浅谈地下含水层储能应用关键技术研究

引言

    全球变暖引发了从传统化石燃料能源系统向可持续能源系统的全球性转变，为可再生能源利用带来了新的机遇和挑战。此外，为实现我国二氧化碳排放于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和这一目标，需要增加可再生能源在供暖和制冷领域的比例，并解决热能需求和季节性供应之间的时空匹配性问题；为此，2021年11月，国家能源局、科学技术部联合编制了《“十四五”能源领域科技创新规划》，聚焦大规模高比例可再生能源开发利用，提出了“开展高温含水层储能和中深层岩土储能关键技术研究，实现余热废热的地下储能”、“推广含水层储能、岩土储能等跨季节地下储热技术利用”等地下含水层储能技术攻关重点任务。地下含水层储能（ATES），特别是高温含水层储能（HT-ATES），具有储能潜力大，运行成本低，经济环保效益良好等优点，可以有效解决清洁供暖时空不匹配问题，实现大规模间歇性可再生能源消纳，引起了越来越多的学者和行业关注。

技术原理

    ATES供暖的基本原理是：非供暖季，利用地面间歇性可再生清洁能源、余热资源加热冷井水，向热井地下含水层补充热量，转化为稳定的地热能；供暖季，热井中储存的稳定的地下含水层热流体被开采至地面供热站，通过换热设备为建筑物供暖，尾水回灌到同层的冷井中；完成ATES全年储/取热循环，运行过程实现取热不取水。

    根据注入水温的高低，ATES可以分为：低温系统（LT-ATES），注入温度＜30℃，也是较常见的系统；中温系统（MT-ATES），注入温度30-60℃；高温系统（HT-ATES），注入温度＞60℃。当前，全球含水层储能共有超过2.5TWh的能量用于供暖和制冷，其中大部分ATES注入温度＜30℃。

    ATES可以有效克服“源-荷”长期需求和短期供应之间的时间不匹配问题，提供灵活和充足的可持续能源，实现大规模可再生能源消纳。对于地热资源禀赋较差、跨季节储热后采出温度仍然较低的地下含水层，可以根据采出温度，设计安装热泵设备提高热水供水温度，满足建筑末端供暖需求，因地制宜地促进地热能资源经济性利用。

关键技术

  1 评估技术

    性质良好的地质条件和尺度合适的含水层，是建造ATES系统的关键前提；因此，对区域地质条件进行初步审查和潜力评估至关重要。通常，ATES潜力评估表征参数主要有五大方面，即：地质水文参数，水文(地下水)属性，地下水地球化学性质，热力学参数，储层性质等。

   选址研究阶段，地质和水文地球化学动力学三维模拟技术用较高程度的细节来表征地质环境，是预测含水层储能影响效果的重要数据来源和判断依据；城市区域开展ATES工程应用，收集地球物理数据往往十分困难，可以通过前期调研地质资料构建三维地质模型，将其风险较小化。

   可研规划阶段，通常通过现场钻孔抽水试验和水样测试，确定含水层的位置和水质，获得含水层相关的重要水文信息；有助于了解含水层的非均质性。此外，热力–水力–应力–化学(THMC)多场耦合作用过程计算，分析热水注入对储层整体效果的影响，模拟裂隙渗透过程的演化等。

  2 建造技术

   地热井结构设计和建造应尽量减少对地层造成的影响和危害，特别是深部地热井，同时应保护中间含水层免受未来储热活动的影响。为防止坍塌，防止热损和浅层含水层受热，有专家提出：储热温度＞60℃时，应采用玻璃纤维增强环氧树脂或不锈钢管材；温度≤60℃时，可以使用PVC材质的筛管和套管；为了防止不同类型的地下水混合，并确保在设计深度的含水层提取和注入热水，在回填过程中必须严格密封和隔离低渗透层(粘土层、壤土层等)。

    ATES钻井、完井和建造过程，在选择可靠的钻井技术和方法时，需要考虑以下因素：现场岩土样品获取,进入含水层的钻井泥浆量较小，钻井泥浆用量较小；深部地热钻探会遇到许多地质构造的变化，可能会导致如坍塌、设备故障或平衡突变等风险。深层地热钻探过程包括垂直钻井和斜井钻井(倾角一般在25°-45°)，由于钻井过程更加复杂，风险更高，技术要求也更高。

   3 系统集成技术

   3.1 源-荷-储匹配

    ATES可以为短期储热、移峰或跨季节储能提供能量载体，整合工业或太阳能集热器的余热、弃风、光电力等免费(或廉价)热源是商业推广的基本条件；区域供暖中，需要有效匹配建筑负荷侧要求、余热特征、含水层热储特性等“源-荷-储”匹配关系。热回收效率不仅取决于井下的热损失，还取决于热井的较小可用温度，即“截止温度”，相关研究结果表明：储热温度为90℃时，截止温度降低10℃，回收率可以提高10%~15%。

    ATES热回收率对含水层的储水量、储水温度、截止温度和渗透率具有敏感性，研究发现：含水层每季度注水量低于10万m?，储水量对温度和水力传导率的变化十分敏感，热回收效率相对较低；含水层储量规模必须足够大，优先选择＞30万m?热水的ATES系统；为了达到较高的热回收效率，建议设计储热功率＞5MW，小型系统一般在0.1-0.3MW之间，大型系统一般在5-30MW之间。

