大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等清潔可再生能源是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決能源供應(yīng)矛盾和應(yīng)對氣候變化的重要措施。但由于大部分清潔可再生能源具有分布分散、間歇性、可控性差等特點(diǎn)，另外電網(wǎng)本身只能傳輸電能，不能儲存電能，因此清潔可再生能源與電網(wǎng)在時(shí)間、空間和強(qiáng)度上并不匹配，特別是在用電低谷期，大量清潔可再生能源難以得到有效利用而只能被舍棄。例如，2020年全國因電網(wǎng)消納不足而放棄風(fēng)能發(fā)電電量(棄風(fēng)電量)約166億kW·h，全國棄光電量52.6億kW·h，特別是在西北地區(qū)棄風(fēng)率仍保持較高比例[1]。因此，儲能技術(shù)是影響未來能源格局的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高能源效率,促進(jìn)新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,推動(dòng)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型以及加快碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。本文對壓縮空氣地質(zhì)儲能的概念、分類、發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)，分析了以鹽腔、含水層、枯竭油氣田為儲氣庫的代表性工程案例的關(guān)鍵參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)，以期為后續(xù)開展壓縮空氣地質(zhì)儲能工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

1 地質(zhì)儲能概念及發(fā)展歷史

目前，常見儲能技術(shù)根據(jù)能量儲存形式可劃分為利用機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的物理儲能、利用化學(xué)可逆反應(yīng)的化學(xué)儲能和利用電磁能轉(zhuǎn)化的電磁儲能3大類[2]。各種儲能方式在其主要的領(lǐng)域范圍內(nèi)快速發(fā)展，其儲能規(guī)模及優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示。

表1 各類儲能技術(shù)特點(diǎn)

1.1 壓縮空氣地質(zhì)儲能概念及分類

壓縮空氣地質(zhì)儲能(Geological Compressed Air Energy Storage，GCAES)是指以壓縮空氣作為儲能介質(zhì)，通過燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)，在用電低谷時(shí)利用多余的電能將空氣壓縮并儲存于地質(zhì)儲氣庫中，在用電高峰時(shí)再將儲氣庫中的高壓氣體釋放經(jīng)渦輪機(jī)發(fā)電[3](圖1)。

注： 圖中箭頭表示能量流向。

雖然目前抽水儲能是最常用的物理儲能方式，但相比之下，GCAES具有建設(shè)成本低、設(shè)備占地面積小、污染小以及能量效率高等特點(diǎn)。GCAES在裝機(jī)容量上可達(dá)到幾百兆瓦，規(guī)模僅次于抽水儲能(表1)，便于大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)用和推廣。GCAES的能源轉(zhuǎn)化效率較高，一般在75%左右，如果采用一些先進(jìn)的技術(shù)(如超導(dǎo)熱管技術(shù)、同時(shí)蓄熱等)，其效率能進(jìn)一步提升到80%以上[4]。另外，其商業(yè)應(yīng)用已超過40 a，積累了成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，這些優(yōu)勢使GCAES有望成為一種重要的儲能手段。

儲氣庫是GCAES系統(tǒng)重要的組成部分，根據(jù)儲氣庫地質(zhì)條件可分為以下3類：

(1)巖石洞穴(如鹽腔、堅(jiān)硬巖洞)儲氣庫。此類系統(tǒng)利用地下巖石洞穴或人工開挖的洞穴作為儲氣庫，規(guī)模較大，德國Huntorf壓縮空氣電站(290 MW)和美國McIntosh壓縮空氣電站(110 MW)均屬于此類儲能系統(tǒng)[5]。

(2)含水層儲氣庫。將廣泛分布的地下含水層作為儲氣庫進(jìn)行儲能可減少儲能系統(tǒng)對地質(zhì)條件的限制。其儲能規(guī)模與巖石洞穴儲能類型相近，目前處于工程試驗(yàn)與示范階段。地下含水層作為CO2地質(zhì)封存(一般為地下800 m以下含水層)和天然氣地下儲存的容器已得到成功應(yīng)用，證實(shí)了氣體可以在含水層儲氣庫中得到有效儲存。另外，含水層分布比鹽腔廣泛，可降低GCAES對鹽腔地理位置的依賴，而且成本較鹽腔也更具優(yōu)勢。

