地下储能技术研究现状及发展

张媛媛，叶灿滔，龚宇烈*，马玖辰，黄永辉，赵军，庞忠和

（1.中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州510640；2.天津城建大学能源与安全工程学院，天津300384；3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029；4.天津大学机械工程学院，天津300350）

0 引言

全球变暖引发了从基于化石燃料的能源系统向可持续能源系统的全球性转变，为可再生能源带来了新的机遇和挑战［1-2］。为了实现二氧化碳排放于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不匹配的问题［3］。热能储存（TES）因其可以有效解决这种季节性不匹配问题而引起越来越多的关注［4］。我国储能产业战略布局始于2005年发布的《可再生能源发展指导目录》，在2011 年储能被写入“十二五”规划纲要，并在2017 年发布首个指导性政策《关于促进储能产业与技术发展的指导意见》，指出未来10 年内分2 个阶段推进相关工作：第1 阶段实现储能由研发示范向商业化初期过渡；第2 阶段实现商业化初期向规模化发展转变。

在储能产业规模化发展的关键时期，地下储能因其高储存效率和高储存容量［5-6］等优点，是长期热能存储的首选。

地下储能分为含水层储能（ATES）和钻孔式储能（BTES）。其中地下ATES 的存储容量最高，成本较低，当冷热平衡系统所需冷量和热量均为1 000 MW·h 时，假定发电效率为35%，且由矿物燃料发电，ATES 系统与常规储能系统相比可节能4 700 GJ［7］，因此最适合大规模应用。地下ATES应用起源于我国1965 年上海地下水人工回灌工程，利用“冬灌夏用”为主、“夏灌冬用”为辅的季节性储能为纺织厂调温和调湿［3，8］。随后的几年里，地下ATES 系统的应用数量逐渐增加。然而由于含水层流体污染、井配置不当、管道腐蚀堵塞等问题，导致ATES系统不可持续利用而停止运行。

从20 世纪80 年代开始，荷兰和瑞典经过工程可行性论证，并分析了水文地质和热力学参数对存储效率的影响进而对系统进行优化，使得地下ATES 技术得到了工程应用［9-10］。地下ATES 根据地下深度不同，分为浅层（<500 m）和中深层（≥500 m）含水层。目前的应用主要集中于浅层ATES，全球有2 800 多个该系统在运行，以荷兰的应用最为广泛［3，11］。

2018 年中国科学院开展战略性先导科技专项（A 类）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；研究基于不同灌注水体和精细灌注工艺的灌注技术方案，开发了适用于中深层储能式地热系统的储层改造技术，提高增产效率，突破砂岩低回灌的技术瓶颈，建立储能式地热系统的综合评价体系；研究基于“源网荷储”协同优化的新一代电热耦合技术，突破将不稳定的风电转换为稳定的地热输出的关键技术；打造基于100%可再生能源的储/供能“地热+”多能互补供暖系统，为实现中国北方清洁供暖提供有力技术保障。

本文主要综述了地下储能方式及其原理，分析了地下ATES 系统的理论、试验研究、应用情况及其关键技术和瓶颈问题，对比了地下ATES 系统热工性能和经济环保效益评价标准，并在此基础上展望了地下ATES的未来，为后续的应用研究提供参考。

1 地下储能方式及其工作原理

1.1 ATES

地下岩层中有透水层和隔水层之分，透水层中充满可自由流动的重力水，称为含水层。ATES 将地下水作为外部热/冷源和含水层之间的传热介质。地下水具有恒定的温度，与当地的年平均温度有关。在冬季，低品位的冷量储存在含水层的冷侧，同时将热量从暖侧抽走，夏季则相反，进而通过热交换器将热量或冷量从地下水回路传递给用户。工作原理如图1所示。

图1 ATES工作原理示意［12］Fig.1 ATES working principle［12］

根据距离地表深度不同，处于近地表含水层为潜水含水层，处于地下深处含水层为承压含水层。承压含水层的水温几乎不受外界因素的影响，是一个恒温带。只有处于一定深度的承压含水层才能被用于储能，因此承压含水层又分为浅层承压含水层和深层承压含水层。含水层特点和区别见表1［13-14］。有研究发现，ATES 系统能效高于地下水源热泵，供冷性能系数（COP）比地下水源热泵提高了2.00～4.00 倍，供热COP 提高了1.25 倍左右［15］。可以看出，深层承压含水层具有更高的储热温度和较低的成本，未来发展潜力较大。根据储能方式不同，ATES 有单井、对井和多井3种储能系统，各自的储能特点见表2［16］。当井相对位置适中时，对井内冷、热流体可在同层或异层含水层中被隔开，从而减少自然对流引起的热损失，也节省了成本，是近年来研究的热点。

表1 潜水含水层和承压含水层特点及区别Tab.1 Characteristics and differences between unconfined aquifer and confined aquifer

