淺談地下含水層儲能應用關鍵技術研究

引言

    全球變暖引發(fā)了從傳統(tǒng)化石燃料能源系統(tǒng)向可持續(xù)能源系統(tǒng)的全球性轉變，為可再生能源利用帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。此外，為實現(xiàn)我國二氧化碳排放于2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和這一目標，需要增加可再生能源在供暖和制冷領域的比例，并解決熱能需求和季節(jié)性供應之間的時空匹配性問題；為此，2021年11月，國家能源局、科學技術部聯(lián)合編制了《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，聚焦大規(guī)模高比例可再生能源開發(fā)利用，提出了“開展高溫含水層儲能和中深層巖土儲能關鍵技術研究，實現(xiàn)余熱廢熱的地下儲能”、“推廣含水層儲能、巖土儲能等跨季節(jié)地下儲熱技術利用”等地下含水層儲能技術攻關重點任務。地下含水層儲能（ATES），特別是高溫含水層儲能（HT-ATES），具有儲能潛力大，運行成本低，經濟環(huán)保效益良好等優(yōu)點，可以有效解決清潔供暖時空不匹配問題，實現(xiàn)大規(guī)模間歇性可再生能源消納，引起了越來越多的學者和行業(yè)關注。

技術原理

    ATES供暖的基本原理是：非供暖季，利用地面間歇性可再生清潔能源、余熱資源加熱冷井水，向熱井地下含水層補充熱量，轉化為穩(wěn)定的地熱能；供暖季，熱井中儲存的穩(wěn)定的地下含水層熱流體被開采至地面供熱站，通過換熱設備為建筑物供暖，尾水回灌到同層的冷井中；完成ATES全年儲/取熱循環(huán)，運行過程實現(xiàn)取熱不取水。

    根據(jù)注入水溫的高低，ATES可以分為：低溫系統(tǒng)（LT-ATES），注入溫度＜30℃，也是較常見的系統(tǒng)；中溫系統(tǒng)（MT-ATES），注入溫度30-60℃；高溫系統(tǒng)（HT-ATES），注入溫度＞60℃。當前，全球含水層儲能共有超過2.5TWh的能量用于供暖和制冷，其中大部分ATES注入溫度＜30℃。

    ATES可以有效克服“源-荷”長期需求和短期供應之間的時間不匹配問題，提供靈活和充足的可持續(xù)能源，實現(xiàn)大規(guī)模可再生能源消納。對于地熱資源稟賦較差、跨季節(jié)儲熱后采出溫度仍然較低的地下含水層，可以根據(jù)采出溫度，設計安裝熱泵設備提高熱水供水溫度，滿足建筑末端供暖需求，因地制宜地促進地熱能資源經濟性利用。

關鍵技術

  1 評估技術

    性質良好的地質條件和尺度合適的含水層，是建造ATES系統(tǒng)的關鍵前提；因此，對區(qū)域地質條件進行初步審查和潛力評估至關重要。通常，ATES潛力評估表征參數(shù)主要有五大方面，即：地質水文參數(shù)，水文(地下水)屬性，地下水地球化學性質，熱力學參數(shù)，儲層性質等。

   選址研究階段，地質和水文地球化學動力學三維模擬技術用較高程度的細節(jié)來表征地質環(huán)境，是預測含水層儲能影響效果的重要數(shù)據(jù)來源和判斷依據(jù)；城市區(qū)域開展ATES工程應用，收集地球物理數(shù)據(jù)往往十分困難，可以通過前期調研地質資料構建三維地質模型，將其風險較小化。

   可研規(guī)劃階段，通常通過現(xiàn)場鉆孔抽水試驗和水樣測試，確定含水層的位置和水質，獲得含水層相關的重要水文信息；有助于了解含水層的非均質性。此外，熱力–水力–應力–化學(THMC)多場耦合作用過程計算，分析熱水注入對儲層整體效果的影響，模擬裂隙滲透過程的演化等。