(3)枯竭油氣田儲氣庫。在油氣藏開采過程中已獲取較多的地質(zhì)條件信息，如具有良好的圈閉性、豐富的鉆孔信息與地層巖性參數(shù)且能夠節(jié)省選址建設(shè)成本等，因此，在枯竭的油氣田中開展地質(zhì)儲能較為可行。

1.2 壓縮空氣地質(zhì)儲能發(fā)展歷史及趨勢

GCAES技術(shù)經(jīng)歷了快速發(fā)展、緩慢發(fā)展、再快速發(fā)展3個(gè)階段，與能源結(jié)構(gòu)的改變密不可分。壓縮空氣儲能的概念始于20世紀(jì)40年代，同期在美國出現(xiàn)相關(guān)專利。但是，由于當(dāng)時(shí)電網(wǎng)峰谷特征不明顯，壓縮空氣儲能技術(shù)沒有得到重視和應(yīng)用。到20世紀(jì)60年代，隨著核電和燃煤電廠的快速發(fā)展，電網(wǎng)峰谷特征日益明顯，有關(guān)在用電低谷期將廉價(jià)電能儲存、在用電高峰期釋能發(fā)電的研究迅速發(fā)展。GCAES開始逐漸得到重視，相關(guān)研究也隨之開始。1969年，德國計(jì)劃在鹽腔中建設(shè)壓縮空氣儲能系統(tǒng)以滿足大規(guī)模儲能需求，于1978年建成Huntorf電站宣布成功商用。隨著Huntorf電站的成功商用，GCAES的研究進(jìn)入第一個(gè)快速發(fā)展階段。隨后，美國能源部開展了一系列的可行性研究及小型示范項(xiàng)目，研究內(nèi)容主要是儲氣庫的選擇及第二代GCAES系統(tǒng)的研究。1991年，美國在阿拉巴馬州建立了其第一個(gè)110 MW級GCAES電站。

1.3 我國GCAES的需求與潛力分析

近些年，隨著清潔能源的廣泛使用，大規(guī)模儲能技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。近十年來，全球可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量大幅增加，在2020年新增發(fā)電容量中，82%為可再生能源(圖2)。與此同時(shí)，中國經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了持續(xù)快速增長，已經(jīng)成為世界第一大能源消費(fèi)國。2020年，中國水電、風(fēng)電裝機(jī)容量以及可再生能源發(fā)電總裝機(jī)容量均位居世界前列。在此期間，間歇性清潔能源的迅速發(fā)展導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷不均衡，一方面發(fā)電企業(yè)的收益受到影響，另一方面會浪費(fèi)大量的能源，不利于可再生能源的投資，阻礙了新能源技術(shù)的推廣和發(fā)展。但GCAES系統(tǒng)與可再生能源相結(jié)合，可將間歇性可再生能源拼接起來，形成穩(wěn)定的電力供應(yīng)，促進(jìn)新能源的發(fā)展[7]。據(jù)測算，2020—2025年儲能市場累計(jì)投資空間為1.6萬億元，2030年市場投資可達(dá)1.3萬億元，2060年市場投資可達(dá)5萬億元，累計(jì)規(guī)模達(dá)122萬億元，壓縮氣體儲能作為未來極有競爭力的長時(shí)大規(guī)模儲能技術(shù)，預(yù)計(jì)在儲能整體市場中會占據(jù)不少于30%的份額[8]。

圖2 全球可再生能源發(fā)電每年新增裝機(jī)容量圖[6]

2 GCAES研究現(xiàn)狀

2.1 理論分析研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外對于GCAES的相關(guān)研究主要集中在儲氣庫的選擇、新型GCAES系統(tǒng)的優(yōu)化以及儲能效率、經(jīng)濟(jì)性分析等方面[9]。

有關(guān)鹽腔儲氣庫GCAES系統(tǒng)方面發(fā)表的文章大多以鹽腔力學(xué)穩(wěn)定性和安全評價(jià)為主[10-14]。耦合熱學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和力學(xué)模型分析表明壓力和溫度的巨大波動(dòng)會導(dǎo)致GCAES系統(tǒng)在循環(huán)過程中不穩(wěn)定[15]。熱動(dòng)力學(xué)和力學(xué)耦合模型及與歷史數(shù)據(jù)的擬合分析可用于判別GCAES系統(tǒng)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，有助于確定泄露位置，輔助后續(xù)系統(tǒng)監(jiān)測井的設(shè)計(jì)[16]。在此基礎(chǔ)上，多種確定鹽腔泄露位置的方法也被提出[17]。

