淺談地下含水層儲能應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

2022-06-05 08:19:06 xtlxzt 18875725353

淺談地下含水層儲能應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

引言

全球變暖引發(fā)了從傳統(tǒng)化石燃料能源系統(tǒng)向可持續(xù)能源系統(tǒng)的全球性轉(zhuǎn)變，為可再生能源利用帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。此外，為實現(xiàn)我國二氧化碳排放于2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和這一目標(biāo)，需要增加可再生能源在供暖和制冷領(lǐng)域的比例，并解決熱能需求和季節(jié)性供應(yīng)之間的時空匹配性問題；為此，2021年11月，國家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合編制了《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，聚焦大規(guī)模高比例可再生能源開發(fā)利用，提出了“開展高溫含水層儲能和中深層巖土儲能關(guān)鍵技術(shù)研究，實現(xiàn)余熱廢熱的地下儲能”、“推廣含水層儲能、巖土儲能等跨季節(jié)地下儲熱技術(shù)利用”等地下含水層儲能技術(shù)攻關(guān)重點任務(wù)。地下含水層儲能（ATES），特別是高溫含水層儲能（HT-ATES），具有儲能潛力大，運行成本低，經(jīng)濟環(huán)保效益良好等優(yōu)點，可以有效解決清潔供暖時空不匹配問題，實現(xiàn)大規(guī)模間歇性可再生能源消納，引起了越來越多的學(xué)者和行業(yè)關(guān)注。

技術(shù)原理

ATES供暖的基本原理是：非供暖季，利用地面間歇性可再生清潔能源、余熱資源加熱冷井水，向熱井地下含水層補充熱量，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的地?zé)崮?；供暖季，熱井中儲存的穩(wěn)定的地下含水層熱流體被開采至地面供熱站，通過換熱設(shè)備為建筑物供暖，尾水回灌到同層的冷井中；完成ATES全年儲/取熱循環(huán)，運行過程實現(xiàn)取熱不取水。

根據(jù)注入水溫的高低，ATES可以分為：低溫系統(tǒng)（LT-ATES），注入溫度＜30℃，也是較常見的系統(tǒng)；中溫系統(tǒng)（MT-ATES），注入溫度30-60℃；高溫系統(tǒng)（HT-ATES），注入溫度＞60℃。當(dāng)前，全球含水層儲能共有超過2.5TWh的能量用于供暖和制冷，其中大部分ATES注入溫度＜30℃。

ATES可以有效克服“源-荷”長期需求和短期供應(yīng)之間的時間不匹配問題，提供靈活和充足的可持續(xù)能源，實現(xiàn)大規(guī)模可再生能源消納。對于地?zé)豳Y源稟賦較差、跨季節(jié)儲熱后采出溫度仍然較低的地下含水層，可以根據(jù)采出溫度，設(shè)計安裝熱泵設(shè)備提高熱水供水溫度，滿足建筑末端供暖需求，因地制宜地促進地?zé)崮苜Y源經(jīng)濟性利用。

關(guān)鍵技術(shù)

1 評估技術(shù)

性質(zhì)良好的地質(zhì)條件和尺度合適的含水層，是建造ATES系統(tǒng)的關(guān)鍵前提；因此，對區(qū)域地質(zhì)條件進行初步審查和潛力評估至關(guān)重要。通常，ATES潛力評估表征參數(shù)主要有五大方面，即：地質(zhì)水文參數(shù)，水文(地下水)屬性，地下水地球化學(xué)性質(zhì)，熱力學(xué)參數(shù)，儲層性質(zhì)等。

選址研究階段，地質(zhì)和水文地球化學(xué)動力學(xué)三維模擬技術(shù)用較高程度的細節(jié)來表征地質(zhì)環(huán)境，是預(yù)測含水層儲能影響效果的重要數(shù)據(jù)來源和判斷依據(jù)；城市區(qū)域開展ATES工程應(yīng)用，收集地球物理數(shù)據(jù)往往十分困難，可以通過前期調(diào)研地質(zhì)資料構(gòu)建三維地質(zhì)模型，將其風(fēng)險較小化。

可研規(guī)劃階段，通常通過現(xiàn)場鉆孔抽水試驗和水樣測試，確定含水層的位置和水質(zhì)，獲得含水層相關(guān)的重要水文信息；有助于了解含水層的非均質(zhì)性。此外，熱力–水力–應(yīng)力–化學(xué)(THMC)多場耦合作用過程計算，分析熱水注入對儲層整體效果的影響，模擬裂隙滲透過程的演化等。

2 建造技術(shù)

