地下储能技术研究现状及发展

doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.006

华电技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (11): 49-57.doi: 10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.006

地下储能技术研究现状及发展

张媛媛¹(), 叶灿滔¹(), 龚宇烈¹^,^*(), 马玖辰²(), 黄永辉³(), 赵军⁴(), 庞忠和³()

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 300072

收稿日期:2021-08-16 修回日期:2021-09-09 出版日期:2021-11-25
通讯作者: * 龚宇烈（1978—）,男,江西进贤人,研究员,博士生导师,博士,从事地热能利用技术、热泵制冷技术、建筑节能技术等方面的研究（E-mail： gongyl@ms.giec.ac.cn）。
作者简介:张媛媛（1993—）,女,河南商丘人,特别研究助理,博士,从事地下含水层储能研究、多孔介质中流动与传热特性等方面的研究（E-mail： zhangyy@ms.giec.ac.cn）。
叶灿滔（1980—）,男,广东佛山人,高级工程师,硕士,从事近零碳综合能源运筹、地热多能耦合技术等方面的研究（E-mail： yect@ms.giec.ac.cn）。
马玖辰（1980—）,男,天津人,副教授,博士,从事浅层、中深层地热开发研究、暖通空调新技术等方面的研究（E-mail： thermaltju@163.com）。
黄永辉（1989—）,男,江西吉安人,博士,博士后,从事热储工程数值模拟等方面的研究（E-mail： yh.huang@mail.iggcas.ac.cn）。
赵军（1964—）,男,天津人,教授,博士生导师,博士,从事中低温热能高效利用、智慧型综合能源以及近零碳技术中的新理论与新方法等方面的研究（E-mail： zhaojun@tju.edu.cn）。
庞忠和（1961—）,男,江苏盱眙人,研究员,博士生导师,博士,从事地热地质学等方面的研究（E-mail：z. pang@mail.iggcas.ac.cn）。
基金资助:
中国科学院战略性先导科技专项(A类课题XDA21050500);中国科学院科技服务网络计划(STS计划)项目(KFJ-STS-QYZD-2021-02-006);天津市重点研发计划项目(20YFYSGX00020)

Review and prospect of underground thermal energy storage technology

ZHANG Yuanyuan¹(), YE Cantao¹(), GONG Yulie¹^,^*(), MA Jiuchen²(), HUANG Yonghui³(), ZHAO Jun⁴(), PANG Zhonghe³()

1. CAS Guangzhou Institute of Energy Conversion,CAS Key Laboratory of Renewable Energy,Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,Guangzhou 510640,China
2. School of Energy and Safety Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China
3. Institute of Geology and Geophysics,CAS,Beijing 100029,China
4. School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China

Received:2021-08-16 Revised:2021-09-09 Published:2021-11-25

摘要/Abstract

摘要：

为了减缓全球变暖,实现碳达峰、碳中和目标及新能源的高效利用,需以新能源为主体的新型电力系统和储能行业相互协调发展。新型电力系统与地下储能相结合作为关键技术之一,其跨季节地下储能,尤其是地下含水层储能（ATES）,从理论研究转为工程应用成为亟待攻克的难点。综述了地下储能方式及其原理,分析了地下ATES系统在数值模拟试验等方面的研究进展,深刻剖析了在实际工程应用中关键技术和瓶颈问题,进一步对比了地下ATES系统热工性能和经济环保效益评价标准,展望了新型电力系统与地下ATES相结合的未来,为后续的应用研究提供参考。

关键词: 地下储能, 含水层储能, 跨季节, 性能评价, 可再生能源, 碳中和, 供热

Abstract:

In order to mitigate global warming,achieve "emission peaking and carbon neutrality" and utilize new energy resources efficiently,the power system taking new energy as the main part and power storage industry have to develop in coordination.As one of the key technologies for the joint development,the seasonal underground thermal energy storage,especially Aquifer Thermal Energy Storage（ATES）,is difficult to be transformed from theory to engineering cases.Summarizing the methods and principles of underground thermal energy storage,the theoretical research progress of ATES system in numerical simulation and testing are analyzed.Then,the key technologies and bottlenecks in practical engineering cases are deeply analyzed.The evaluation standards for thermal performance,economic and environmental benefit of ATES systems are compared.On this basis,the prospect of the new power system coupled with ATES technology is made,which can provide reference for the following researches.