針對含水層儲氣庫GCAES的研究以基本物理過程、存儲機(jī)制和數(shù)值模擬分析為主[11，18-19]。胡賢賢等[20]對當(dāng)前國內(nèi)外含水層GCAES相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了全面總結(jié)，包括項(xiàng)目、技術(shù)概況以及經(jīng)濟(jì)成本的分析等; Kushnir等[21]基于達(dá)西定律及部分假設(shè)前提建立了在含水層中進(jìn)行GCAES的數(shù)學(xué)模型，并通過解析解求解，對地層參數(shù)、鉆孔完井程度等進(jìn)行了敏感性計(jì)算，分析了這些參數(shù)對壓力波動(dòng)的影響; 美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Oldenburg等[19]提出了一種利用CO2作為儲能緩沖氣體的方法，當(dāng)CO2從氣相過渡到超臨界相時(shí)，它比空氣具備更大的壓縮性能; Guo等[22]通過數(shù)值模擬方法對GCAES系統(tǒng)的可行性及日循環(huán)和周循環(huán)進(jìn)行了分析; Guo等[22-23]針對CAESA系統(tǒng)初始?xì)饽倚纬芍械貙訚B透率的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明存在最佳滲透率范圍，滲透率過大或過小均會對系統(tǒng)造成較大影響。GCAES系統(tǒng)仍有大量的基礎(chǔ)問題需要進(jìn)一步研究和探討。

目前，GCAES系統(tǒng)和新能源系統(tǒng)相結(jié)合的方式成為新的研究熱點(diǎn)。GCAES與風(fēng)能結(jié)合的技術(shù)可將風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比重提高至八成[24]。除了與風(fēng)能、太陽能耦合，GCAES還可以與生物質(zhì)能耦合，將生物質(zhì)氣化后應(yīng)用于GCAES系統(tǒng)可降低溫室氣體的排放及對天然氣的依賴程度。佛羅倫薩大學(xué)Fiaschi等[25]提出了耦合壓縮空氣儲能系統(tǒng)和其他儲能方式的海上可再生能源平臺，海上的風(fēng)能、太陽能、波浪能分別利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板和波浪能回收裝置將能量轉(zhuǎn)化成壓縮空氣能量進(jìn)行儲存，使用水下壓縮空氣儲能裝置進(jìn)行壓縮空氣的水下定壓存儲，可為海島地區(qū)提供足夠的能源[26]。目前限制我國GCAES技術(shù)推廣的主要因素是缺少大容量的儲氣裝置，如果考慮采用孔隙含水層作為儲氣庫，地質(zhì)條件的限制將大大降低。

在GCAES儲氣庫選址方面，需要考慮儲氣庫位置、儲層性質(zhì)(孔隙度、滲透率等)、經(jīng)濟(jì)成本、社會環(huán)境影響等因素。Allen等[27]對影響多孔介質(zhì)儲氣庫的因素進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)并給出了參考值。董家偉等[28]通過層次分析法針對儲層性質(zhì)、地質(zhì)安全和經(jīng)濟(jì)效益3大類評價(jià)因素12個(gè)評價(jià)指標(biāo)，建立了含水層壓縮空氣儲能選址評價(jià)體系框架，并在河北省某區(qū)塊開展了實(shí)際應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)值模擬方法，可計(jì)算各種過程的耦合來研究GCAES系統(tǒng)的相關(guān)問題[29-30]。TOUGH2是由美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬軟件，最初用于地下水滲流和熱運(yùn)移模擬，隨著新功能的擴(kuò)展，現(xiàn)在可用于地?zé)帷⒑藦U料、天然氣水合物、地下水環(huán)境化學(xué)、二氧化碳地質(zhì)封存、GCAES等方面的研究[31]。T2Well是在TOUGH2原有功能基礎(chǔ)上研發(fā)的耦合含水層和鉆孔流動(dòng)的數(shù)值模擬軟件[32]。TOUGH-FLAC是在TOUGH2對流場模擬的基礎(chǔ)上增加了力學(xué)方面耦合的軟件[13]。Rutqvist等[12]利用TOUGH-FLAC模擬器，對GCAES系統(tǒng)的熱動(dòng)力學(xué)和力學(xué)方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