表2 不同储能方式的特点Tab.2 Characteristics of different thermal energy storage methods

1.2 钻孔式储能

当没有合适的含水层时，BTES不受地质条件限制，可以作为使用岩层进行能量储存的替代系统。在BTES 系统中，钻孔在地下充当换热器。地埋管有单U 管、双U 管和套管。最常见的是由聚乙烯塑料（PE）管制成的单个U 型管。通过钻孔使流体在封闭回路中循环，从而为地下输送或提取热量或冷量。流体通常添加防冻剂，以保持系统在冰点以下运行［16］。与ATES 系统一样，室内与钻孔的冷热交换是通过系统中的热交换器完成的。BTES 地埋管换热器井群耦合的储能系统示意如图2所示［17］。由于岩层的储热能力低于水，因此一定量的热量需要更大的储热容积。

图2 BTES地埋管换热器井群耦合的储能系统示意Fig.2 Energy storage system coupled with well clusters of BTES heat exchangers

1.3 跨季节地下储能系统特点

跨季节地下储能系统能有效解决可再生能源供热系统在时间、空间、强度等方面的间歇性和不稳定性，可将夏季低品位热量转移到冬季，冬季低品位冷量转移到夏季，提高可再生能源利用效率。研究显示，短期储能系统能量利用率只有10%～20%，而跨季节地下储能系统可达50%～100%［18-19］。ATES和BTES优缺点对比见表3。

表3 ATES和BTES优缺点对比Tab.3 Advantages and disadvantages of ATES and BTES

随着跨季节地下储能技术研究的不断完善，综合利用多种跨季节储能系统提高储能效率成为近年来的发展趋势。文献［20］阐述了4种跨季节地下储热系统（热水储热、砾石-水储热、钻孔式储热和含水层储热）及其工作原理，如图3所示。分析了全球跨季节储能的最新技术，并预测了该技术的发展趋势，结果证明跨季节地下储能系统具有显著的经济、社会和环境效益。

图3 4种跨季节地下储能系统及其工作原理Fig.3 Working principles of four seasonal underground thermal energy storage systems

2 地下含水层储能理论研究

2.1 数值模拟研究

国内外针对ATES 系统换热的数值模拟进行了广泛而深入的研究，具体见表4。

表4 国内外ATES系统数值模拟研究Tab.4 Numerical simulation studies on ATES systems at home and abroad

针对ATES 温度场数值模拟研究的模型多样性，计算方法也有所不同。从这些研究中可以归纳出以下几点。

（1）ATES 换热模型采用局部热平衡模型，忽略水-岩热交换，换热方式多采用导热、自然对流、热弥散等。

（2）对于深层ATES需考虑温度梯度的影响。

（3）通常将隔水层物性参数看作常数。

（4）含水层的结构性质大多数假设为各向均值、同性，一定限度上降低了模型精确度。

2.2 试验研究

国际上对于地下含水层试验研究可以追溯到1973 年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的高温地下岩体资源开采试验，使用水压致裂法向地下3 000～5 000 m 基岩中注水，获得了200～325 ℃的超高温热水［31］。

随后的几十年里，国内外开始对ATES 系统开展大量相关试验研究，表5 列举了国内外比较典型的ATES系统试验研究。

表5 国内外ATES系统试验研究Tab.5 Test researches on ATES systems at home and abroad

ATES 试验研究不断完善，既在实际应用的基础上解决问题又探索在各种因素下可能出现的问题，根据现有研究可以得到以下几点结论。

（1）保证试验中含水层良好的渗透性，较大的含水层厚度可以储存更多能量。

（2）含水层上下的隔水层渗透性要足够低且具有较好的保温性以减少能量损失。

（3）大部分研究集中于室内含水层砂箱试验系统，逐渐从单井试验扩大到井群。

（4）承压ATES 与太阳能、风能等其他可再生能源形成的多能互补耦合试验研究较少。

3 地下ATES关键技术及应用

3.1 储能式综合能源技术应用

目前全球ATES 共有超过2.5 TW·h 的能量用于供暖和制冷。然而，其中99%地下储能系统的含水层温度低于25 ℃，即近地表ATES 系统［3］。根据不同TES 禀赋，应用于多种冷、热、电综合能源供应场景的情况见表6［3，43-53］。由表6 可知，与其他地下储能相比，深层承压ATES 的工程应用很少，多为试验示范项目研究，该技术理论研究仍存在不足，需要进一步深入研究并攻克其瓶颈问题［54］。

表6 储能式综合能源技术应用实例Tab.6 Applications of comprehensive energy system integrated energy storage

3.2 关键技术及瓶颈

通过上述文献调研发现，我国地下ATES 作为一种新的可再生能源开发技术，和国外先进水平相比仍存在差距，需要将理论研究和实践相结合。

目前地下储能关键技术及瓶颈主要有以下几方面。

（1）提高ATES 热利用效率：通过ATES 强化技术如压裂、选址等。

（2）地热+多能耦合技术：由于浅层含水层受地面影响较大，如何更好地解决浅层冷热平衡问题仍需研究；中深层含水层热量利用为递减趋势，如何对中深层含水层跨季节补热等问题，将成为“地热+”多能耦合技术研究的重点。

