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）

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）

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。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。

压缩空气；储能；孔隙介质；咸水含水层

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。

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 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]。

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：

（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。

（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：

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。

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。

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5.6×105m3，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]。

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。

2 使用含水层作为CAES 系统地下储层

2.1 使用含水层进行压缩空气储能的可行性

目前运行的压缩空气储能电站均采用洞穴来储气，如Huntorf和Mcintosh电站的压缩空气储层都建在地下洞穴中。使用含水层作为压缩空气储层尚未在实际中得到应用，但自1915年开始利用孔隙储层（如地下含水层等）储存天然气技术已经得到实施，目前在天然气储存工业中，超过95%的天然气被储存在孔隙储层中，天然气储存技术已得到充分的发展。尽管天然气和空气在物理及化学特性方面存在差异且二者的储存周期也不同，利用孔隙储层存储天然气的一些技术及经验仍可以直接用于利用含水层储存压缩空气中。另外，1980年美国能源部曾开展过一个广泛的CAES研究计划，该研究计划在美国伊利诺伊州的匹兹菲尔德（Pittsfield）开展了向某含水层注入和抽提空气的试验来验证利用含水层进行压缩空气储能的可行性。试验结果确认了之前的预想，即空气注入到含水层中可形成一个大的气囊，并且可以以一定速率再将空气抽出来以利用已储存的能量，如果选址和操作适当可避免含水层中抽气时因井附近的压力降低而造成的水面抬升情况。一般而言，对于含水层CAES系统，紧接储层之上的盖层岩层必须是基本不渗透的，岩层厚度要足够厚且毛细突破压也要足够大，以防止空气从储层中渗漏，而储层的渗透性和孔隙度要好，如图2所示。

判断某一地区地质结构是否适合压缩空气储能需要从渗透率、孔隙度及盖层特性等方面来考虑（见表 1）。表中VR/VS表示含水层储层中可用孔隙的总体积与 CAES系统正常运行所需的储层体积之比，h/H表示充分发展的气泡厚度与储层的厚度之比。

图2 含水储层示意图[14]Fig. 2 The schematic diagram of the aquifer reservoir

表1 含水层压缩空气储能的储层及盖层特性[15]Table 1 Properties of the reservoir and caprock for aquifer CAES

2.2 使用咸水含水层作为CAES系统储层的优点

地下含水层中淡水层作为可开采的人类饮用及农业灌溉的重要水源，其储量有限，从经济性上考虑并不适合作为CAES储层，而矿化度很高的地下卤水又是制盐业等工业领域中重要的原料，同样也不适合。地下咸水层通常位于淡水层下方，其矿化度介于淡水层与卤水层的含盐量之间，既不适合民用供水和农业利用，也达不到地下卤水液体矿矿化度要求，无法在工业中得到利用[16]。因此，若选择当今技术、经济条件下不可利用的深部咸水含水层作为CAES储层，不仅有利于地下水资源的合理利用，还具有以下几点主要优势：

（1）分布广泛且含水层密集的地区一般风能资源也较为丰富，比如在美国风力 ≥ 4级的地区同时也多为存在地下含水层地质结构的地区。

（2）占地面积小。若采用含水层CAES系统储存风能并以基本负荷进行供能，当含水层储层厚度为 10 m时所需的占地面积仅为同样功率条件下风电厂的14%。

（3）储能时间长，开发成本低。压缩空气储能的储存时间一般为数十小时，同抽水蓄能及其他各类蓄能方式相比，压缩空气的储能成本最低，如表2所示，在各类压缩空气储能中，使用含水层等孔隙储层的成本又低于其他储层的成本，使用人工盐岩溶腔CAES系统的成本为（6～10）美元/(kW·h)，而使用含水层CAES系统的成本为2～7 美元/kW·h（见表 3）。另外，当需要额外增加系统的储能容量时使用含水层作为压缩空气储层也具有极大的成本优势，其成本约为0.11 美元/(kW·h)[5]21，若使用洞穴作为压缩空气储层，当增大储能容量时所需成本为2 美元/(kW·h)[5]18，远高于含水层储层的成本。