在GCAES系統(tǒng)數(shù)值模擬相關(guān)研究中，ECLIPSE模擬器的應(yīng)用也較為廣泛。ECLIPSE是在石油、頁巖氣和天然氣等地下流體工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的數(shù)值軟件[33]，功能強(qiáng)大，界面友好，但由于是商業(yè)軟件，其關(guān)鍵原理部分的程序相對封閉，對于學(xué)術(shù)研究具有一定的局限性。不過部分學(xué)者采用開放式源代碼程序進(jìn)行了相關(guān)研究，如Wang等[34]利用ECLIPSE進(jìn)行了GCAES系統(tǒng)中不同布井方式對儲能規(guī)模方面影響的研究。

2.2 經(jīng)濟(jì)性研究現(xiàn)狀

系統(tǒng)的可行性不僅要求技術(shù)上具有可行性，在經(jīng)濟(jì)成本方面也應(yīng)具有可行性。在經(jīng)濟(jì)成本方面，各類儲能方式的成本如表2所示。由表2可知，GCAES系統(tǒng)較抽水儲能和硫鈉電池更具成本優(yōu)勢。

表2 各類儲能技術(shù)成本比較[20,35]

對于含水層GCAES系統(tǒng)，其成本如表3所示。3個(gè)不同地區(qū)的試驗(yàn)表明，含水層GCAES開發(fā)成本為2～7美元/(kW·h)，鹽腔GCAES系統(tǒng)開發(fā)成本為6～10美元/(kW·h)。對比可知，含水層GCAES系統(tǒng)比鹽腔GCAES系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢。在增加儲能規(guī)模成本方面，含水層GCAES系統(tǒng)也具有較大優(yōu)勢。以鹽腔為代表的常規(guī)GCAES系統(tǒng)，儲能容量增大時(shí)所需成本約為2美元/(kW·h)，而對于含水層GCAES系統(tǒng)，其儲能容量增加時(shí)所需成本僅為0.11美元/(kW·h)[36]。

表3 含水層GCAES系統(tǒng)開發(fā)成本[36]

在經(jīng)濟(jì)性分析方面，譚靖等[37]針對某一風(fēng)電場的實(shí)際情況分別從節(jié)能、電站建設(shè)以及環(huán)保效益方面分析了GCAES系統(tǒng)的綜合效益。張新敬[38]對不同的GCAES系統(tǒng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)及其與風(fēng)能的耦合系統(tǒng)雖然初期建設(shè)成本較高，但是在運(yùn)行過程中相較于傳統(tǒng)的GCAES系統(tǒng)，減少了溫室氣體的排放，更加環(huán)保。

3 工程案例分析

3.1 以鹽腔為儲氣庫

3.1.1 德國Huntorf工程

1969年，德國計(jì)劃在北部鹽穴地層中建立GCAES系統(tǒng)以滿足大規(guī)模儲能的需求。該區(qū)域已有大量利用鹽腔儲存天然氣的工程，為GCAES電站的建立積累了大量的地質(zhì)資料與操作經(jīng)驗(yàn)。德國于1975年開始在Huntorf建造GCAES電站，于1978年宣布成功商用[39]。Huntorf電站以兩個(gè)鹽洞為儲氣庫進(jìn)行儲能，如圖3所示。其技術(shù)參數(shù)如表4所示。Huntorf電站整體運(yùn)行效率為42%[41-42]，平均啟動(dòng)可用率和可靠率分別為90%和99%[36]。

圖3 德國Huntorf電站地面設(shè)備(左)及地下鹽腔示意圖(右)[39]

表4 德國Huntorf電站技術(shù)參數(shù)[40]

3.1.2 美國McIntosh工程

在Huntorf電站成功運(yùn)行13 a后，1991年美國在Alabama州建立了以鹽洞為儲氣庫的GCAES電站，具體技術(shù)參數(shù)如表5所示。由于增加了壓縮熱回收利用裝置，McIntosh電站的整體運(yùn)行效率得到了提高，為54%[41]，壓縮過程和膨脹過程平均啟動(dòng)可靠率分別為91.2%和92.1%，運(yùn)行可用率分別為96.8%和99.5%[36,44]。

表5 美國McIntosh電站技術(shù)參數(shù)[36，41，43]