（3）地热能多元化高效利用技术：目前地热能多用于供暖和空调，而在中低温发电、制冷、能量梯级利用等方面应用较少，需要进一步提高地热能多元化利用技术。

（4）回灌技术：目前仍然存在由于井堵塞导致地下水不能有效回灌，能效降低，严重时引起地面沉降的问题，亟须在保证足量水源和良好水质条件下完善回灌技术。

（5）其他防护措施：提升井下防腐、防垢和除垢技术避免管道堵塞。

4 地下ATES性能评价

4.1 热工性能评价

热工性能主要有以下3种分析方法。

4.1.1 瑞利数（Rayleigh Number）分析法［54］

瑞利数是一种无量纲数，根据临界值衡量热量传递形式是热传导为主还是对流传热为主，方程式为

式中：α，ρ，g，h，caq，kaq，ΔT，µ和λaq分别为水的热膨胀系数、密度、重力加速度、含水层厚度、含水层体积热容、含水层渗透系数、注入水和环境的温差、水动力学黏度和含水层导热系数。

文献［55-56］研究发现，当Ra 的临界值Rac≥4π2时，如果Ra

4.1.2 热干扰分析法［57］

通常将含水层中的储水量近似为圆柱体，高度等于含水层厚度，其热干扰半径则随着注入含水层的水量增加而增大。假设地下水和含水层沉积物之间存在瞬时热平衡，则热干扰半径为

式中：cw为水的体积热容；Rh为水力半径；n 为孔隙率。从式（2）可知，当cw，caq和n 为定值时，热干扰半径与水力半径呈线性关系，这是由于热传递发生在所有方向，而水仅从井中径向流动造成。

4.1.3 热回收效率分析法［58］

热回收效率ηth是指从含水层中提取的能量与注入的能量的比值，所使用的参考温度为含水层未受干扰时的温度，方程为

式中：qVext和qVinj分别为提取和注入的水的体积流量；T0为含水层的初始温度；Text和Tinj分别为提取和注入的水温度；textststart和textend分别为提取水的开始和结束时间；tinjstart和tinjend分别为注入水的开始和结束时间。

热回收效率和热干扰半径与地下水流速之间的关系如图4 所示。当TES 半径和流速比值较小（Rth/u<2）时，热损失较大，热回收效率低；当TES 半径和流速比值较大（Rth/u>4）时，热传导占主导，热回收效率基本稳定；当TES 半径和流速比值满足2

图4 热回收效率和热干扰半径与地下水流速之间的关系［59］Fig.4 Relationship between heat recovery efficiency and heat disturbance radius or groundwater velocity［59］

4.2 经济环保效益评价

在对ATES 系统进行经济性评价时，以获取高热量为目标，热回收效率和热量为首要因素，投资成本、维修费用等为次要因素［60］。在环保效益方面，将二氧化碳排放作为最低评估标准。具体评价指标和费用计算见表7。

表7 ATES经济环保效益费用计算Tab.7 Economic costs and environmental protection benefits of the ATES system

然而，在实际工程中需要同时考虑热工性能和经济环保效益。文献［61］提出了一种根据指标权重不同，基于理想点多指标决策原理的逼近理想点（TOPSIS）法，计算公式为

式中：Ci为第i 个方案最接近最优解的程度；n 为评价指标数量；xij为标准化后的评价指标；为极大值；为极小值；wj为权重。

文献［29］利用该综合效益评价方法对ATES 系统进行评价，分别获得了以能量获取和环境效益为标准时的最佳设计方案，并假定当获取热量3.5 MJ时，ATES 系统用电量比传统空调减少了50%，二氧化碳排放减少50%，总费用节省原系统的1/3。由此可见，ATES系统具有很好的经济和环保效益。

5 结论和展望

本文通过分析地下ATES 系统的理论和工程研究进展，以及在实际工程应用中的关键技术和瓶颈，根据地下ATES 系统热工性能和经济环保效益评价标准，发现地下ATES 的理论和工程研究逐渐由浅层向深层发展，挖掘深层含水层更多的应用潜力，如发电、制冷等。主要结论如下。

（1）地下ATES 具有技术优势，环保效益较为显著，逐渐从浅层向深层研究发展。

（2）在理论研究方面，仍需完善数值模型，如考虑地面环境、复杂的含水层结构等因素；改进试验方法，如与太阳能、风能等其他可再生能源形成多能互补耦合。

（3）由于投资成本高，经济效益不突出，需要突破和攻克技术瓶颈以增加实际工程数量。

（4）未来研究将集中在地下高温含水层TES 强化方面，如提高中深层含水层回灌技术、对中深层含水层进行跨季节补热的多能耦合储能，以及用于中低温发电、能量梯级利用等多元化高效利用。

为实现碳达峰、碳中和目标，电能作为重要的低碳行动载体，而新型电力系统主要使用的是新能源，是实现“双碳”目标的关键。通过构建新型电力系统，与利用可再生能源的地下ATES 技术相结合，可以真正实现节能减排，同时是电储能与其他储能方式相结合的关键技术之一，这将成为未来储能产业的研究热点和发展趋势。