  2 建造技術

   地熱井結構設計和建造應盡量減少對地層造成的影響和危害，特別是深部地熱井，同時應保護中間含水層免受未來儲熱活動的影響。為防止坍塌，防止熱損和淺層含水層受熱，有專家提出：儲熱溫度＞60℃時，應采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂或不銹鋼管材；溫度≤60℃時，可以使用PVC材質的篩管和套管；為了防止不同類型的地下水混合，并確保在設計深度的含水層提取和注入熱水，在回填過程中必須嚴格密封和隔離低滲透層(粘土層、壤土層等)。

    ATES鉆井、完井和建造過程，在選擇可靠的鉆井技術和方法時，需要考慮以下因素：現(xiàn)場巖土樣品獲取,進入含水層的鉆井泥漿量較小，鉆井泥漿用量較小；深部地熱鉆探會遇到許多地質構造的變化，可能會導致如坍塌、設備故障或平衡突變等風險。深層地熱鉆探過程包括垂直鉆井和斜井鉆井(傾角一般在25°-45°)，由于鉆井過程更加復雜，風險更高，技術要求也更高。

   3 系統(tǒng)集成技術

   3.1 源-荷-儲匹配

    ATES可以為短期儲熱、移峰或跨季節(jié)儲能提供能量載體，整合工業(yè)或太陽能集熱器的余熱、棄風、光電力等免費(或廉價)熱源是商業(yè)推廣的基本條件；區(qū)域供暖中，需要有效匹配建筑負荷側要求、余熱特征、含水層熱儲特性等“源-荷-儲”匹配關系。熱回收效率不僅取決于井下的熱損失，還取決于熱井的較小可用溫度，即“截止溫度”，相關研究結果表明：儲熱溫度為90℃時，截止溫度降低10℃，回收率可以提高10%~15%。

    ATES熱回收率對含水層的儲水量、儲水溫度、截止溫度和滲透率具有敏感性，研究發(fā)現(xiàn)：含水層每季度注水量低于10萬m?，儲水量對溫度和水力傳導率的變化十分敏感，熱回收效率相對較低；含水層儲量規(guī)模必須足夠大，優(yōu)先選擇＞30萬m?熱水的ATES系統(tǒng)；為了達到較高的熱回收效率，建議設計儲熱功率＞5MW，小型系統(tǒng)一般在0.1-0.3MW之間，大型系統(tǒng)一般在5-30MW之間。

   

   3.2 監(jiān)測維護

    工程實踐中，ATES系統(tǒng)的實際性能往往會偏離設計值，需要通過在線監(jiān)控，使其能夠達到設計的能源效率范圍。當實際熱負荷低于設計值時，ATES系統(tǒng)處于部分負荷運行，導致更高的電力消耗和管道熱損失；當因建筑物每年不同的供暖/制冷需求而發(fā)生顯著變化時，需要采取措施恢復平衡，避免抽水井和注水井之間的干擾；根據(jù)地下水流速和井內水位變化分析產能趨勢，預警潛在風險。

    為了監(jiān)測含水層的供熱量和水質，建議在HT-ATES系統(tǒng)設置單獨的監(jiān)測井；對于溫度監(jiān)測，通過懸掛在監(jiān)測管中的傳感器進行溫度測量非常耗時，可以考慮使用玻璃纖維測溫技術；可以持續(xù)測量整個井深方向，提供更詳細的測點溫度信息。

  3.3 水處理

     ATES示范工程中，井堵是常見問題。地下局部水文地球化學成分、高濃度的溶解氣體、非均質含水層中的細粒物質、粘土膨脹都可能引起注水井堵塞。當儲熱溫度＞60℃時，可能會導致地下水化學成分的變化，有必要對地下水進行化學處理，以防止系統(tǒng)中井、熱交換器和管道的礦物沉淀；當儲熱溫度＜60℃時，管道熱損將降低，通常很少發(fā)生礦物質沉淀，一般不需要進行嚴格的水處理；儲熱水與周圍(較冷)地下水的密度差較小，使得密度驅動的地下水流動及其熱損失也較小。

     高溫儲熱可能會影響含水層系統(tǒng)內的地球化學過程，影響地下水化學性質；根據(jù)不同的水處理經驗，建議對當?shù)氐叵滤M行現(xiàn)場采樣檢測，特別是在溫度超過50℃時，應考慮進行水處理。