（4）储能规模大。一般为100 MW～1 000 MW，同PHS的级别相当。

表2 各类储能方式的成本比较[17,18,19]Table 2 The cost of different energy storage systems

表3 含水层储层CAES系统的开发成本[5]43Table 3 Development Costs for Aquifer CAES

2.3 使用地下含水层作为CAES系统储层所面临的问题及技术措施

2.3.1 储层内残余碳氢化合物的影响

当使用一些废弃的油气矿藏来进行压缩空气储能时，其中所残余的一些碳氢化合物会使储层的渗透率降低并可在储层中形成一些腐蚀性物质，另外由于注入的气体为高压空气，一旦与天然气等碳氢化合物混合可能会发生燃烧甚至爆炸。桑迪亚国家实验室曾对一个废弃的天然气储层进行了一项数值模拟，在初始阶段，该储层中的主要成分为水和天然气，其中残余天然气量为20%。模拟表明，当向储层中注入 N2时会在储层中产生气泡，随着井附近压力的增加，气泡体积也不断增加，当气泡最终达到预期体积时储层内所含的天然气会被推挤到气泡的边界处而几乎不与 N2发生混合，在储层进行抽气-注气循环时对抽出的气体成分进行分析，发现天然气的最高含量约为1%[20]，低于天然气的爆炸下限（5%）。因此，使用废弃的油气矿藏进行压缩空气储能是完全可行的。而采用咸水含水层则不存在这个问题。

2.3.2 储层内氧化作用的影响

压缩空气中的O2会与孔隙储层中的硫化物（如黄铁矿，主要成分为FeS2）发生氧化反应，反应方程式如下[5]54：

该类反应会导致压缩空气中的 O2含量减少进而可能会影响到燃气轮机的燃烧效率，但匹兹菲尔德的实验研究表明，O2的减少量只有在被长期储存时才能被发现，短期储存时O2的减少量可以忽略。

O2与 FeS2还可发生另一种氧化反应生成一种胶状的铁的氢氧化物。反应方程式如下：

这一类反应会使黄铁矿的体积扩大5倍，从而造成储层的渗透率大大减少，而且会产生对盖层不利的膨胀应力。

储层中的氧化反应还会形成石膏（CaSO4·2H2O），石膏的沉积会减少储层的孔隙度进而影响CAES系统的性能[21]。

若储层为洞穴，为减小氧化反应所造成的不利影响,可以对注入的空气进行除湿处理以减缓氧化反应速度，但对于含水层CAES系统而言，该方法并不适用，因此在选择储层位置时应避免含硫量高的地区。

2.3.3 储层内腐蚀作用的影响

CAES系统运行时的主要问题是井管与注入的胶状物的腐蚀问题。系统腐蚀的主要类型有生物（细菌）腐蚀、电流腐蚀、锈蚀、机械疲劳腐蚀及磨损腐蚀等。由于注入的为高温高压空气，这会加快腐蚀的速度，特别是当空气中的含水量很高时[5]54-55。

对于机械疲劳与磨损腐蚀可通过适当选择材料加以解决，对于电化学腐蚀可通过对管道涂层、衬里加以缓解。CAES储层内的环境非常适合硫杆菌生存，这类细菌会氧化硫化物并生成硫酸来腐蚀井管与注入的胶状物，储层内的其他浮游类微生物还有可能影响到储层的渗透率，为防止这些现象的发生，可在发现相应的细菌后注入生物灭杀剂以减少细菌数量。阿美石油公司曾通过对一个油-水混合的油田中的细菌数量进行监测，以便在细菌数量异常时及时通过注入杀菌剂的方法来控制腐蚀程度[22]。此外，由于地下咸水层无法被人类直接利用，因此在注入杀菌剂后可不必考虑地下水的污染问题。因此我国未来的CAES技术可重点放在利用含水层储层上面，重点解决关于含水层CAES的一些细节问题并充分研究其效率和遇到的挑战。