地?zé)峋?/a>結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造應(yīng)盡量減少對地層造成的影響和危害，特別是深部地?zé)峋?，同時應(yīng)保護中間含水層免受未來儲熱活動的影響。為防止坍塌，防止熱損和淺層含水層受熱，有專家提出：儲熱溫度＞60℃時，應(yīng)采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂或不銹鋼管材；溫度≤60℃時，可以使用PVC材質(zhì)的篩管和套管；為了防止不同類型的地下水混合，并確保在設(shè)計深度的含水層提取和注入熱水，在回填過程中必須嚴格密封和隔離低滲透層(粘土層、壤土層等)。

ATES鉆井、完井和建造過程，在選擇可靠的鉆井技術(shù)和方法時，需要考慮以下因素：現(xiàn)場巖土樣品獲取,進入含水層的鉆井泥漿量較小，鉆井泥漿用量較??；深部地?zé)徙@探會遇到許多地質(zhì)構(gòu)造的變化，可能會導(dǎo)致如坍塌、設(shè)備故障或平衡突變等風(fēng)險。深層地?zé)徙@探過程包括垂直鉆井和斜井鉆井(傾角一般在25°-45°)，由于鉆井過程更加復(fù)雜，風(fēng)險更高，技術(shù)要求也更高。

3 系統(tǒng)集成技術(shù)

3.1 源-荷-儲匹配

ATES可以為短期儲熱、移峰或跨季節(jié)儲能提供能量載體，整合工業(yè)或太陽能集熱器的余熱、棄風(fēng)、光電力等免費(或廉價)熱源是商業(yè)推廣的基本條件；區(qū)域供暖中，需要有效匹配建筑負荷側(cè)要求、余熱特征、含水層熱儲特性等“源-荷-儲”匹配關(guān)系。熱回收效率不僅取決于井下的熱損失，還取決于熱井的較小可用溫度，即“截止溫度”，相關(guān)研究結(jié)果表明：儲熱溫度為90℃時，截止溫度降低10℃，回收率可以提高10%~15%。

ATES熱回收率對含水層的儲水量、儲水溫度、截止溫度和滲透率具有敏感性，研究發(fā)現(xiàn)：含水層每季度注水量低于10萬m?，儲水量對溫度和水力傳導(dǎo)率的變化十分敏感，熱回收效率相對較低；含水層儲量規(guī)模必須足夠大，優(yōu)先選擇＞30萬m?熱水的ATES系統(tǒng)；為了達到較高的熱回收效率，建議設(shè)計儲熱功率＞5MW，小型系統(tǒng)一般在0.1-0.3MW之間，大型系統(tǒng)一般在5-30MW之間。

3.2 監(jiān)測維護

工程實踐中，ATES系統(tǒng)的實際性能往往會偏離設(shè)計值，需要通過在線監(jiān)控，使其能夠達到設(shè)計的能源效率范圍。當(dāng)實際熱負荷低于設(shè)計值時，ATES系統(tǒng)處于部分負荷運行，導(dǎo)致更高的電力消耗和管道熱損失；當(dāng)因建筑物每年不同的供暖/制冷需求而發(fā)生顯著變化時，需要采取措施恢復(fù)平衡，避免抽水井和注水井之間的干擾；根據(jù)地下水流速和井內(nèi)水位變化分析產(chǎn)能趨勢，預(yù)警潛在風(fēng)險。

為了監(jiān)測含水層的供熱量和水質(zhì)，建議在HT-ATES系統(tǒng)設(shè)置單獨的監(jiān)測井；對于溫度監(jiān)測，通過懸掛在監(jiān)測管中的傳感器進行溫度測量非常耗時，可以考慮使用玻璃纖維測溫技術(shù)；可以持續(xù)測量整個井深方向，提供更詳細的測點溫度信息。

3.3 水處理

ATES示范工程中，井堵是常見問題。地下局部水文地球化學(xué)成分、高濃度的溶解氣體、非均質(zhì)含水層中的細粒物質(zhì)、粘土膨脹都可能引起注水井堵塞。當(dāng)儲熱溫度＞60℃時，可能會導(dǎo)致地下水化學(xué)成分的變化，有必要對地下水進行化學(xué)處理，以防止系統(tǒng)中井、熱交換器和管道的礦物沉淀；當(dāng)儲熱溫度＜60℃時，管道熱損將降低，通常很少發(fā)生礦物質(zhì)沉淀，一般不需要進行嚴格的水處理；儲熱水與周圍(較冷)地下水的密度差較小，使得密度驅(qū)動的地下水流動及其熱損失也較小。