McIntosh壓縮空氣儲能電站如圖4所示。

圖4 美國McIntosh壓縮空氣儲能電站示意圖[44]

3.1.3 鹽腔儲氣庫優(yōu)缺點(diǎn)分析

鹽腔由于其力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、滲透率低、高壓下具有塑性等特點(diǎn)，具有較好的密閉性，在儲存天然氣、石油等方面已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用，具有技術(shù)成熟、儲氣容量大、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是開展GCAES的良好儲氣庫。我國鹽腔資源豐富，現(xiàn)有鹽腔資源容量約1.3×108m3，其中部分鹽腔資源容量如表6所示。但是由于鹽腔發(fā)育分布與儲能需求的匹配度較低，只能在特定區(qū)域開展，限制了鹽腔類GCAES的快速推廣和發(fā)展。另外，由于賦存地質(zhì)條件的不同，存在部分鹽巖雜質(zhì)較多以及開采后鹽腔形態(tài)不一等問題，因此在作為儲氣庫進(jìn)行儲能前，需要進(jìn)行鹽腔形態(tài)精準(zhǔn)測量、氣密性測試等研究。

表6 我國東部鹽腔資源容量[45]

3.2 以含水層為儲氣庫

3.2.1 美國Pittsfield場地試驗(yàn)

1981年，美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室在伊利諾伊州的Pittsfield啟動(dòng)了含水層GCAES試驗(yàn)，分析和評估了在多孔介質(zhì)中進(jìn)行GCAES的可行性。如圖5所示，注入目標(biāo)地層St. Peter砂巖埋深約200 m，蓋層滲透率較低且具有圈閉特征。從1982年開始，經(jīng)過6個(gè)月的空氣注入(體積約2.1×106m3)形成初始?xì)饽遥S后開始注采循環(huán)試驗(yàn)。

(a) 背斜結(jié)構(gòu) (b) 背斜中心局部放大圖 (c) 地層巖性柱狀圖

Pittsfield 試驗(yàn)結(jié)果證明了含水層可以作為儲氣庫進(jìn)行GCAES。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容，例如注入空氣中的氧氣與地層礦物(黃鐵礦)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生消耗，該消耗量需通過與St. Peter砂巖中礦物的反應(yīng)定量計(jì)算并進(jìn)一步解釋。

3.2.2 美國愛荷華州GCAES項(xiàng)目

美國愛荷華州GCAES項(xiàng)目(Iowa Stored Energy Park，以下簡稱ISEP-GCAES電站)是一個(gè)具有創(chuàng)新性的能源儲存項(xiàng)目，計(jì)劃儲能規(guī)模為270 MW，前期投資約為4億美元，原計(jì)劃于2015年開始為愛荷華州得梅因市提供儲能服務(wù)。該項(xiàng)目于2006年啟動(dòng)，在開展8年的規(guī)劃調(diào)查后，由于經(jīng)濟(jì)性原因，于2011年7月暫停實(shí)施。項(xiàng)目的主要參與方Hydrodynamics公司和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展了含水層GCAES可行性地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目[46]，儲層為Dallas Center Mt. Simon含水層，儲能規(guī)模為135 MW～270 MW。該地質(zhì)調(diào)查與測試項(xiàng)目的目標(biāo)是: ①確定Dallas Center構(gòu)造中Mt. Simon地層的深度及形狀等； ②確定Mt. Simon地層的巖石屬性(孔隙度、滲透率、組成即巖石力學(xué)性質(zhì)等)； ③確定在技術(shù)上該構(gòu)造是否可以作為儲氣庫進(jìn)行GCAES電站的建設(shè)運(yùn)行。在此之前，該地區(qū)的地質(zhì)資料來源于20世紀(jì)70年代的地震波反射研究和Dallas Center構(gòu)造附近3個(gè)廢棄井的測井?dāng)?shù)據(jù)，有關(guān)Dallas Center構(gòu)造的直接地質(zhì)數(shù)據(jù)幾乎沒有[47]。先前根據(jù)Redfield構(gòu)造的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬，如果Dallas Center地質(zhì)數(shù)據(jù)與其相似則可以滿足項(xiàng)目儲能規(guī)模要求(2個(gè)135 MW電站)。

