為何要把能源“存”在地下？揭開地下儲能的“面紗”

地下儲能又被稱為深部地下儲能或深地儲能，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)儲存在深部地層中。利用深部地下空間進行大規(guī)模能源儲備是國際能源儲備的主要方式，對確保國家能源安全、戰(zhàn)略物資安全及“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)等具有重要意義。

深地儲能是未來能源儲備發(fā)展的重要方向，是解決傳統(tǒng)石油戰(zhàn)略儲備、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。大力發(fā)展深地儲能是實現(xiàn)中國碳中和和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵。

在此次地下儲能領(lǐng)域的核心難點，梳理深部地下空間能源儲備擬重點解決的核心科學(xué)問題和重大技術(shù)瓶頸，形成了相應(yīng)的技術(shù)路線圖，為未來地下儲能的工業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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

揭開地下儲能的“面紗”

地下儲能又被稱為深部地下儲能或深地儲能，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)儲存在深部地層中。

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

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

在美國的多個始建于20世紀(jì)七八十年代的石油戰(zhàn)略儲備庫中，共有鹽穴60余口、石油儲存能力超過7億桶。這些石油儲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定價中的主導(dǎo)地位。

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

為何各國地下儲能都選擇了鹽穴？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)模能源儲備的理想地質(zhì)體。利用鹽巖地層儲能是今后我國實施大規(guī)模能源儲備的優(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)條件相對簡單和優(yōu)越的江蘇金壇鹽礦開展鹽穴儲庫建設(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)建了我國鹽穴儲庫首個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了我國鹽穴建庫的“金壇模式”。該模式對鹽穴儲庫場址建設(shè)、造腔目的層優(yōu)選、造腔方式及注氣排鹵工藝改進等提供了重要借鑒和工程示范。

地下是儲能的理想場所

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備需求了嗎？事實上，地下儲能的優(yōu)勢，恰好在于“地下”二字。

當(dāng)然，要理解地下儲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)與能源儲存現(xiàn)狀。

自2017年起，我國推動能源系統(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的主體地位保持不變，但其在能源消費的占比呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢。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%。

加快非化石清潔能源的利用，是全球能源發(fā)展的大趨勢，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、液流電池儲能等。然而，無論是壓氣蓄能還是液流電池儲能，都需要較大的儲存空間，具有體積大、可承受高壓等優(yōu)點的深部地下空間就成了儲能的理想場所。

目前，國外已有利用深部鹽礦采空區(qū)開展液流電池儲能實驗的相關(guān)報道，為利用液流電池進行大規(guī)模儲能提供了思路。

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

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)用場景豐富等優(yōu)點。氫氣的分子量相比于天然氣更小，這意味著氫氣的存儲需要更多的空間且存儲空間需具有更好的密封性。因此，深部地下鹽穴為大規(guī)模氫能儲備提供了良好的環(huán)境。

另外，利用深部地下空間存儲石油能夠規(guī)避經(jīng)濟性差、安全性低、占地面積大等利用地面儲罐儲油的缺點，進一步保障石油的安全供給；加快地下儲氣庫建設(shè)也能夠保證長輸管道天然氣平穩(wěn)供給，避免大規(guī)?！皻饣摹钡陌l(fā)生。

以技術(shù)創(chuàng)新破解儲能難題

地下儲能優(yōu)勢明顯，因此推進地下儲能技術(shù)創(chuàng)新就變得十分重要。

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

要利用中國層狀鹽巖進行大規(guī)模能源儲備，亟須解決低滲介質(zhì)多場耦合條件下多尺度漸進破壞、儲能庫滲漏災(zāi)變和長期功能劣化等關(guān)鍵理論研究難點；同時，需要開展層狀鹽巖多尺度滲透率測試、儲能庫智能建造、長期功能保障等系列關(guān)鍵技術(shù)研究，為我國實施大規(guī)模能源儲備提供理論和技術(shù)保障。

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