揭開地下儲(chǔ)能的"面紗"

地下儲(chǔ)能又被稱為深部地下儲(chǔ)能或深地儲(chǔ)能，是指利用深部鹽穴、采空區(qū)、廢棄礦坑等深部地下空間，將石油、天然氣、氫氣及二氧化碳等能源或能源物質(zhì)儲(chǔ)存在深部地層中。利用深部地下空間進(jìn)行大規(guī)模能源儲(chǔ)備是國際能源儲(chǔ)備的主要方式，對(duì)確保國家能源安全、戰(zhàn)略物資安全及“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等具有重要意義。

“深地儲(chǔ)能是未來能源儲(chǔ)備發(fā)展的重要方向，是解決傳統(tǒng)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備、天然氣調(diào)峰保安、可再生能源持續(xù)供給和未來氫能大規(guī)模高效利用的必由之路。”近日，香山科學(xué)會(huì)議第748次學(xué)術(shù)討論會(huì)在京召開，會(huì)議執(zhí)行主席、中國工程院院士、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究員楊春和在會(huì)上表示，“大力發(fā)展深地儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)中國碳中和和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵。”

在此次香山科學(xué)會(huì)議上，多位院士、專家、學(xué)者聚焦地下儲(chǔ)能領(lǐng)域的核心難點(diǎn)，梳理深部地下空間能源儲(chǔ)備擬重點(diǎn)解決的核心科學(xué)問題和重大技術(shù)瓶頸，形成了相應(yīng)的技術(shù)路線圖，為未來地下儲(chǔ)能的工業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

地下儲(chǔ)能究竟是什么？為何要推動(dòng)地下儲(chǔ)能工業(yè)化發(fā)展？地下儲(chǔ)能的技術(shù)難點(diǎn)又有哪些？

揭開地下儲(chǔ)能的“面紗”

會(huì)議執(zhí)行主席、中國工程院院士、山東大學(xué)校長(zhǎng)李術(shù)才介紹，地下儲(chǔ)能又被稱為深部地下儲(chǔ)能或深地儲(chǔ)能，是指利用深部鹽穴、采空區(qū)、廢棄礦坑等深部地下空間，將石油、天然氣、氫氣及二氧化碳等能源或能源物質(zhì)儲(chǔ)存在深部地層中。

利用深部地下空間進(jìn)行大規(guī)模能源儲(chǔ)備是國際能源儲(chǔ)備的主要方式，對(duì)確保國家能源安全、戰(zhàn)略物資安全及“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等具有重要意義。

以石油為例，目前的石油儲(chǔ)存方式主要包括地面儲(chǔ)罐、鹽穴和硬巖洞儲(chǔ)存，其中利用鹽穴進(jìn)行原油儲(chǔ)存是世界上許多國家采取的主要方式。

楊春和介紹，在美國的多個(gè)始建于20世紀(jì)七八十年代的石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫中，共有鹽穴60余口、石油儲(chǔ)存能力超過7億桶。這些石油儲(chǔ)存量不僅保證了美國的能源安全，也奠定了美國在國際油價(jià)定價(jià)中的主導(dǎo)地位。

德國的儲(chǔ)備油品主要包括原油、汽油、柴油、重油等，其中原油主要儲(chǔ)存在地下鹽穴中。德國的石油儲(chǔ)備庫除了作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫使用以外，還會(huì)根據(jù)國際市場(chǎng)油價(jià)的變化，利用剩余庫容為客戶提供儲(chǔ)存服務(wù)。而法國早在1925年就以法律形式建立了石油儲(chǔ)備制度，法國的石油儲(chǔ)備庫由1個(gè)地下鹽穴庫和遍布全國的地上儲(chǔ)油庫組成。

為何各國地下儲(chǔ)能都選擇了鹽穴？鹽巖具有物性穩(wěn)定、滲透率低、損傷自修復(fù)、易溶于水和分布廣等特征，是大規(guī)模能源儲(chǔ)備的理想地質(zhì)體。利用鹽巖地層儲(chǔ)能是今后我國實(shí)施大規(guī)模能源儲(chǔ)備的優(yōu)先發(fā)展方向。

我國鹽礦地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，因此首先選擇在地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單和優(yōu)越的江蘇金壇鹽礦開展鹽穴儲(chǔ)庫建設(shè)，立足自主研發(fā)，克服難溶夾層和地質(zhì)非均質(zhì)性等困難，突破了一系列技術(shù)瓶頸，獲得了巨大的成功，初步構(gòu)建了我國鹽穴儲(chǔ)庫首個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了我國鹽穴建庫的“金壇模式”。該模式對(duì)鹽穴儲(chǔ)庫場(chǎng)址建設(shè)、造腔目的層優(yōu)選、造腔方式及注氣排鹵工藝改進(jìn)等提供了重要借鑒和工程示范。

地下是儲(chǔ)能的理想場(chǎng)所

為什么要將能源“藏”在地下？是地面設(shè)備無法滿足能源的儲(chǔ)備需求了嗎？事實(shí)上，地下儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，恰好在于“地下”二字。

