胡賢賢，張可霓，郭朝斌

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

壓縮空氣地下咸水含水層儲(chǔ)能技術(shù)*

胡賢賢，張可霓?，郭朝斌

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

能源危機(jī)和溫室效應(yīng)促進(jìn)了可再生能源的利用，儲(chǔ)能技術(shù)是解決太陽(yáng)能、風(fēng)能波動(dòng)問(wèn)題的重要手段。壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed Air Energy Storage, CAES）技術(shù)是僅次于抽水蓄能的第二大蓄能技術(shù)。目前CAES多是通過(guò)洞穴實(shí)現(xiàn)，其主要缺點(diǎn)是對(duì)地質(zhì)要求較高，合適的洞穴數(shù)量有限，為擴(kuò)大其應(yīng)用，可使用地下咸水含水層作為儲(chǔ)層。本文介紹了 CAES電站的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及各國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了利用地下咸水含水層進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的可行性、優(yōu)點(diǎn)及一些問(wèn)題與技術(shù)方法，如儲(chǔ)層內(nèi)殘余烴的影響、氧化與腐蝕作用、顆粒的影響及緩沖氣的選擇，表明含水層CAES將是拓寬CAES應(yīng)用的重要途徑。

壓縮空氣；儲(chǔ)能；孔隙介質(zhì)；咸水含水層

0 前 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的化石燃料作為非可再生能源隨著人類的不斷消耗已經(jīng)日益減少，同時(shí)這些化石燃料燃燒過(guò)程排放出大量的CO2等溫室氣體造成了全球氣候變暖等問(wèn)題。為緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染，人類開(kāi)始不斷開(kāi)發(fā)諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生資源。這類資源具有儲(chǔ)量大、污染少、可再生等優(yōu)點(diǎn)，但在利用過(guò)程中存在一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：這些可再生能源往往具有很大的波動(dòng)性且難以與用戶能量需求波動(dòng)保持一致。比如在用電低谷時(shí)段往往是風(fēng)力機(jī)出力最大的時(shí)段，發(fā)電量與用電量無(wú)法保持一致。因此借助儲(chǔ)能裝置來(lái)抑制風(fēng)電等系統(tǒng)的波動(dòng)性，使其變得“可控、可調(diào)”是充分利用可再生能源的關(guān)鍵[1]。

另外，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化、人民生活水平的提高、民用和商業(yè)用電比重上升等原因使得用電峰谷差越來(lái)越大[2]，調(diào)峰問(wèn)題已成為電網(wǎng)運(yùn)行中的主要問(wèn)題，部分電網(wǎng)已出現(xiàn)拉閘限電的局面，這在一定程度上也推動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。合適的蓄能方式可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷，保障電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

目前存在的主要儲(chǔ)能方式包括抽水蓄能（Pumped Hydro Storage, PHS）、壓縮空氣蓄能、天然氣蓄能、液流電池蓄能、燃料電池蓄能、飛輪蓄能、超級(jí)電容蓄能等[3]，在所有的儲(chǔ)能方式中能夠以發(fā)電廠的發(fā)電功率級(jí)別（一般為數(shù)百M(fèi)W級(jí)別）連續(xù)數(shù)小時(shí)供能的方式只有PHS和CAES，各類蓄能總量中，PHS大約占99%[4]，CAES占0.5%，其他儲(chǔ)能方式占0.5%。但建造抽水蓄能電站需要有充沛的水源及較大的水位落差，受地理?xiàng)l件的影響很大，很多地區(qū)并不具備建造抽水蓄能電站的條件。CAES作為第二大儲(chǔ)能方式同 PHS相比，在投資費(fèi)用上并不比它高，儲(chǔ)能效率相差也不大，因而發(fā)展空間巨大。目前適宜進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的地下空洞主要有鹽巖溶腔、硬巖洞、孔隙儲(chǔ)層（如地下含水層等）[5]17以及廢棄礦道等。目前已經(jīng)運(yùn)行的 CAES電站都是采用洞穴作為儲(chǔ)層，其氣密性好，最為合適。但合適的洞穴受到地理?xiàng)l件的限制，可以用于建造CAES系統(tǒng)的洞穴數(shù)量有限，如果沒(méi)有合適的洞穴而要依靠人工改造或者建造儲(chǔ)氣罐會(huì)使成本大大增加。同利用洞穴儲(chǔ)存壓縮空氣相比，使用含水層作為儲(chǔ)層，不僅在地質(zhì)條件上更容易獲得，成本還可以進(jìn)一步降低，盡管目前關(guān)于含水層壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題及其效率和遇到的挑戰(zhàn)仍沒(méi)有得到充分研究，但隨著對(duì)風(fēng)能等可再生能源利用技術(shù)的不斷發(fā)展，使用含水層作為壓縮空氣儲(chǔ)層必將受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于良好的地下水資源的緊缺，地下咸水層的應(yīng)用對(duì)于含水層儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展更有意義。另外，根據(jù)我國(guó)地質(zhì)的基本情況，東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)地下廣泛分布高滲透的含水層，這對(duì)開(kāi)展含水層儲(chǔ)能提供了良好的條件。

