從理論模型研究邁入技術(shù)研發(fā)和工程示范階段

我國深層含水層地下儲熱研究取得新進(jìn)展

——訪中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所龐忠和研究員

為加強(qiáng)多種可再生能源綜合利用，將不穩(wěn)定的風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地?zé)崮?，形成基于“地?zé)?”多能互補(bǔ)模式的研究，目前以中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的國家戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目---深層含水層地下儲熱技術(shù)研究已從理論模型研究進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)和工程示范階段。

今年年初，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所黃永輝博士、龐忠和教授等共同撰寫的論文《深層含水層地下儲熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》發(fā)表，獲得了業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。文章介紹了中科院深層含水層地下儲熱技術(shù)研究進(jìn)展的情況以及該團(tuán)隊(duì)提出的地下儲熱相關(guān)設(shè)想及展望。

“深層含水層地下儲熱技術(shù)研究”課題研究的背景和意義是什么？這項(xiàng)技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)是什么？深層含水層儲熱技術(shù)發(fā)展?jié)摿笆袌銮熬叭绾危烤痛耍兜卦礋岜谩酚浾卟稍L了龐忠和教授。

基于“地?zé)?”多能互補(bǔ)模式研究

——由淺層含水層儲熱向深層含水層儲熱拓展

含水層儲熱是一種利用地下含水層作為介質(zhì)將熱能存儲于地下含水層中的儲能系統(tǒng)。它通過地下水井從含水層中抽取和灌入地下水實(shí)現(xiàn)熱能儲存和開采利用。根據(jù)含水層所處深度，可將含水層儲能系統(tǒng)分為兩大類：一類是淺層含水層儲能,含水層深度在500米以淺,存儲熱水溫度一般低于50℃；另一類是深層含水層儲能,含水層深度通常在500米以深,存儲熱水溫度一般為50~150 ℃。

資料顯示，我國在利用淺層地下含水層進(jìn)行儲熱方面的實(shí)踐開展得較早。如20世紀(jì)60年代，上海為了控制工業(yè)上過度抽取地下水所引起的地面沉降,進(jìn)行了地下水的人工補(bǔ)給,同時(shí)開展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲熱技術(shù)。

基于淺層含水層的儲熱方式具有成本低的優(yōu)勢,但因其工作溫度較低、規(guī)模較小,儲熱能力有限, 且有污染地下飲用水的潛在風(fēng)險(xiǎn)。近年來，世界范圍內(nèi)開始嘗試替代方法,即基于深層含水層的高溫儲熱模式。

龐忠和說，從全世界范圍來看，目前各國做的以淺層含水層儲熱工程居多，深層含水層儲能都是剛剛起步。截至2017年,全世界范圍內(nèi)已建成2800多組淺層含水層儲熱系統(tǒng)，其中我國有6處已建成并投入使用。

目前，我國在含水層儲能技術(shù)上的研究和實(shí)踐多局限于淺層，隨著需求的擴(kuò)大，以中科院團(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的深層含水層地下儲熱研究項(xiàng)目已啟動(dòng)，其深度將達(dá)到500米或者1000米深左右?！拔覀冞@個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃是四年時(shí)間，今年是第二年，前兩年做技術(shù)研發(fā)，后兩年做示范工程?！饼嬛液驼f。

開展深層含水層地下儲熱研究的意義在于，一方面為了補(bǔ)充中深層含水層的目的，實(shí)現(xiàn)中深層地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用；另外一方面可以彌補(bǔ)能源供需在時(shí)間/空間分布的不平衡，能夠綜合利用多種可再生能源形式，將不穩(wěn)定的能源如風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地?zé)崮?，形成基于“地?zé)?”的多能互補(bǔ)模式。