Key words: underground thermal energy storage, Aquifer Thermal Energy Storage, seasonal, performance evaluation, renewable energy, carbon neutrality, heat supply

中图分类号:

TK52

张媛媛, 叶灿滔, 龚宇烈, 马玖辰, 黄永辉, 赵军, 庞忠和. 地下储能技术研究现状及发展[J]. 华电技术, 2021, 43(11): 49-57.

ZHANG Yuanyuan, YE Cantao, GONG Yulie, MA Jiuchen, HUANG Yonghui, ZHAO Jun, PANG Zhonghe. Review and prospect of underground thermal energy storage technology[J]. Huadian Technology, 2021, 43(11): 49-57.

图/表 11

图1

表1

表2

图2

表3

图3

表4

表5

表6

图4

表7

参考文献 61

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储能方式	井数	冷热流体位置	管路数量	成本
单井	1	同层/异层	少	低
对井	2	同层/异层	较少	较低
多井	>2	同层/异层	多	高

系统	优点	缺点
ATES	（1）换热介质为水,使得换热均匀;（2）夏季不启动热泵,节省成本	（1）对水文地质条件要求高;（2）地下水流速要低
BTES	（1）受地质条件的限制;（2）可当做地基的一部分,节省成本	（1）储冷/热温度范围小;（2）受地表条件影响较大

模型	井数	计算方法	改变条件	结构性质	参考文献
三维	2	有限元	钻孔深度/抽注水量等	各向均值	[21]
三维	2	有限元和有限体积	井对间距/入口温度	各向均值	[22]
三维	2	有限差分	孔隙率/含水层厚度等	各向均值	[23]
二维轴对称	1	有限元	注水量/渗透系数等	各向异性	[24]
对流-热弥散	2	特征线法	多孔介质粒径	各向均值	[25]
湍流	2	有限体积	含水层厚度/流量等	各向均值	[26-29]
群井渗流	>2	有限体积	井数量/井对间距/流量	各向均值	[30]

试验系统	含水层厚度/m	井数/个	周期	注水量	注水/采水温度/℃	参考文献
深部承压含水层	—	1	51.0 d	45.210 0 m³/h	55.00/33.00	[32-33]
第二承压含水层	19.0~26.0	>2	≥46.0 d	—	28.78/12.68	[34-35]
含水层砂箱	1.0	2	23.0 min	0.136 0 m³/h	45.00/—	[36]
承压含水层（室内）	0.8	2	120.0 min	0.097 7 m³/h	—	[37]
含水层自然横流抽灌井群	0.4	5	—	≥0.240 0 m³/h	12.00/7.00	[38-39]
承压含水层	67.0	>2	150.0 d	0.103 0 m³/min	—	[40]
含水层砂箱	0.2	≥2	9.6 h	1.200 0 m³/s	14.50/—	[41-42]

国家	年份	储能目的	井数/个	井深/m	容量/MW	冷/热水温度/℃	供应场合
挪威	1998	供暖+空调	18	45	7.0	—	医院
德国	1999	供暖+空调	12	300	—	—/19.0	会议大厦
比利时	2000	供暖+空调	2	65	1.2	8.0/18.0	医院
加拿大	2002	供暖+空调	2	—	1.8	10.0/60.0	温室
德国	2005	供暖	2	1 250	3.3	—/55.0	区域供暖
中国	2010	供暖+空调	3	—	—	—/26.3	青少年宫
日本	2011	供暖+空调	5	50	—	—	大学
英国	2013	供暖+空调	8	70	2.9	—	住宅
荷兰	2015	供暖+空调	7	—	20.0	—	区域供暖
中国	2016	供暖+空调	2	—	—	10.0/43.0	工厂

地下储能技术研究现状及发展

Review and prospect of underground thermal energy storage technology

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含水层	分类	受地表影响	储存水温/℃	投资成本	污染程度
潜水含水层	—	大	<25	高	大
承压含水层	浅层	较小	25~50	低	较小
承压含水层	深层	小	50~150	低	小

项目	经济性评价		环保效益评价（P_en）
项目	投资成本（P_in）	用电成本（P_elec）	环保效益评价（P_en）
计算公式	P_in=井造价+管道费用+维修费	P_elec=（水泵耗电+热泵耗电）×单价	P_en=P_elec×η（气体排放因子）
总费用	P_total=P_in+P_elec+P_en

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