1 CAES電站簡(jiǎn)介

1.1 CAES電站的工作原理

壓縮空氣儲(chǔ)能電站的工作原理如圖1所示。

CAES電站整個(gè)運(yùn)行過(guò)程分兩部分，即儲(chǔ)能和發(fā)電兩步[7]。在用電低谷時(shí)，系統(tǒng)處于儲(chǔ)能階段，此時(shí)從火電廠及風(fēng)電廠等發(fā)出的多余電量用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮至儲(chǔ)氣裝置中；而在用電高峰時(shí)，系統(tǒng)處于發(fā)電階段，此時(shí)儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中的壓縮空氣被釋放出來(lái)進(jìn)入燃燒室中參與燃燒以驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。由于在發(fā)電過(guò)程中不再需要消耗額外的功以驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)來(lái)產(chǎn)生壓縮空氣，相較于傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，可以節(jié)省約 1/3的燃料或使發(fā)電機(jī)的功率提升1倍以上[8]。

1.2 CAES電站的優(yōu)缺點(diǎn)

同抽水儲(chǔ)能電站相比，CAES電站具有大部分與其相同的優(yōu)點(diǎn)，如儲(chǔ)能容量大、放電時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)時(shí)間短等。此外，CAES電站還具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）污染物排放量為同容量燃?xì)廨啓C(jī)的1/3，對(duì)環(huán)境的影響較小，有利于環(huán)保。

（2）CAES電站采用的介質(zhì)為清潔的空氣，能夠減小對(duì)管道及設(shè)備的腐蝕，因而運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低[9]。

（3）安全和可靠性能高。CAES電站使用的原料為空氣，不會(huì)燃燒，沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)，不會(huì)產(chǎn)生任何有毒有害氣體[10]。

（4）熱耗率小，緩變率高。CAES電站通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，因而在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)熱利用更充分，熱耗率小，美國(guó)Mcintosh電站的緩變率為18 MW/min，可在6 min達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)。

（5）儲(chǔ)能效率高。CAES電站帶有燃?xì)廨啓C(jī)，目前評(píng)價(jià)其儲(chǔ)能效率的方法主要有兩種，分別為：

式中，ET為燃?xì)廨啓C(jī)所發(fā)出的電能，EF為進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣的熱能，EM為空氣壓縮機(jī)所消耗的電能，ηNG為傳統(tǒng)燃?xì)怆姀S的發(fā)電效率[5]39。

當(dāng)ηNG的值取 47.6%時(shí)，ηRT,1的值為 77%～89%，ηRT,2的值為 66%，而 PHS的儲(chǔ)能效率約為74%，釩液流電池的儲(chǔ)能效率約為 75%[11]，均在CAES儲(chǔ)能效率范圍之內(nèi)。

但同時(shí)，現(xiàn)有的CAES電站也存在一些缺點(diǎn)，如對(duì)建設(shè)場(chǎng)地的地理?xiàng)l件有特殊要求，需要使用燃?xì)獾取?/p>