解析深層含水層儲熱技術(shù)研究奧秘

——地下儲能涉及能源技術(shù)與地球科學(xué)相結(jié)合

龐忠和教授介紹，深層含水層地下儲熱技術(shù)研究是介于地球科學(xué)與能源科學(xué)技術(shù)之間交叉的一個(gè)研究方向，而目前在能源科學(xué)技術(shù)里最突出的技術(shù)瓶頸是儲能技術(shù)。他舉例說，比較典型的就是電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車最大的問題是續(xù)航。“為什么有的車可以跑四五百公里，而有的車只能跑一兩百公里？根本的差距就在于電池，電池儲能的能力決定了電動(dòng)汽車的續(xù)航能力?！?/span>

在一次能源領(lǐng)域里，比如石油、天然氣諸如這些能源是需要儲備的。同樣在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，糧食也需要儲存。他說，一般的能源儲備大家在地面上能夠看得到，而地下儲存則是另外一種選擇方式。那么，地下儲能就涉及到能源科學(xué)技術(shù)與地球科學(xué)相結(jié)合的研究。

龐忠和形象的向記者介紹了地下石油儲存的方法。他談到，首先在地下尋找鹽穴，然后打鉆，注入水把食鹽融化后形成一個(gè)空洞，而這個(gè)空洞就是地下的儲存空間，然后把石油放到空洞里，等需要的時(shí)候再把它抽取出來，這樣就很好的對石油進(jìn)行地下儲存。

德國北部擁有世界上最大的鹽穴式的地下油庫，根據(jù)龐忠和的描述，其厚度可以達(dá)到3000米，用打鉆的方式，打到1500米后注水，然后融化成了一個(gè)大洞，等到這個(gè)空間夠用了，就不需要再注水，然后處理好抽干。這時(shí)把油放進(jìn)去，可以儲存大量的石油。

“德國從世界各地出口石油的國家把油買回來，然后放在儲存庫里，之后進(jìn)行加工再轉(zhuǎn)運(yùn)，送到煉油廠供下游利用。這有點(diǎn)兒像地下的一個(gè)能源物流基地?！饼嬛液驼f，地下儲熱是把熱能量存到地下含水層中，相當(dāng)于地?zé)崴_采的一個(gè)反向過程，也就是地?zé)峄毓唷?/span>

熱儲場地選擇技術(shù)和井儲優(yōu)化技術(shù)研究是開展“深層含水層地下儲熱”的主要關(guān)鍵技術(shù)。龐忠和說，要找一個(gè)合適的場地，實(shí)際上最后要落實(shí)到一個(gè)合適的儲層，也就是用哪個(gè)含水層來儲存熱量。他舉例說，尋找合適的場地就如同地?zé)峥碧揭粯?，需要搜集?xiàng)目所在地的水文地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù),了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造、含水層分布情況、水質(zhì)等方面的信息，以此更好的評價(jià)可以儲存多少熱能。

“同時(shí)還要選擇確定哪個(gè)儲存的什么部位，采取什么樣的儲存方式比較合適，這就需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)之上，評估如何讓其存儲的能量更大，并使其存儲的成本低、效率高、安全可靠，這是我們主要研究解決的難點(diǎn)。”龐忠和說。

“深層含水層地下儲熱基本的方式是把熱水注到鉆井里，然后需要的時(shí)候能夠抽取出來?！彼榻B，這里面有一個(gè)儲存改造的問題，如果儲存不夠好，那么如何擴(kuò)大其儲存能力來提高儲層的孔隙率、滲透性。另外，在注水抽水的過程中如何能夠保障流體循環(huán)順暢的進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢和堵塞等問題，這也是需要研究的。

而深層含水層地下儲熱核心的問題則是要解決系統(tǒng)如何高效的運(yùn)行，龐忠和向記者舉例說，假如把100噸的熱水存進(jìn)去，能抽出來80噸或者90噸，或者是以熱量計(jì)算，放進(jìn)去一份熱量，最終能夠拿出多少熱量，這是一個(gè)效率的考核指標(biāo)。經(jīng)過分析研究，影響深層含水層儲能系統(tǒng)的儲能效率的關(guān)鍵參數(shù)包括水文地質(zhì)參數(shù)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)以及背景參數(shù)。

