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编者按 国家能源局、科学技术部联合编制的《“十四五”能源领域科技创新规划》，提出“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。中深层高温地下含水层储能系统与生俱来储能潜力大、运行成本低、稳定安全、经济环保等优点，引起了越来越多的学者和行业关注。 中国科学院开展的先导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，突破了供暖期地热能稳定高效利用关键技术，提出了100%可再生能源的“地热+”多能互补供暖方案，为我国中深层高温地下含水层储能技术发展提供了参考方向。 ■叶灿滔 什么是地下含水层储能（ATES）？ ATES是一种利用地下含水层作为介质，将地面间歇性能源，如风能、太阳能、余热等，以稳定的热能形式存储于地下水体中的清洁储能系统。ATES利用地下水井从含水层中开采和回灌地下水实现热能储存和回收，通常用于建筑物季节性供暖：夏季，利用地面间歇性可再生能源、余热资源等能源加热冷井水，向热井地下含水层补充热量，转化为稳定的地热能；冬季，热井中储存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；全年储/取热循环“取热不取水”，实现供暖过程零碳排放。 ATES可以弥补建筑取暖能源供需在时间、空间上分布的不平衡，能够消纳多种地面间歇性清洁能源形式，减少对化石燃料的依赖，为节能减排提供了一种经济可靠的解决途径。 根据含水层所处深度，ATES系统分为：浅层含水层储能，深度在500m以浅；中深层含水层储能，深度在500m以深。根据储热温度的高低，ATES系统可分为：低温系统（LT-ATES），注入温度＜30℃；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应用关键技术 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，潜力评估技术至关重要。  ATES跨季节储能供暖原理 叶灿滔/供图 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。研究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，预测含水层储能影响效果。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。热力—水力—应力—化学（THMC）多场耦合技术，模拟裂隙渗透过程的演化等，可以有效分析热水注入对储层整体效果的影响。 地热井结构设计、施工，是前期建造关键核心技术，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，降低热损失和浅层含水层受热，中深层HT-ATES应采用隔热保温性能较好的管材，并确保同层回灌，在回填过程中必须严格密封和隔离低渗透层；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，钻井过程更加复杂，风险更高，技术要求也更高。 井堵是ATES工程中的常见问题，水处理是后期可持续运行关键技术。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、黏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；HT-ATES系统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，应对当地地下水进行现场采样检测，特别是在注入温度超过50℃时，应考虑进行水处理。 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”关系。ATES系统热回收率对含水层的储水量、储水温度、井间距和渗透率具有敏感性。研究发现，含水层储量规模优先选择＞30万m3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。 ATES技术应用展望 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；当地面有边际成本较低的能源时，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也较为广泛，可适用于为工业、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。 但与此同时，中深层HT-ATES系统目前还是一项新兴的技术，国际上针对该技术的工程实践多为试验性质或示范工程，国内在深层含水层储热系统的应用方面还是空白。针对该技术的相关理论研究仍不成熟，技术在发展过程中还存在一些瓶颈问题需要攻克与突破，因此对该技术还需要投入更多更深入的研究。 为实现碳达峰碳中和，电能是很重要的低碳行动载体，而新型电力系统主要使用的是清洁能源，是实现“双碳”目标的关键。通过构建新型电力系统，与消纳可再生能源的地下含水层储能技术相结合，可以真正实现节能减排，同时也是区域低碳综合能源系统的关键核心技术，将成为未来储能产业的研究热点和发展趋势。 （作者单位：中国科学院广州能源研究所） 本文原载于《中国建材报》7月11日12版 责编：丁涛 校对：和新龙 监审：韩凤凤 |
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