1.3 國(guó)內(nèi)外CAES電站簡(jiǎn)介

目前世界上已建成并投入運(yùn)行的CAES電站主要有兩座，分別為德國(guó)290 MW的Huntorf電站和美國(guó)阿拉巴馬州110 MW的Mcintosh電站。這兩座電站在壓縮空氣儲(chǔ)能方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

Huntorf電站利用位于地下600 m的廢棄礦井來(lái)儲(chǔ)存壓縮空氣，功率為290 MW，該廠每天運(yùn)行一個(gè)周期，充電時(shí)間為8 h，放電時(shí)間為2 h。

Mcintosh電站利用位于地下450 m、直徑80 m的巖鹽溶腔來(lái)儲(chǔ)存壓縮空氣，鹽巖具有較好的溶解性，通過(guò)向巖層中注水可將其溶解，再將水抽出地面后便可形成空腔并最終達(dá)到設(shè)計(jì)的容積[9]。該電站功率為110 MW，儲(chǔ)存的壓縮空氣量為5.6×105m3，可供機(jī)組運(yùn)行26 h。

Huntorf和 Mcintosh電站均采用鹽巖地層的儲(chǔ)氣洞，其主要問(wèn)題是要防止洞中的鹽類物質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)對(duì)葉片造成破壞。為此，在距離地表約80 m處設(shè)置螺旋狀的焊接抽氣井管，井管材料為鍍膜、襯里的合成防銹材料[12]。

日本已在 2001年投入運(yùn)行了砂川盯壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于北海道的空知郡，輸出功率為2 MW。由于缺乏鹽巖結(jié)構(gòu)的地層，壓縮空氣儲(chǔ)存在位于地下約450 m的廢棄煤礦坑中并且在空洞內(nèi)壁采用橡膠里襯密封，考慮到該技術(shù)較為昂貴，目前日本正在全力探索采用水封方式建造儲(chǔ)氣洞[8]。其機(jī)組發(fā)電時(shí)間為4 h，壓縮空氣充氣時(shí)間為10 h，空氣壓力為變壓式[13]。

然而，在國(guó)外已是相對(duì)成熟的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)仍頗為陌生，幾乎沒(méi)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，甚至連理論研究都很少。我國(guó)的空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)起步較晚，目前尚無(wú)實(shí)際運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能站。2007年中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所與英國(guó)高瞻公司、利茲大學(xué)等單位共同開(kāi)發(fā)了液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，并成功運(yùn)行了一個(gè)2 MW級(jí)的示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)需要大型儲(chǔ)氣室的問(wèn)題。2009年中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所首次在國(guó)際上提出并研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。該技術(shù)綜合了常規(guī)CAES系統(tǒng)和液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)1.5 MW的示范系統(tǒng)于2011年初開(kāi)工建設(shè)并于2013年通過(guò)專家組驗(yàn)收。