我國深層含水層儲熱研究獲新進(jìn)展

——地下儲能已從理論研究邁入技術(shù)研發(fā)階段

深層含水層儲熱技術(shù)具有儲熱容量大、儲熱效率高、造價(jià)低等優(yōu)勢,是一種較為理想的大規(guī)?？缂竟?jié)儲能方式?！芭c淺層含水層儲能相比，深層含水層儲能系統(tǒng)較為安全，具有空間大、環(huán)境溫度比較高、保溫性能比較好優(yōu)勢，同時(shí)可以利用原地的地?zé)豳Y源，原有的能量結(jié)合起來用，這個(gè)優(yōu)勢是顯著的?！?/span>

目前國外深層含水層儲能工程應(yīng)用比價(jià)少，主要集中在歐洲。龐忠和告訴記者，他曾參觀歐洲的一些創(chuàng)新性國家如瑞士、德國，這些國家在開展深層含水層儲熱方面的研究工作?！叭鹗吭谧鲆粋€(gè)500米左右的砂巖層的儲熱項(xiàng)目。德國有一個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行十余年了，目前這個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行的情況比較好。”

關(guān)于我國深層含水層儲能研究進(jìn)展情況，龐忠和介紹，目前以中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的深層含水層地下儲熱技術(shù)研究已從理論模型研究進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)階段?！澳壳斑@個(gè)項(xiàng)目的理論模型基本有了，現(xiàn)處于技術(shù)研發(fā)階段，技術(shù)研發(fā)的著力點(diǎn)是提高其效率，保證儲存順暢運(yùn)行?！饼嬛液驼f。

“目前中科院團(tuán)隊(duì)已做了一些初步的研究，這為前期的技術(shù)研發(fā)工作做了一些很好的鋪墊?！彼硎?，現(xiàn)在可以開展實(shí)際的項(xiàng)目，針對當(dāng)?shù)氐木唧w條件來做一套設(shè)計(jì)和相應(yīng)的方案，通過不斷的調(diào)試和優(yōu)化，來提高其效率，這是該項(xiàng)目不斷放大規(guī)模的一個(gè)嘗試。

龐忠和介紹，深層含水層儲熱主要應(yīng)用在已經(jīng)開采的地?zé)崽镏?，例如像雄安新區(qū)地?zé)崽锬壳伴_采的很好，水位下降不大，最初的水位是每年下降八米，而現(xiàn)在每年下降一兩米，其主要的原因是回灌，在雄安新區(qū)特別是雄縣地?zé)犴?xiàng)目達(dá)到了接近于100%的回灌，含水層水位下降得到了控制。

不科學(xué)的開采地?zé)崽锿鶗?huì)導(dǎo)致地下水位下降外，還存在溫度下降的問題。龐忠和解釋說，這個(gè)是一個(gè)熱平衡的問題，“你的開采量不能超過含水層熱量的補(bǔ)充，那么在你開采量不大的時(shí)候能夠掌握，比如雄縣，我們持續(xù)觀測了四五年，目前沒有發(fā)現(xiàn)特別明顯降溫的現(xiàn)象，但是隨著地?zé)衢_采量的擴(kuò)大和開采時(shí)間的延長，將來在雄安新區(qū)整個(gè)范圍內(nèi)地?zé)嵝枨罅繒?huì)不斷的增加，到那個(gè)時(shí)候可能就會(huì)出現(xiàn)供應(yīng)不上的問題，那么這時(shí)就需要對它進(jìn)行能量補(bǔ)充，能量補(bǔ)充能夠擴(kuò)大其供暖的能力。”

通過控制好地下水位及溫度，使得地?zé)崽锬軌蛘嬲龑?shí)現(xiàn)長期、可持續(xù)開發(fā)利用，這是一種需求。而另外一種需求便是更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，龐忠和介紹，在地?zé)豳Y源條件不是很好的地方，比如溫度不太高只有40度，為達(dá)到良好的供暖效果，這時(shí)可以人為的補(bǔ)充熱量，使其溫度能夠達(dá)到50度或者60度，那么最終就能夠開發(fā)利用。而對于地下儲層條件不太好的情況，可以進(jìn)行人工的改造和優(yōu)化，進(jìn)而能夠擴(kuò)大地?zé)衢_發(fā)利用的范圍。

