中國儲能網(wǎng)訊：近年來，為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的宏偉目標(biāo)，國家積極推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)的變革，努力構(gòu)建綠色、可持續(xù)、安全、高效的能源體系，并將新能源作為重點(diǎn)，建立一個完善的新型電力體系。隨著技術(shù)的進(jìn)步，中國的新型電力系統(tǒng)正在迅猛增長，但缺乏大型儲能設(shè)備和先進(jìn)儲能技術(shù)。在現(xiàn)有儲能技術(shù)中，抽水蓄能、重力儲能、壓縮空氣儲能等作為常見的大規(guī)模物理儲能方式得到了廣泛的發(fā)展，可作為建設(shè)現(xiàn)代智能電網(wǎng)新型電力系統(tǒng)的重要支撐。
目前，我國許多礦井都面臨著關(guān)閉或廢棄的問題，而這些礦井內(nèi)都蘊(yùn)藏著大量的資源，若不開發(fā)利用，將會造成巨大的能源浪費(fèi)，甚至引發(fā)環(huán)境和安全問題，對這些資源進(jìn)行二次開發(fā)利用，不僅可以變廢為寶，還符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。廢棄礦井中大量巷道硐室可為大規(guī)模物理儲能提供潛在的儲存空間。若將廢棄礦井與物理儲能相結(jié)合，不僅可以高效利用地下空間，更能為中國的電力系統(tǒng)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
本文介紹了抽水蓄能、重力儲能和壓縮空氣儲能3種物理儲能方式的原理及現(xiàn)狀，利用層次分析法，建立了廢棄礦井地下空間物理儲能的評價指標(biāo)體系，以山西白家莊礦實(shí)際條件為例，采用專家打分法，對比分析3種儲能方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為廢棄礦井地下空間物理儲能方式選擇提供借鑒。
1 廢棄礦井物理儲能發(fā)展現(xiàn)狀
物理儲能作為電力系統(tǒng)常見的能源儲存轉(zhuǎn)化技術(shù)，相比于其他儲能方式，具有應(yīng)用規(guī)模大、成本低、使用壽命長、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，適合電網(wǎng)調(diào)峰和實(shí)現(xiàn)電能晝夜轉(zhuǎn)移，具有廣闊的應(yīng)用空間和巨大的發(fā)展?jié)摿?。以電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況為依據(jù)，選擇一種合理、切實(shí)可行的物理儲能技術(shù)，可降低系統(tǒng)耗能壓力，提高能源利用率。將物理儲能與廢棄礦井相結(jié)合，不僅能有效緩解儲能電站建設(shè)選址壓力，也能夠有效實(shí)現(xiàn)廢棄礦井遺留地下空間資源的合理利用，助力相關(guān)能源企業(yè)與地區(qū)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。
1.1 廢棄礦井抽水蓄能
廢棄礦井抽水蓄能是傳統(tǒng)抽水蓄能方式的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，在一定程度上緩解了傳統(tǒng)抽水蓄能電站選址困難的問題，廢棄礦井為抽水蓄能電站的建立提供了巨大的地下空間、礦井水資源以及天然的高度差。廢棄礦井抽水蓄能的原理：地表塌陷區(qū)作為上水庫，井下硐室作為下水庫。在用電高峰期，將水從上水庫放出，實(shí)現(xiàn)能量由勢能向電能的轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電；在夜晚或者用電低峰期，利用水泵水輪機(jī)將下水庫的水抽至上水庫，完成儲能。
20世紀(jì)六七十年代，西方國家就提出了利用廢棄礦井建設(shè)抽水電站的構(gòu)想，但由于多種原因該方案一直未能得到真正的實(shí)施。美國的新澤西州曾計劃建設(shè)一個2000MW半地下抽水蓄能電站，最終以1000MW容量代替；德國的Prosper-Haniel廢棄煤礦是全球第一個被用于抽水蓄能發(fā)電的廢棄煤礦；西班牙計劃在AsturianＡ煤礦建造一個半地下抽水蓄能電站。目前我國對于廢棄礦井的研究較少，抽水蓄能還沒有成功案例，但已進(jìn)入實(shí)踐探索階段。顧大釗對礦井地下蓄水池的設(shè)計、建造和運(yùn)行進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；卞正富等對黃河九省廢棄煤炭資源利用的發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了量化評價；謝和平等還提出了礦井地下水庫、礦井水循環(huán)利用和抽水蓄能發(fā)電集成的技術(shù)概念。