2 使用含水層作為CAES 系統(tǒng)地下儲(chǔ)層

2.1 使用含水層進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的可行性

目前運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站均采用洞穴來(lái)儲(chǔ)氣，如Huntorf和Mcintosh電站的壓縮空氣儲(chǔ)層都建在地下洞穴中。使用含水層作為壓縮空氣儲(chǔ)層尚未在實(shí)際中得到應(yīng)用，但自1915年開(kāi)始利用孔隙儲(chǔ)層（如地下含水層等）儲(chǔ)存天然氣技術(shù)已經(jīng)得到實(shí)施，目前在天然氣儲(chǔ)存工業(yè)中，超過(guò)95%的天然氣被儲(chǔ)存在孔隙儲(chǔ)層中，天然氣儲(chǔ)存技術(shù)已得到充分的發(fā)展。盡管天然氣和空氣在物理及化學(xué)特性方面存在差異且二者的儲(chǔ)存周期也不同，利用孔隙儲(chǔ)層存儲(chǔ)天然氣的一些技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)仍可以直接用于利用含水層儲(chǔ)存壓縮空氣中。另外，1980年美國(guó)能源部曾開(kāi)展過(guò)一個(gè)廣泛的CAES研究計(jì)劃，該研究計(jì)劃在美國(guó)伊利諾伊州的匹茲菲爾德（Pittsfield）開(kāi)展了向某含水層注入和抽提空氣的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證利用含水層進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的可行性。試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)了之前的預(yù)想，即空氣注入到含水層中可形成一個(gè)大的氣囊，并且可以以一定速率再將空氣抽出來(lái)以利用已儲(chǔ)存的能量，如果選址和操作適當(dāng)可避免含水層中抽氣時(shí)因井附近的壓力降低而造成的水面抬升情況。一般而言，對(duì)于含水層CAES系統(tǒng)，緊接儲(chǔ)層之上的蓋層巖層必須是基本不滲透的，巖層厚度要足夠厚且毛細(xì)突破壓也要足夠大，以防止空氣從儲(chǔ)層中滲漏，而儲(chǔ)層的滲透性和孔隙度要好，如圖2所示。

判斷某一地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)是否適合壓縮空氣儲(chǔ)能需要從滲透率、孔隙度及蓋層特性等方面來(lái)考慮（見(jiàn)表 1）。表中VR/VS表示含水層儲(chǔ)層中可用孔隙的總體積與 CAES系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的儲(chǔ)層體積之比，h/H表示充分發(fā)展的氣泡厚度與儲(chǔ)層的厚度之比。

圖2 含水儲(chǔ)層示意圖[14]Fig. 2 The schematic diagram of the aquifer reservoir

表1 含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)層及蓋層特性[15]Table 1 Properties of the reservoir and caprock for aquifer CAES

2.2 使用咸水含水層作為CAES系統(tǒng)儲(chǔ)層的優(yōu)點(diǎn)

地下含水層中淡水層作為可開(kāi)采的人類飲用及農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源，其儲(chǔ)量有限，從經(jīng)濟(jì)性上考慮并不適合作為CAES儲(chǔ)層，而礦化度很高的地下鹵水又是制鹽業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域中重要的原料，同樣也不適合。地下咸水層通常位于淡水層下方，其礦化度介于淡水層與鹵水層的含鹽量之間，既不適合民用供水和農(nóng)業(yè)利用，也達(dá)不到地下鹵水液體礦礦化度要求，無(wú)法在工業(yè)中得到利用[16]。因此，若選擇當(dāng)今技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下不可利用的深部咸水含水層作為CAES儲(chǔ)層，不僅有利于地下水資源的合理利用，還具有以下幾點(diǎn)主要優(yōu)勢(shì)：

（1）分布廣泛且含水層密集的地區(qū)一般風(fēng)能資源也較為豐富，比如在美國(guó)風(fēng)力 ≥ 4級(jí)的地區(qū)同時(shí)也多為存在地下含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地區(qū)。

（2）占地面積小。若采用含水層CAES系統(tǒng)儲(chǔ)存風(fēng)能并以基本負(fù)荷進(jìn)行供能，當(dāng)含水層儲(chǔ)層厚度為 10 m時(shí)所需的占地面積僅為同樣功率條件下風(fēng)電廠的14%。

（3）儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本低。壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)存時(shí)間一般為數(shù)十小時(shí)，同抽水蓄能及其他各類蓄能方式相比，壓縮空氣的儲(chǔ)能成本最低，如表2所示，在各類壓縮空氣儲(chǔ)能中，使用含水層等孔隙儲(chǔ)層的成本又低于其他儲(chǔ)層的成本，使用人工鹽巖溶腔CAES系統(tǒng)的成本為（6～10）美元/(kW·h)，而使用含水層CAES系統(tǒng)的成本為2～7 美元/kW·h（見(jiàn)表 3）。另外，當(dāng)需要額外增加系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量時(shí)使用含水層作為壓縮空氣儲(chǔ)層也具有極大的成本優(yōu)勢(shì)，其成本約為0.11 美元/(kW·h)[5]21，若使用洞穴作為壓縮空氣儲(chǔ)層，當(dāng)增大儲(chǔ)能容量時(shí)所需成本為2 美元/(kW·h)[5]18，遠(yuǎn)高于含水層儲(chǔ)層的成本。