龐忠和談到，深層含水層儲熱技術(shù)研究可以很好的解決含水層怎么注進(jìn)去，怎樣抽出來，以及如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的循環(huán)等相關(guān)問題。在他看來，這些技術(shù)問題的攻克，對于現(xiàn)有地?zé)衢_采技術(shù)，會(huì)起到推動(dòng)提升的作用。“比如將地表水向含水層中注入，需要滿足怎樣的條件，才能使得水循環(huán)能夠保持穩(wěn)定，而且還不破壞儲層，這些是需要研究的，而最終研究出來的技術(shù)可以運(yùn)用到普通的地?zé)衢_發(fā)項(xiàng)目中?！?/span>

深層含水層儲熱市場應(yīng)用前景廣闊

——將不穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地?zé)崮?/strong>

對于我國深層含水層儲熱發(fā)展?jié)摿笆袌鰬?yīng)用前景龐忠和教授充滿信心?！艾F(xiàn)在已有的儲能系統(tǒng)都是短時(shí)間，幾個(gè)小時(shí)或者一兩天，而深層熱儲是可以跨季節(jié)的。”他舉例說，在夏天可以把豐富熱量儲存下去，到了冬天再把熱量開采出來利用。這是可以跨季節(jié)的進(jìn)行熱量的儲存和利用。

關(guān)于可再生能源多能互補(bǔ)應(yīng)用，我國地?zé)犷I(lǐng)域已做了探索嘗試。龐忠和介紹，地?zé)崮芘c太陽能結(jié)合在西藏羊易電站得到了應(yīng)用，“16兆瓦的地?zé)犭娬九赃厸]多遠(yuǎn)就有兩個(gè)各30兆瓦的太陽能光伏發(fā)電站。地?zé)崮芎吞柲芸梢砸黄鸢l(fā)力為電網(wǎng)做貢獻(xiàn)，這是一種并聯(lián)的多能互補(bǔ)的方式”。

龐忠和介紹，除了地?zé)崮芘c太陽能結(jié)合外，還有一種多能互補(bǔ)方式——太陽能和風(fēng)能的結(jié)合利用。太陽能、風(fēng)能是非穩(wěn)定的清潔能源，受氣候的影響比較大，它們只能在陽光明媚或刮風(fēng)的時(shí)候發(fā)電。如何解決這種能源利用不連續(xù)的問題，最好的出路就是找一個(gè)“倉庫”把它儲存起來，“多的時(shí)候我存起來，少的時(shí)候或者沒有的時(shí)候我可以拿出來用，而地下儲熱就提供了這樣的一個(gè)便利條件”。

采訪期間，龐忠和還談到了加大工業(yè)余熱的利用。他舉例說，燃煤鍋爐所產(chǎn)生的余熱量巨大，燃煤鍋爐產(chǎn)生的余熱可以存在含水層里面。

“等到地下儲熱這套技術(shù)做成之后，我們就可以接受其他不同能源所提供的能量，把它存儲起來?！饼嬛液屯嘎?，目前他們團(tuán)隊(duì)在張家口結(jié)合冬奧會(huì)正在做一個(gè)小規(guī)模的“地?zé)崮?風(fēng)能”多能互補(bǔ)示范工程。他希望能有更多的合作伙伴來共同推動(dòng)這一方面的技術(shù)應(yīng)用示范，盡快地形成一套完備的技術(shù)，將來能夠在更大的范圍內(nèi)使用。

深層含水層儲熱技術(shù)既能結(jié)合其他多種能源形式實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ),也可作為區(qū)域地?zé)豳Y源的必要補(bǔ)充和增強(qiáng)。龐忠和認(rèn)為，“在未來清潔供暖需求日益增長、可再生能源占比越來越大的背景下，深層含水層儲熱系統(tǒng)作為一種有著良好研發(fā)基礎(chǔ)的儲熱技術(shù)將發(fā)揮更大的作用?！?/span>

責(zé)編：dhl