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为什么要把能源“存”在地下?

科技日报实习记者 骆香茹。存

“深度储能是源地未来能源储备发展的重要方向,是存解决传统石油战略储备、天然气峰值调整安全、源地可再生能源持续供应和未来氢能大规模高效利用的存唯一途径。最近,源地香山科学会议第748届学术研讨会在北京举行。存会议执行主席、源地中国工程院院士、存中国科学院武汉岩土力学研究所研究员杨春和在会议上表示:“大力发展深度储能是源地实现中国碳中和能源结构转型升级的关键。”。存

在香山科学会议上,源地许多院士、存专家学者关注地下储能领域的源地核心困难,梳理了核心科学问题和重大技术瓶颈,存形成了相应的技术路线图,为未来地下储能的工业化发展奠定了基础。

什么是地下储能?为什么要促进地下储能产业化?地下储能的技术难点是什么?

揭开地下储能的“面纱”。

会议执行主席、中国工程院院士、山东大学校长李表示,地下储能,又称深地下储能或深地储能,是指利用深盐穴、采空区、废矿等深地下空间,将石油、天然气、氢气、二氧化碳等能源或能源物质储存在深地层。

利用深层地下空间进行大规模能源储备是国际能源储备的主要途径,对确保国家能源安全、战略物资安全和实现“双碳”目标具有重要意义。

以石油为例,目前的石油储存方法主要包括地面储罐、盐洞和硬岩洞,其中盐洞是世界上许多国家采用的主要方法。

杨春和介绍说,在美国建于20世纪70年代和80年代的许多石油战略储备库中,有60多个盐点和7亿多桶石油储存能力。这些石油储量不仅保证了美国的能源安全,也确立了美国在国际油价定价中的主导地位。

德国的储备油主要包括原油、汽油、柴油、重油等,其中原油主要储存在地下盐穴中。除了作为战略储备库使用外,德国石油储备库还将利用剩余库容根据国际市场油价的变化为客户提供储存服务。早在1925年,法国就以法律形式建立了石油储备制度。法国石油储备库由一个地下盐穴库和一个遍布全国的地上储油库组成。

各国地下储能为何选择盐穴?盐岩是大规模能源储备的理想地质体,具有物质稳定、渗透性低、损伤自修复、易溶于水、分布广等特点。盐岩地层储能的利用是我国未来实施大规模能源储备的优先发展方向。

我国盐矿地质储存条件复杂,首先选择江苏金坛盐矿地质条件相对简单、优越,基于自主研发,克服不溶性夹层和地质不均匀性,突破一系列技术瓶颈,取得巨大成功,初步建立了第一个技术标准体系,形成了我国盐穴库的“金坛模式”。该模式为盐穴仓库场地建设、腔目的层优化、腔方法和注气卤化工艺的改进提供了重要的参考和工程示范。

地下是储能的理想场所。

为什么能量要“藏”在地下?地面设备是否不能满足能源储备需求?事实上,地下储能的优势恰好在于“地下”二字。

当然,要了解地下储能的必要性和重要性,首先要了解我国能源结构和储能现状。

自2017年以来,我国推进能源系统低碳改革的政策逐步加强,初步形成了煤炭、电力、石油、天然气、新能源综合发展的供应体系。近年来,煤炭作为我国能源消费的主体地位保持不变,但其在能源消费中的比例呈逐年下降的趋势。由天然气和非化石能源组成的清洁能源比例显著增加,从2015年的17.9%增加到2022年的25.9%。其中,风能、光能、地热等非化石能源的比例从2015年的11%增加到2022年的17.5%。

杨春和表示,加快非化石清洁能源利用是全球能源发展的总体趋势,也是中国能源发展的优先方向。然而,由于风能和太阳能具有典型的区域供应,不能持续稳定,给电网的稳定运行带来了一些挑战,限制了可再生清洁能源的快速发展。多年来,我国一直存在弃风弃光的现象。

如何提高可再生能源的利用效率,储存废弃的电能?为此,科学家们想出了许多方法,包括抽水蓄能、压气蓄能、液流电池蓄能等。然而,压力气储能和液流电池储能都需要更大的储能空间,具有体积大、高压高等优点的深地下空间已成为储能的理想场所。

目前,国外已有关于深盐矿开采区液流电池储能实验的报道,为液流电池的大规模储能提供了思路。

当然,对于氢能、石油、天然气等能源的储存需求,广阔的深层地下也是“来者不拒”。

据杨春和介绍,氢能是解决能源可持续发展的有效途径,具有来源广、热值高、无污染、应用场景丰富等优点。氢的分子量小于天然气,这意味着氢的储存需要更多的空间,储存空间需要更好的密封性。因此,深地下盐穴为大规模氢储备提供了良好的环境。

此外,利用深层地下空间储存石油,可以避免经济差、安全性低、占地面积大的缺点,进一步保证石油的安全供应;加快地下储气库建设,保证长输管道天然气供应稳定,避免大规模“空气短缺”。

通过技术创新解决储能问题。

地下储能具有明显的优势,因此促进地下储能技术创新变得非常重要。

多年来,我国对深层地下空间储能进行了深入研究,积累了丰富的实践经验。然而,在储能库的选址、建设和储存方面仍有一些问题需要解决。例如,深度储能介质与围岩体的多尺度相互作用机制不清楚,深度储能库泄漏灾害的时空进化机制不清楚,需要对深度储能库的长期稳定性和库群的相互作用机制进行有针对性的研究,需要发展低渗围岩体的多尺度渗透性测试技术。

杨春和补充说,要利用我国层状盐岩进行大规模能源储备,需要解决多尺度逐步破坏、储能库泄漏灾害、长期功能劣化等关键理论研究困难;同时,需要开展层状盐岩多尺度渗透试验、智能储能库建设、长期功能保障等一系列关键技术研究,为我国实施大规模能源储备提供理论和技术保障。

在香山科学会议上,中国工程院院士李阳、中国工程院士孙焕泉、中国工程院院士赵文志、中国工程院院士李根生等专家对储能库建设、安全运行维护、二氧化碳地质密封关键技术发表意见和建议,梳理现有问题和挑战,提出有针对性的对策,共同绘制地下储能技术路线图。

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