（4）儲(chǔ)能規(guī)模大。一般為100 MW～1 000 MW，同PHS的級(jí)別相當(dāng)。

表2 各類儲(chǔ)能方式的成本比較[17,18,19]Table 2 The cost of different energy storage systems

表3 含水層儲(chǔ)層CAES系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本[5]43Table 3 Development Costs for Aquifer CAES

2.3 使用地下含水層作為CAES系統(tǒng)儲(chǔ)層所面臨的問(wèn)題及技術(shù)措施

2.3.1 儲(chǔ)層內(nèi)殘余碳?xì)浠衔锏挠绊?/p>

當(dāng)使用一些廢棄的油氣礦藏來(lái)進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能時(shí)，其中所殘余的一些碳?xì)浠衔飼?huì)使儲(chǔ)層的滲透率降低并可在儲(chǔ)層中形成一些腐蝕性物質(zhì)，另外由于注入的氣體為高壓空氣，一旦與天然氣等碳?xì)浠衔锘旌峡赡軙?huì)發(fā)生燃燒甚至爆炸。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)一個(gè)廢棄的天然氣儲(chǔ)層進(jìn)行了一項(xiàng)數(shù)值模擬，在初始階段，該儲(chǔ)層中的主要成分為水和天然氣，其中殘余天然氣量為20%。模擬表明，當(dāng)向儲(chǔ)層中注入 N2時(shí)會(huì)在儲(chǔ)層中產(chǎn)生氣泡，隨著井附近壓力的增加，氣泡體積也不斷增加，當(dāng)氣泡最終達(dá)到預(yù)期體積時(shí)儲(chǔ)層內(nèi)所含的天然氣會(huì)被推擠到氣泡的邊界處而幾乎不與 N2發(fā)生混合，在儲(chǔ)層進(jìn)行抽氣-注氣循環(huán)時(shí)對(duì)抽出的氣體成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)天然氣的最高含量約為1%[20]，低于天然氣的爆炸下限（5%）。因此，使用廢棄的油氣礦藏進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能是完全可行的。而采用咸水含水層則不存在這個(gè)問(wèn)題。

2.3.2 儲(chǔ)層內(nèi)氧化作用的影響

壓縮空氣中的O2會(huì)與孔隙儲(chǔ)層中的硫化物（如黃鐵礦，主要成分為FeS2）發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下[5]54：

該類反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣中的 O2含量減少進(jìn)而可能會(huì)影響到燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒效率，但匹茲菲爾德的實(shí)驗(yàn)研究表明，O2的減少量只有在被長(zhǎng)期儲(chǔ)存時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)，短期儲(chǔ)存時(shí)O2的減少量可以忽略。

O2與 FeS2還可發(fā)生另一種氧化反應(yīng)生成一種膠狀的鐵的氫氧化物。反應(yīng)方程式如下：

這一類反應(yīng)會(huì)使黃鐵礦的體積擴(kuò)大5倍，從而造成儲(chǔ)層的滲透率大大減少，而且會(huì)產(chǎn)生對(duì)蓋層不利的膨脹應(yīng)力。

儲(chǔ)層中的氧化反應(yīng)還會(huì)形成石膏（CaSO4·2H2O），石膏的沉積會(huì)減少儲(chǔ)層的孔隙度進(jìn)而影響CAES系統(tǒng)的性能[21]。

若儲(chǔ)層為洞穴，為減小氧化反應(yīng)所造成的不利影響,可以對(duì)注入的空氣進(jìn)行除濕處理以減緩氧化反應(yīng)速度，但對(duì)于含水層CAES系統(tǒng)而言，該方法并不適用，因此在選擇儲(chǔ)層位置時(shí)應(yīng)避免含硫量高的地區(qū)。

