压缩空气地下咸水含水层储能技术_胡贤贤

保持一致。比如在用电低谷时段往往是风力机出力 最大的时段，发电量与用电量无法保持一致。因此 借助储能装置来抑制风电等系统的波动性，使其变 得“可控、可调”是充分利用可再生能源的关键[1]。
另外，随着经济的发展，由于国民经济结构变 化、人民生活水平的提高、民用和商业用电比重上 升等原因使得用电峰谷差越来越大[2]，调峰问题已 成为电网运行中的主要问题，部分电网已出现拉闸 限电的局面，这在一定程度上也推动了储能技术的 发展。合适的蓄能方式可以对电网进行削峰填谷， 保障电网的平稳运行。
1 CAES 电站简介
1.1 CAES 电站的工作原理
压缩空气储能电站的工作原理如图 1 所示。 CAES 电站整个运行过程分两部分，即储能和 发电两步[7]。在用电低谷时，系统处于储能阶段，此 时从火电厂及风电厂等发出的多余电量用于驱动压 缩机将空气压缩至储气装置中；而在用电高峰时， 系统处于发电阶段，此时储存在储气装置中的压缩 空气被释放出来进入燃烧室中参与燃烧以驱动燃气 轮机发电。由于在发电过程中不再需要消耗额外的 功以驱动空气压缩机来产生压缩空气，相较于传统
* 收稿日期：2014-04-10
修订日期：2014-06-03
基金项目：上海市科委资助项目（13dz1203103）
† 通信作者：张可霓，E-mail：keniz@tongji.edu.cn
第5期
胡贤贤等：压缩空气地下咸水含水层储能技术
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目前存在的主要储能方式包括抽水蓄能 （Pumped Hydro Storage, PHS）、压缩空气蓄能、天然 气蓄能、液流电池蓄能、燃料电池蓄能、飞轮蓄能、 超级电容蓄能等[3]，在所有的储能方式中能够以发 电厂的发电功率级别（一般为数百 MW 级别）连续 数小时供能的方式只有 PHS 和 CAES，各类蓄能总 量中，PHS 大约占 99%[4]，CAES 占 0.5%，其他储 能方式占 0.5%。但建造抽水蓄能电站需要有充沛的 水源及较大的水位落差，受地理条件的影响很大， 很多地区并不具备建造抽水蓄能电站的条件。CAES 作为第二大储能方式同 PHS 相比，在投资费用上 并不比它高，储能效率相差也不大，因而发展空间 巨大。目前适宜进行压缩空气储能的地下空洞主 要有盐岩溶腔、硬岩洞、孔隙储层（如地下含水层 等）[5]17 以及废弃矿道等。目前已经运行的 CAES 电站都是采用洞穴作为储层，其气密性好，最为合 适。但合适的洞穴受到地理条件的限制，可以用于 建造 CAES 系统的洞穴数量有限，如果没有合适的 洞穴而要依靠人工改造或者建造储气罐会使成本大 大增加。同利用洞穴储存压缩空气相比，使用含水 层作为储层，不仅在地质条件上更容易获得，成本 还可以进一步降低，尽管目前关于含水层压缩空气 储能过程中的一些细节问题及其效率和遇到的挑战 仍没有得到充分研究，但随着对风能等可再生能源 利用技术的不断发展，使用含水层作为压缩空气储 层必将受到越来越多的关注。由于良好的地下水资 源的紧缺，地下咸水层的应用对于含水层储能技术 的发展更有意义。另外，根据我国地质的基本情况， 东部经济发达地区地下广泛分布高渗透的含水层， 这对开展含水层储能提供了良好的条件。
1.3 国内外 CAES 电站简介
目前世界上已建成并投入运行的 CAES 电站主 要有两座，分别为德国 290 MW 的 Huntorf 电站和 美国阿拉巴马州 110 MW 的 Mcintosh 电站。这两座 电站在压缩空气储能方面积累了丰富的经验。
Huntorf 电站利用位于地下 600 m 的废弃矿井来 储存压缩空气，功率为 290 MW，该厂每天运行一 个周期，充电时间为 8 h，放电时间为 2 h。
（1）污染物排放量为同容量燃气轮机的 1/3，对 环境的影响较小，有利于环保。
（2）CAES 电站采用的介质为清洁的空气，能够 减小对管道及设备的腐蚀，因而运行维护费用低[9]。
（3）安全和可靠性能高。CAES 电站使用的原 料为空气，不会燃烧，没有爆炸的危险，不会产生 任何有毒有害气体[10]。
（4）热耗率小，缓变率高。CAES 电站通过调 节空气流量来调节输出功率，因而在部分负荷运行 时热利用更充分，热耗率小，美国 Mcintosh 电站的 缓变率为 18 MW/min，可在 6 min 达到满负荷状态。
0前言
随着社会的发展，人类对能源的需求量越来越 大，传统的化石燃料作为非可再生能源随着人类的 不断消耗已经日益减少，同时这些化石燃料燃烧过 程排放出大量的 CO2 等温室气体造成了全球气候变 暖等问题。为缓解能源危机、减少环境污染，人类 开始不断开发诸如太阳能、风能等可再生资源。这 类资源具有储量大、污染少、可再生等优点，但在 利用过程中存在一个关键性问题：这些可再生能源 往往具有很大的波动性且难以与用户能量需求波动
摘 要：能源危机和温室效应促进了可再生能源的利用，储能技术是解决太阳能、风能波动问题的重要手段。压缩
空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）技术是仅次于抽水蓄能的第二大蓄能技术。目前 CAES 多是通过
洞穴实现，其主要缺点是对地质要求较高，合适的洞穴数量有限，为扩大其应用，可使用地下咸水含水层作为储层。
然而，在国外已是相对成熟的压缩空气储能技 术在我国仍颇为陌生，几乎没有产业基础，甚至连 理论研究都很少。我国的空气压缩储能技术起步较 晚，目前尚无实际运行的压缩空气储能站。2007 年
中国科学院工程热物理研究所与英国高瞻公司、利 兹大学等单位共同开发了液化空气储能系统，并成 功运行了一个 2 MW 级的示范系统，该系统解决了 传统 CAES 系统需要大型储气室的问题。2009 年中 国科学院工程热物理研究所首次在国际上提出并研 发了具有完全自主知识产权的超临界压缩空气储能 系统。该技术综合了常规 CAES 系统和液化空气储 能系统的优点，第一个 1.5 MW 的示范系统于 2011 年初开工建设并于 2013 年通过专家组验收。
（5）储能效率高。CAES 电站带有燃气轮机，目 前评价其储能效率的方法主要有两种，分别为：
RT,1
ET
ET NG EF