   

   3.2 监测维护

    工程实践中，ATES系统的实际性能往往会偏离设计值，需要通过在线监控，使其能够达到设计的能源效率范围。当实际热负荷低于设计值时，ATES系统处于部分负荷运行，导致更高的电力消耗和管道热损失；当因建筑物每年不同的供暖/制冷需求而发生显著变化时，需要采取措施恢复平衡，避免抽水井和注水井之间的干扰；根据地下水流速和井内水位变化分析产能趋势，预警潜在风险。

    为了监测含水层的供热量和水质，建议在HT-ATES系统设置单独的监测井；对于温度监测，通过悬挂在监测管中的传感器进行温度测量非常耗时，可以考虑使用玻璃纤维测温技术；可以持续测量整个井深方向，提供更详细的测点温度信息。

  3.3 水处理

     ATES示范工程中，井堵是常见问题。地下局部水文地球化学成分、高浓度的溶解气体、非均质含水层中的细粒物质、粘土膨胀都可能引起注水井堵塞。当储热温度＞60℃时，可能会导致地下水化学成分的变化，有必要对地下水进行化学处理，以防止系统中井、热交换器和管道的矿物沉淀；当储热温度＜60℃时，管道热损将降低，通常很少发生矿物质沉淀，一般不需要进行严格的水处理；储热水与周围(较冷)地下水的密度差较小，使得密度驱动的地下水流动及其热损失也较小。

     高温储热可能会影响含水层系统内的地球化学过程，影响地下水化学性质；根据不同的水处理经验，建议对当地地下水进行现场采样检测，特别是在温度超过50℃时，应考虑进行水处理。

  应用示范

     地下含水层储热关键核心是确定系统设备及部件的较优容量和配置参数，投资成本通常会随着含水层热储容量的增加反而会显著下降。与其他传统的能源系统相比，ATES的初始投资成本相对较高，但系统的回报周期更短；其初投资主要与钻井、完井和潜水泵参数有关，运行成本包括：系统维护、监测、用电成本等；影响单位产热投资成本的参数有：持续产能周期，满负荷小时数，较大流量，进出口温差等。评估、设计、材料、钻井、完井、监测、集成等技术经验积累和发展有助于制定更经济可靠的方案；统计国外HT-ATES示范实践，如下表所示。

表1 现有HT-ATES系统

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      国内，2019年中国科学院开展了先导A类战略性先导专项研究课题“基于消纳风电的储能式地热供暖关键技术研究与示范”，分析了复杂地质与水力条件下储能式地热系统的关键物理/化学过程机理，明确了影响储能式地热供暖系统性能的关键因素，开发了适用于中深层储能式地热系统的储层改造技术，建立了储能式地热系统的综合评价体系，研发了“源-网-荷-储”协同优化的新型电热耦合技术，解决了跨季节大规模间歇性风电消纳问题，突破了供暖期地热能稳定高效利用关键技术，打造了100%可再生能源的“地热+”多能互补供暖示范，为实现我国北方清洁供暖提供了技术参考。

 结论及展望

     地下含水层储能（ATES）可以有效克服间歇性可再生能源长期消纳和短期供应之间的时间不匹配问题，提供灵活和充足的可持续能源。LT-ATES技术商业化较成熟，应用于冷热供应场景，且由于井身较浅，在地质物理、化学和微生物方面对地下的影响较小；MT-ATES/HT-ATES目前尚处于技术攻关和示范阶段，应用于单一供热场景，一些从早期的试点系统由于技术、经济原因大多都停止了运行，示范应用十分稀少。归纳既有示范项目和前人研究成果，分析了制约地下含水层储能商业推广技术因素，得出主要结论如下：

（1）运用三维热输运地质和水文建模技术，筛选含水层/热储，优化设备及基础设施参数，分析外部潜在免费（或廉价）能源是商业推广应用的先决条件。

（2）井体设计构造、设备材料(泵、套管和筛管)选型，高度依赖于储热温度和水/沉积物地球化学性质；储热温度高于50℃时应考虑水处理技术，以防止井筒结垢和堵塞；在线监控技术，可以对系统进行运行有效的预测诊断和性能优化。

（3）较小的含水层水体系统和较高的储热温度，ATES热损失更高；基于地热井产能(及衰减)评估技术，ATES应作为建筑供暖基本负载热源，能源系统设计较大可用取出温度范围越大（截止温度越低）则ATES系统热回收效率越高。

与其他储能技术相比，ATES可以长时间、跨季节存储能量，消纳融合地面各类间歇性可再生能源；当地面有低边际成本较低的能源时，如：太阳能、废热、弃风/光电等，其经济性和可靠性更为突出，是一种具有规模化商业应用前景的经济环保储能技术；ATES在未来的商业化应用广泛适用于为工业、农业和建筑物等基础设施，有助于减少未来能源供应系统在城市空间的碳足迹。

注：原文刊登于2022年5月刊《中国地热》杂志，作者系中国科学院广州能源研究所高级工程师、中国技术监督情报协会地热产业工作委员会青年委员会委员

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