2.3.3 儲(chǔ)層內(nèi)腐蝕作用的影響

CAES系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要問(wèn)題是井管與注入的膠狀物的腐蝕問(wèn)題。系統(tǒng)腐蝕的主要類型有生物（細(xì)菌）腐蝕、電流腐蝕、銹蝕、機(jī)械疲勞腐蝕及磨損腐蝕等。由于注入的為高溫高壓空氣，這會(huì)加快腐蝕的速度，特別是當(dāng)空氣中的含水量很高時(shí)[5]54-55。

對(duì)于機(jī)械疲勞與磨損腐蝕可通過(guò)適當(dāng)選擇材料加以解決，對(duì)于電化學(xué)腐蝕可通過(guò)對(duì)管道涂層、襯里加以緩解。CAES儲(chǔ)層內(nèi)的環(huán)境非常適合硫桿菌生存，這類細(xì)菌會(huì)氧化硫化物并生成硫酸來(lái)腐蝕井管與注入的膠狀物，儲(chǔ)層內(nèi)的其他浮游類微生物還有可能影響到儲(chǔ)層的滲透率，為防止這些現(xiàn)象的發(fā)生，可在發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的細(xì)菌后注入生物滅殺劑以減少細(xì)菌數(shù)量。阿美石油公司曾通過(guò)對(duì)一個(gè)油-水混合的油田中的細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便在細(xì)菌數(shù)量異常時(shí)及時(shí)通過(guò)注入殺菌劑的方法來(lái)控制腐蝕程度[22]。此外，由于地下咸水層無(wú)法被人類直接利用，因此在注入殺菌劑后可不必考慮地下水的污染問(wèn)題。因此我國(guó)未來(lái)的CAES技術(shù)可重點(diǎn)放在利用含水層儲(chǔ)層上面，重點(diǎn)解決關(guān)于含水層CAES的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題并充分研究其效率和遇到的挑戰(zhàn)。

2.3.4 儲(chǔ)層內(nèi)顆粒的影響

在抽氣階段，井內(nèi)氣流流速很大，若井口附近存在顆粒，將會(huì)隨著氣流被抽出井外進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)中進(jìn)而對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片造成損害。顆粒的來(lái)源主要有兩種，一是儲(chǔ)層中的礦石分解形成顆粒，二是高溫高壓的空氣導(dǎo)致土層脫水不穩(wěn)并產(chǎn)生顆粒。較大的顆?？梢栽O(shè)置濾網(wǎng)進(jìn)行阻攔，對(duì)于微小的顆粒使用濾網(wǎng)進(jìn)行阻攔成本過(guò)高，通過(guò)向儲(chǔ)層內(nèi)注入SiO2溶液可以有效防止顆粒的產(chǎn)生且不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層的滲透率造成嚴(yán)重的不利影響，該方法已在天然氣儲(chǔ)存中得到廣泛使用[15]。

2.3.5 使用CO2作為緩沖氣

CAES系統(tǒng)在工作時(shí)所儲(chǔ)存的空氣中僅有一小部分氣體（工作氣）被抽取來(lái)用于同燃?xì)饣旌先紵?，很大一部分氣體仍被保存在儲(chǔ)層里未被抽出，這些氣體僅用于在抽氣時(shí)提供壓力支持，因此被稱為緩沖氣。為了減少溫室效應(yīng)的影響，可以考慮使用CO2作為緩沖氣，CAES系統(tǒng)利用CO2作為緩沖氣還具有另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)：由于CO2具有很大的壓縮性，這意味著當(dāng)儲(chǔ)層內(nèi)壓力處于臨界壓力附近時(shí)，使用CO2作為緩沖氣比使用空氣作為緩沖氣能儲(chǔ)存更多的能量。使用CO2作為緩沖氣最大的問(wèn)題是如何充分利用CO2巨大的壓縮性并有效防止CO2與空氣混合后被抽出井外。通過(guò)數(shù)值模擬表明：當(dāng)CO2與空氣的接觸邊界距離井的位置很近時(shí)CO2的壓縮性可以得到充分應(yīng)用，但在這種情況下CO2與空氣均具有很高的運(yùn)動(dòng)速度導(dǎo)致二者很容易混合后一并被抽出井外，因此，為防止CO2被抽出，使用CO2作為緩沖氣的最佳方式是使其與空氣的交界面位于井的遠(yuǎn)處以使二者之間的混合過(guò)程變得緩慢[23]。