根據(jù)場地調(diào)查結(jié)果，場地砂巖背斜結(jié)構(gòu)中可用空間體積過小，非均質(zhì)性較高且滲透率相對較低，使得該場地不滿足設(shè)定的儲能規(guī)模要求[47]。ISEP-GCAES電站原計(jì)劃儲能規(guī)模為270 MW，Moridis等[48]利用數(shù)值模擬方法根據(jù)場地?cái)?shù)據(jù)建立模型，模擬結(jié)果表明當(dāng)前場地可提供約65 MW級別的儲能規(guī)模，而經(jīng)濟(jì)分析表明65 MW儲能規(guī)模在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件下處于虧損狀態(tài)，建議在進(jìn)行更多注氣試驗(yàn)前暫停項(xiàng)目。

3.2.3 含水層儲氣庫優(yōu)缺點(diǎn)

含水層分布廣泛，在與儲能需求的匹配度上較鹽腔更具優(yōu)勢。美國普林斯頓大學(xué)的研究報(bào)告指出，采用含水層作為GCAES系統(tǒng)的儲氣庫，在成本上能夠進(jìn)一步降低，有利于壓縮空氣儲能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[36]。與鹽腔儲氣庫不同，含水層作為多孔介質(zhì)，在空氣注入過程中涉及注入速率、壓力分布、空氣氣相飽和度分布等諸多多相流方面的問題，需要更加詳細(xì)的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行儲能規(guī)模和安全性評估。

3.3 以枯竭油氣田為儲氣庫

3.3.1 300 MW枯竭天然氣田GCAES探索

美國太平洋天然氣電力公司在2009年提出利用枯竭氣田開展300 MW-10 h規(guī)模的GCAES系統(tǒng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性研究。其可分為許可評估(選址調(diào)查、環(huán)境影響評價(jià)和公開招標(biāo))、運(yùn)維(建設(shè)、調(diào)試和運(yùn)行)和監(jiān)測分析(數(shù)據(jù)收集分析、技術(shù)轉(zhuǎn)讓等)3個(gè)階段。

第一階段的可行性許可評估研究包括地質(zhì)儲氣庫的預(yù)選區(qū)篩選、選址、注氣試驗(yàn)等過程，是后續(xù)階段研究的基礎(chǔ)，最為關(guān)鍵。項(xiàng)目早期規(guī)劃中利用加利福尼亞州Buttonwillow地區(qū)的枯竭氣田作為儲氣庫。經(jīng)過調(diào)查和分析，抽氣階段該地層可供最大壓力約5.5 MPa，無法滿足地面設(shè)備滿負(fù)荷工作所需的6.5 MPa壓力的要求。另外，該區(qū)域在1930—1940年期間施工85口鉆孔，其中一部分廢棄的鉆孔只進(jìn)行了簡單的處理，現(xiàn)階段開展鉆孔修補(bǔ)的成本也較高，如果開展壓縮空氣儲能工程存在較高的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。基于壓力需求和泄漏風(fēng)險(xiǎn)的原因，最終放棄了該地區(qū)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在提出儲層應(yīng)具有圈閉特性以及可以匹配地面發(fā)電設(shè)備的技術(shù)和操作要求兩個(gè)原則的基礎(chǔ)上，總結(jié)形成了GCAES儲氣庫適宜性評價(jià)方法，篩選出King Island和East Islands 2個(gè)預(yù)選場址。在2個(gè)預(yù)選場址同步開展巖心分析等地質(zhì)測試，獲取了詳細(xì)儲層參數(shù)，在進(jìn)行潛力評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評估的同時(shí)，考慮技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素(法律、商業(yè)、技術(shù)等方面的問題)，最終確定在King Island開展空氣注入試驗(yàn)。此外，還針對地面設(shè)備和地質(zhì)儲氣庫開展了環(huán)境影響評價(jià)，結(jié)果顯示該項(xiàng)目環(huán)境影響較小，符合加利福尼亞州能源委員會和美國環(huán)境保護(hù)局的建造和運(yùn)行許可要求。

該項(xiàng)目展示了使用枯竭氣田開展300 MW-10 h壓縮空氣地質(zhì)儲能的技術(shù)可行性，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供了參考。