  應用示范

     地下含水層儲熱關鍵核心是確定系統(tǒng)設備及部件的較優(yōu)容量和配置參數(shù)，投資成本通常會隨著含水層熱儲容量的增加反而會顯著下降。與其他傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相比，ATES的初始投資成本相對較高，但系統(tǒng)的回報周期更短；其初投資主要與鉆井、完井和潛水泵參數(shù)有關，運行成本包括：系統(tǒng)維護、監(jiān)測、用電成本等；影響單位產熱投資成本的參數(shù)有：持續(xù)產能周期，滿負荷小時數(shù)，較大流量，進出口溫差等。評估、設計、材料、鉆井、完井、監(jiān)測、集成等技術經驗積累和發(fā)展有助于制定更經濟可靠的方案；統(tǒng)計國外HT-ATES示范實踐，如下表所示。

表1 現(xiàn)有HT-ATES系統(tǒng)

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      國內，2019年中國科學院開展了先導A類戰(zhàn)略性先導專項研究課題“基于消納風電的儲能式地熱供暖關鍵技術研究與示范”，分析了復雜地質與水力條件下儲能式地熱系統(tǒng)的關鍵物理/化學過程機理，明確了影響儲能式地熱供暖系統(tǒng)性能的關鍵因素，開發(fā)了適用于中深層儲能式地熱系統(tǒng)的儲層改造技術，建立了儲能式地熱系統(tǒng)的綜合評價體系，研發(fā)了“源-網-荷-儲”協(xié)同優(yōu)化的新型電熱耦合技術，解決了跨季節(jié)大規(guī)模間歇性風電消納問題，突破了供暖期地熱能穩(wěn)定高效利用關鍵技術，打造了100%可再生能源的“地熱+”多能互補供暖示范，為實現(xiàn)我國北方清潔供暖提供了技術參考。

 結論及展望

     地下含水層儲能（ATES）可以有效克服間歇性可再生能源長期消納和短期供應之間的時間不匹配問題，提供靈活和充足的可持續(xù)能源。LT-ATES技術商業(yè)化較成熟，應用于冷熱供應場景，且由于井身較淺，在地質物理、化學和微生物方面對地下的影響較小；MT-ATES/HT-ATES目前尚處于技術攻關和示范階段，應用于單一供熱場景，一些從早期的試點系統(tǒng)由于技術、經濟原因大多都停止了運行，示范應用十分稀少。歸納既有示范項目和前人研究成果，分析了制約地下含水層儲能商業(yè)推廣技術因素，得出主要結論如下：

（1）運用三維熱輸運地質和水文建模技術，篩選含水層/熱儲，優(yōu)化設備及基礎設施參數(shù)，分析外部潛在免費（或廉價）能源是商業(yè)推廣應用的先決條件。

（2）井體設計構造、設備材料(泵、套管和篩管)選型，高度依賴于儲熱溫度和水/沉積物地球化學性質；儲熱溫度高于50℃時應考慮水處理技術，以防止井筒結垢和堵塞；在線監(jiān)控技術，可以對系統(tǒng)進行運行有效的預測診斷和性能優(yōu)化。

（3）較小的含水層水體系統(tǒng)和較高的儲熱溫度，ATES熱損失更高；基于地熱井產能(及衰減)評估技術，ATES應作為建筑供暖基本負載熱源，能源系統(tǒng)設計較大可用取出溫度范圍越大（截止溫度越低）則ATES系統(tǒng)熱回收效率越高。

與其他儲能技術相比，ATES可以長時間、跨季節(jié)存儲能量，消納融合地面各類間歇性可再生能源；當?shù)孛嬗械瓦呺H成本較低的能源時，如：太陽能、廢熱、棄風/光電等，其經濟性和可靠性更為突出，是一種具有規(guī)模化商業(yè)應用前景的經濟環(huán)保儲能技術；ATES在未來的商業(yè)化應用廣泛適用于為工業(yè)、農業(yè)和建筑物等基礎設施，有助于減少未來能源供應系統(tǒng)在城市空間的碳足跡。

注：原文刊登于2022年5月刊《中國地熱》雜志，作者系中國科學院廣州能源研究所高級工程師、中國技術監(jiān)督情報協(xié)會地熱產業(yè)工作委員會青年委員會委員

標簽: 地熱井