2.3.6 其他技術(shù)方法

CAES系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)層中空氣會(huì)與周圍的巖石發(fā)生導(dǎo)熱造成部分能量損失，為減少這部分損失，可適當(dāng)降低注氣溫度，同時(shí)應(yīng)注意溫度降低會(huì)造成冷卻成本的增加[24]。在含水層CAES系統(tǒng)中為防止儲(chǔ)層中的水被抽出井外，在運(yùn)行過(guò)程中井底的位置應(yīng)與儲(chǔ)層中氣-水界面保持一定的距離。

3 結(jié) 論

CAES作為一項(xiàng)有效、可靠的儲(chǔ)能技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，它可以同風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)耦合，使這些不穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)變成可以穩(wěn)定輸出的電能供用戶使用，對(duì)可再生能源的大規(guī)模利用具有重要意義。目前限制我國(guó)CAES技術(shù)推廣的主要因素之一是：缺少大容量的天然鹽巖溶腔。有關(guān)專家在湖北、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等地進(jìn)行過(guò)地質(zhì)調(diào)查，暫時(shí)沒(méi)有找到合適的天然洞穴。如果考慮采用含水層孔隙儲(chǔ)層，這一限制因素就不復(fù)存在。因此我國(guó)未來(lái)的CAES技術(shù)可重點(diǎn)放在利用含水層儲(chǔ)層上面，重點(diǎn)解決關(guān)于含水層CAES的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題并充分研究其效率和遇到的挑戰(zhàn)。美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究表明，采用孔隙介質(zhì)儲(chǔ)存壓縮空氣是完全可行的，儲(chǔ)能效率也十分理想[4]。我國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)能資源豐富，但適合建造抽水蓄能電站的地區(qū)很少，若采用CAES與風(fēng)電系統(tǒng)耦合會(huì)極大提高風(fēng)電的利用效率。CAES技術(shù)目前已受到越來(lái)越多的關(guān)注，相較于在儲(chǔ)能方式中占主導(dǎo)地位的抽水蓄能仍具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)的儲(chǔ)能方式中，CAES的比例將會(huì)得到顯著提高。

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Compressed Air Energy Storage Using Saline Aquifer as Storage Reservior

HU Xian-xian, ZHANG Ke-ni, GUO Chao-bin
(Tongji University, Shanghai 201804, China)

Energy crisis and greenhouse effect have promoted the utilization of renewable energy. Energy storage technology is an indispensable part in solving the fluctuation problem for the utilization of solar energy, wind energy, etc. Compressed air energy storage (CAES) technology is the second large energy storage potential just after the pumped hydro storage technology. At present, reservoirs for the CAES are usually underground caverns which are highly limited by geological conditions. Using saline aquifer as the storage reservoir can extend the utilization of the CAES. Herein, the operation principle, advantages and disadvantages of CAES plant are introduced. The feasibility, problems and the key technologies used in aquifer CAES such as the residual hydrocarbons, oxidation, corrosion, particulates and the choice of cushion gas are discussed. This study concludes that the use of saline aquifer as storage reservoir will be an important way to extend the application of CAES.

compressed air; energy storage; porous media; saline aquifer

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.05.011

2095-560X（2014）05-0390-07

胡賢賢（1990-），男，碩士，主要從事多相流體數(shù)值模擬研究。

2014-04-10

2014-06-03

上海市科委資助項(xiàng)目（13dz1203103）

? 通信作者：張可霓，E-mail：keniz@#edu.cn

張可霓（1964-），男，博士，教授，主要從事地下水多相流數(shù)值模擬等相關(guān)研究。

郭朝斌（1989-），男，碩士，主要從事多相流體數(shù)值模擬研究。