2.3.4 储层内颗粒的影响

在抽气阶段，井内气流流速很大，若井口附近存在颗粒，将会随着气流被抽出井外进入燃气轮机中进而对燃气轮机的叶片造成损害。颗粒的来源主要有两种，一是储层中的矿石分解形成颗粒，二是高温高压的空气导致土层脱水不稳并产生颗粒。较大的颗粒可以设置滤网进行阻拦，对于微小的颗粒使用滤网进行阻拦成本过高，通过向储层内注入SiO2溶液可以有效防止颗粒的产生且不会对储层的渗透率造成严重的不利影响，该方法已在天然气储存中得到广泛使用[15]。

2.3.5 使用CO2作为缓冲气

CAES系统在工作时所储存的空气中仅有一小部分气体（工作气）被抽取来用于同燃气混合燃烧，很大一部分气体仍被保存在储层里未被抽出，这些气体仅用于在抽气时提供压力支持，因此被称为缓冲气。为了减少温室效应的影响，可以考虑使用CO2作为缓冲气，CAES系统利用CO2作为缓冲气还具有另外一个优势：由于CO2具有很大的压缩性，这意味着当储层内压力处于临界压力附近时，使用CO2作为缓冲气比使用空气作为缓冲气能储存更多的能量。使用CO2作为缓冲气最大的问题是如何充分利用CO2巨大的压缩性并有效防止CO2与空气混合后被抽出井外。通过数值模拟表明：当CO2与空气的接触边界距离井的位置很近时CO2的压缩性可以得到充分应用，但在这种情况下CO2与空气均具有很高的运动速度导致二者很容易混合后一并被抽出井外，因此，为防止CO2被抽出，使用CO2作为缓冲气的最佳方式是使其与空气的交界面位于井的远处以使二者之间的混合过程变得缓慢[23]。

2.3.6 其他技术方法

CAES系统运行时储层中空气会与周围的岩石发生导热造成部分能量损失，为减少这部分损失，可适当降低注气温度，同时应注意温度降低会造成冷却成本的增加[24]。在含水层CAES系统中为防止储层中的水被抽出井外，在运行过程中井底的位置应与储层中气-水界面保持一定的距离。

3 结 论

CAES作为一项有效、可靠的储能技术具有许多优点，它可以同风能发电、太阳能发电等可再生能源发电技术耦合，使这些不稳定的能源转变成可以稳定输出的电能供用户使用，对可再生能源的大规模利用具有重要意义。目前限制我国CAES技术推广的主要因素之一是：缺少大容量的天然盐岩溶腔。有关专家在湖北、青海、内蒙古、甘肃等地进行过地质调查，暂时没有找到合适的天然洞穴。如果考虑采用含水层孔隙储层，这一限制因素就不复存在。因此我国未来的CAES技术可重点放在利用含水层储层上面，重点解决关于含水层CAES的一些细节问题并充分研究其效率和遇到的挑战。美国劳伦斯伯克利实验室的一项研究表明，采用孔隙介质储存压缩空气是完全可行的，储能效率也十分理想[4]。我国西北地区的风能资源丰富，但适合建造抽水蓄能电站的地区很少，若采用CAES与风电系统耦合会极大提高风电的利用效率。CAES技术目前已受到越来越多的关注，相较于在储能方式中占主导地位的抽水蓄能仍具有很多明显的优势，可以预见，在未来的储能方式中，CAES的比例将会得到显著提高。

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Compressed Air Energy Storage Using Saline Aquifer as Storage Reservior

HU Xian-xian, ZHANG Ke-ni, GUO Chao-bin
(Tongji University, Shanghai 201804, China)

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.

compressed air; energy storage; porous media; saline aquifer

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.05.011

2095-560X（2014）05-0390-07

胡贤贤（1990-），男，硕士，主要从事多相流体数值模拟研究。

2014-04-10

2014-06-03

上海市科委资助项目（13dz1203103）

† 通信作者：张可霓，E-mail：keniz@tongji.edu.cn

张可霓（1964-），男，博士，教授，主要从事地下水多相流数值模拟等相关研究。

郭朝斌（1989-），男，硕士，主要从事多相流体数值模拟研究。