RT,2
ET
EFNG EM
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新能源进展
第2卷
式中，ET 为燃气轮机所发出的电能，EF 为进入燃气 轮机的天然气的热能，EM 为空气压缩机所消耗的电 能，ηNG 为传统燃气电厂的发电效率[5]39。
当 ηNG 的值取 47.6%时，ηRT,1 的值为 77% ~ 89%，ηRT,2 的值为 66%，而 PHS 的储能效率约为 74%，钒液流电池的储能效率约为 75%[11]，均在 CAES 储能效率范围之内。
但同时，现有的 CAES 电站也存在一些缺点， 如对建设场地的地理条件有特殊要求，需要使用燃 气等。
中图分类号：TK02
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2014.05.011
Compressed Air Energy Storage Using Saline Aquifer as Storage Reservior
HU Xian-xian, ZHANG Ke-ni, GUO Chao-bin
第2卷 第5期 2014 年 10 月
新能源进展
ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY
文章编号：2095-560X（2014）05-0390-07
Vol. 2 No. 5 Oct. 2014
压缩空气地下咸水含水层储能技术*
胡贤贤，张可霓†，郭朝斌
（同济大学，上海 201804）
Mcintosh 电站利用位于地下 450 m、直径 80 m 的岩盐溶腔来储存压缩空气，盐岩具有较好的溶解 性，通过向岩层中注水可将其溶解，再将水抽出地面 后便可形成空腔并最终达到设计的容积[9]。该电站功 率为 110 MW，储存的压缩空气量为 5.6×105 m3，可 供机组运行 26 h。
Huntorf 和 Mcintosh 电站均采用盐岩地层的储 气洞，其主要问题是要防止洞中的盐类物质进入汽 轮机对叶片造成破坏。为此，在距离地表约 80 m 处 设置螺旋状的焊接抽气井管，井管材料为镀膜、衬 里的合成防锈材料[12]。
日本已在 2001 年投入运行了砂川盯压缩空气 储能示范项目，该项目位于北海道的空知郡，输出 功率为 2 MW。由于缺乏盐岩结构的地层，压缩空 气储存在位于地下约 450 m 的废弃煤矿坑中并且在 空洞内壁采用橡胶里衬密封，考虑到该技术较为昂 贵，目前日本正在全力探索采用水封方式建造储气 洞[8]。其机组发电时间为 4 h，压缩空气充气时间为 10 h，空气压力为变压式[13]。
本文介绍了 CAES 电站的工作原理、优缺点及各国的发展现状，并分析了利用地下咸水含水层进行压缩空气储能
的可行性、优点及一些问题与技术方法，如储层内残余烃的影响、氧化与腐蚀作用、颗粒的影响及缓冲气的选择，
表明含水层 CAES 将是拓宽 CAES 应用的重要途径。
关键词：压缩空气；储能；孔隙介质；咸水含水层
(Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: Energy crisis and greenhouse effect have promoted the utilization of renewable energy. Energy storage technology is an indispensable part in solving the fluctuation problem for the utilization of solar energy, wind energy, etc. Compressed air energy storage (CAES) technology is the second large energy storage potential just after the pumped hydro storage technology. At present, reservoirs for the CAES are usually underground caverns which are highly limited by geological conditions. Using saline aquifer as the storage reservoir can extend the utilization of the CAES. Herein, the operation principle, advantages and disadvantages of CAES plant are introduced. The feasibility, problems and the key technologies used in aquifer CAES such as the residual hydrocarbons, oxidation, corrosion, particulates and the choice of cushion gas are discussed. This study concludes that the use of saline aquifer as storage reservoir will be an important way to extend the application of CAES. Key words: compressed air; energy storage; porous media; saline aquifer
的燃气轮机发电厂，可以节省约 1/3 的燃料或使发 电机的功率提升 1 倍以上[8]。
图 1 压缩空气蓄能电站示意图[6] Fig. 1 The schematic diagram of the CAES power plant
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2 CAES 电站的优缺点
同抽水储能电站相比，CAES 电站具有大部分 与其相同的优点，如储能容量大、放电时间长、启 动时间短等。此外，CAES 电站还具有以下优势：