當(dāng)然，要理解地下儲(chǔ)能的必要性與重要性，必須先了解我國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)與能源儲(chǔ)存現(xiàn)狀。

自2017年起，我國推動(dòng)能源系統(tǒng)低碳改革的政策力度逐漸加大，已初步形成了煤炭、電力、石油、天然氣、新能源全面發(fā)展的供給體系。近年來，煤炭作為我國能源消費(fèi)的主體地位保持不變，但其在能源消費(fèi)的占比呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢(shì)。以天然氣和非化石能源構(gòu)成的清潔能源占比增加顯著，由2015年的17.9%增加到2022年的25.9%。其中，風(fēng)能、光能、地?zé)岬确腔茉凑急葟?015年的11%增加到2022年的17.5%。

楊春和表示，加快非化石清潔能源的利用，是全球能源發(fā)展的大趨勢(shì)，也是我國能源發(fā)展的優(yōu)先方向。然而，由于風(fēng)能和太陽能等具有典型的地域性且不能連續(xù)穩(wěn)定供給，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一定的挑戰(zhàn)，制約著可再生清潔能源的快速發(fā)展。多年來，我國一直存在棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。

如何提高可再生能源的利用效率，把棄掉的電能儲(chǔ)存起來？為此，科學(xué)家想了許多辦法，包括抽水蓄能、壓氣蓄能、液流電池儲(chǔ)能等。然而，無論是壓氣蓄能還是液流電池儲(chǔ)能，都需要較大的儲(chǔ)存空間，具有體積大、可承受高壓等優(yōu)點(diǎn)的深部地下空間就成了儲(chǔ)能的理想場(chǎng)所。

目前，國外已有利用深部鹽礦采空區(qū)開展液流電池儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道，為利用液流電池進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)能提供了思路。

當(dāng)然，對(duì)于氫能、石油、天然氣等能源的儲(chǔ)存需求，廣闊的深部地下也是“來者不拒”。

楊春和介紹，氫能是解決能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，具有來源廣、熱值高、無污染、應(yīng)用場(chǎng)景豐富等優(yōu)點(diǎn)。氫氣的分子量相比于天然氣更小，這意味著氫氣的存儲(chǔ)需要更多的空間且存儲(chǔ)空間需具有更好的密封性。因此，深部地下鹽穴為大規(guī)模氫能儲(chǔ)備提供了良好的環(huán)境。

另外，利用深部地下空間存儲(chǔ)石油能夠規(guī)避經(jīng)濟(jì)性差、安全性低、占地面積大等利用地面儲(chǔ)罐儲(chǔ)油的缺點(diǎn)，進(jìn)一步保障石油的安全供給；加快地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)也能夠保證長(zhǎng)輸管道天然氣平穩(wěn)供給，避免大規(guī)模“氣荒”的發(fā)生。

以技術(shù)創(chuàng)新破解儲(chǔ)能難題

地下儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)明顯，因此推進(jìn)地下儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新就變得十分重要。

多年來，我國在深部地下空間儲(chǔ)能方面已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，并積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但在儲(chǔ)能庫選址、建庫、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)上仍有一些問題待解。例如，深地儲(chǔ)能介質(zhì)與圍巖體多尺度相互作用機(jī)理不清楚、深地儲(chǔ)能庫滲漏災(zāi)變時(shí)空演化機(jī)理不明確、深地儲(chǔ)能庫長(zhǎng)期穩(wěn)定性及庫群相互作用機(jī)理有待開展有針對(duì)性的研究、低滲圍巖體多尺度滲透性測(cè)試技術(shù)亟待發(fā)展等。

楊春和補(bǔ)充說，要利用中國層狀鹽巖進(jìn)行大規(guī)模能源儲(chǔ)備，亟須解決低滲介質(zhì)多場(chǎng)耦合條件下多尺度漸進(jìn)破壞、儲(chǔ)能庫滲漏災(zāi)變和長(zhǎng)期功能劣化等關(guān)鍵理論研究難點(diǎn)；同時(shí)，需要開展層狀鹽巖多尺度滲透率測(cè)試、儲(chǔ)能庫智能建造、長(zhǎng)期功能保障等系列關(guān)鍵技術(shù)研究，為我國實(shí)施大規(guī)模能源儲(chǔ)備提供理論和技術(shù)保障。

本次香山科學(xué)會(huì)議中，中國工程院院士李陽、中國工程院院士孫煥泉、中國工程院院士趙文智和中國工程院院士李根生以及其他與會(huì)專家針對(duì)儲(chǔ)能庫建設(shè)、安全運(yùn)維、二氧化碳地質(zhì)封存關(guān)鍵技術(shù)等問題發(fā)表了意見和建議，梳理了現(xiàn)存問題與挑戰(zhàn)，并提出了具有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，共同繪制了地下儲(chǔ)能技術(shù)路線圖。問題與挑戰(zhàn)，并提出了具有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，共同繪制了地下儲(chǔ)能技術(shù)路線圖。

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