首先，地質(zhì)儲氣庫可以滿足設(shè)施運(yùn)行所需的流速和壓力，但必須進(jìn)行正確的系統(tǒng)管理和操作約束，特別是嚴(yán)格限制抽出空氣中的甲烷比例，防止影響安全性或燃燒穩(wěn)定性。在開始注氣試驗(yàn)之前，King Island地質(zhì)儲氣庫中的殘余氣體中甲烷占92%。為了使該部分甲烷與注入的空氣混合最小化，在儲氣庫中需形成較大的初始?xì)饽摇Ｍ瑫r(shí)，在循環(huán)周期中，需要通過平衡注入和抽出的循環(huán)來保持氣囊的大小。King Island項(xiàng)目假設(shè)每個(gè)工作日進(jìn)行注入/抽出循環(huán)，周末進(jìn)行連續(xù)注入。如果連續(xù)抽出氣體，停止注入2～3 d后，某些鉆孔抽出的空氣中甲烷的濃度超出限制。在開始的幾年中，儲層中甲烷體積較多時(shí)，建議限制儲層連續(xù)抽氣的持續(xù)時(shí)間。

其次，需要注意空氣中的耗氧問題。在空氣注入測試過程中發(fā)現(xiàn)注入的空氣會以較快的速率與儲層中的一些礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，測試結(jié)束時(shí)氧氣濃度從注入時(shí)的21.6%降至約2%，無法滿足GCAES發(fā)電設(shè)施系統(tǒng)所需的氧氣含量。該問題可以通過前期多次大量注入空氣以消耗可氧化的礦物質(zhì)來解決。

另外，在初始?xì)饽倚纬呻A段，在空氣注入的同時(shí)需要額外的鉆孔來抽取原始地層水，以滿足合理施工時(shí)間且不超出鉆孔允許壓力。通過抽水鉆孔，初始?xì)饽倚纬蓵r(shí)間大約為18個(gè)月，大幅縮減了無抽水鉆孔所需的10 a時(shí)間。King Island項(xiàng)目設(shè)計(jì)了29個(gè)空氣注采鉆孔、4個(gè)抽水鉆孔和2個(gè)水處理鉆孔(重新注入水到遠(yuǎn)離初始?xì)饽业暮畬又?。

3.3.2 枯竭油氣田儲氣庫優(yōu)缺點(diǎn)分析

枯竭油氣田具有豐富的地質(zhì)資料和齊全的鉆孔設(shè)施，是開展壓縮空氣地質(zhì)儲能的理想儲氣庫。國外具備以枯竭油氣田作為儲氣庫進(jìn)行地質(zhì)儲能的經(jīng)驗(yàn)，中國與國外地下枯竭油氣藏儲氣庫建設(shè)技術(shù)還存在一定差距，相關(guān)方面的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)也不多[49-50]。

4 結(jié)論與建議

通過分析壓縮空氣地質(zhì)儲能的分類、研究現(xiàn)狀以及不同儲氣庫工程案例，指出地質(zhì)儲能不同類型儲氣庫的優(yōu)缺點(diǎn)及其關(guān)鍵影響因素，具體結(jié)論及建議如下：

(1)儲氣庫的地質(zhì)條件是影響地質(zhì)儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。不同的地質(zhì)參數(shù)，如滲透率、孔隙度的非均質(zhì)分布對壓力、能量流速等系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)都會產(chǎn)生影響。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)鹽腔、含水層、枯竭油氣田等地質(zhì)儲能空間的不同特性以及當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)類型，因地制宜地開展壓縮空氣地質(zhì)儲能的研究與應(yīng)用。

(2)我國鹽腔資源豐富且利用率較低，具有較大的開發(fā)利用空間。但鹽腔資源的分布與儲能需求區(qū)域的匹配較差，鹽巖資源賦存條件和開采過程也存在差異，在開展地質(zhì)儲能前需進(jìn)行嚴(yán)格的腔體測量和氣密性分析。

(3)含水層分布廣泛，是最具潛力的地質(zhì)儲能儲氣庫。但由于含水層及枯竭油氣田的多孔介質(zhì)屬性，空氣的運(yùn)移規(guī)律較為復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中需要盡量獲取準(zhǔn)確詳細(xì)實(shí)際的地質(zhì)數(shù)據(jù)，降低地質(zhì)條件的不確定性。另外，多孔介質(zhì)中初始?xì)饽倚纬蓵r(shí)，特別是在飽水含水層中，空氣驅(qū)替原始地層水需要較長的時(shí)間和合理的注氣方式，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮時(shí)間成本。