抽水蓄能電站占地面積大，在礦井內(nèi)建立水庫，不僅減少了地面土地占用面積，還可以減少水分的蒸發(fā)；將廢棄礦井改造成抽水蓄能電站，可以顯著減少前期的建設(shè)投資成本；有助于緩解因礦區(qū)開采而產(chǎn)生的地面塌陷問題；由于水庫位于地下，也可最大限度地保留地表植被不被大面積破壞。因此，利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站具有多種天然的優(yōu)勢，對我國社會、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)均有重要戰(zhàn)略意義。
1.2 廢棄礦井重力儲能
重力儲能的原理與抽水蓄能類似，只是將儲能介質(zhì)由水換成了重力塊，即儲存電能時，利用電動機(jī)將重力塊提升至一定的高度，實(shí)現(xiàn)電能到勢能的轉(zhuǎn)換；需要用電時，放下重力塊，利用發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)勢能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)化為電能。
2018年，以重力儲能技術(shù)為基礎(chǔ)的瑞士儲能系統(tǒng)制造商Energy Vault公司計劃為印度塔塔電力公司建設(shè)可提供35MWh的重力儲能系統(tǒng)，該塔式起重機(jī)式儲能系統(tǒng)的儲能效率可以達(dá)到90%左右；英國的Gravitricity公司計劃利用現(xiàn)有的廢棄豎井改造建設(shè)一個深井重力儲能系統(tǒng)，采用鉆機(jī)作為重物，通過在鉆井中重復(fù)吊起與放下鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)儲能和發(fā)電。2022年3月，中國天楹重力儲能項(xiàng)目落戶江蘇，研究利用塑料、工程渣土、固廢等工業(yè)垃圾為原材料制備重力塊；夏焱等提出可利用建筑垃圾作為儲能媒介，該方法具有環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性；肖立業(yè)等提出在地下豎井（或斜井）中建造儲能塔的方案，并列舉了豎井和斜井各自的適用場景。
重力儲能不再單一地依賴儲水量儲能，降低了對地理區(qū)位的要求，同時其原理簡單、門檻較低，對井下結(jié)構(gòu)的要求也大幅降低；重力儲能系統(tǒng)性能基本保持穩(wěn)定不變，不會因周期性工作而降低，系統(tǒng)效率最高可達(dá)90%，井上、井下設(shè)備條件簡單，建設(shè)成本和度電成本都低于抽水蓄能，因此重力儲能具有很大的應(yīng)用前景。
1.3 廢棄礦井壓縮空氣儲能
廢棄煤礦的永久性巷道和硐室進(jìn)行耐壓封閉后，可作為壓縮空氣儲存空間，在用電低谷期，利用電網(wǎng)中的剩余電力，帶動空氣壓縮機(jī)將能量儲存到硐室中；在用電高峰期，將硐室內(nèi)的壓縮空氣釋放出來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
1978年，儲氣庫位于地下600m廢棄礦洞中的德國Huntorf壓縮空氣電站正式投入商業(yè)運(yùn)行；1991年，美國壓縮空氣蓄能電廠的儲氣洞在地下450m建成投產(chǎn)。目前俄羅斯、日本、意大利、瑞士、法國等國家也積極加入開發(fā)壓縮空氣儲能電站的隊伍中。我國壓縮空氣儲能仍處于起步階段，絕熱壓縮空氣儲能電站已完成示范電站的建設(shè)。2017年，江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)獲批立項(xiàng)，這是我國第一座先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能國家示范電站。2021年9月，江蘇金壇鹽穴60MW壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目一期工程送電成功。2022年9月28日，全球最大規(guī)模350MW鹽穴壓縮空氣儲能項(xiàng)目———山東泰安2×300MW級壓縮空氣儲能創(chuàng)新示范工程開工，目前已落地投產(chǎn)。
目前，壓縮空氣儲能處于科研示范向商業(yè)化示范過渡階段，系統(tǒng)儲能效率低、單機(jī)容量有待提高、大型系統(tǒng)需要特定地理?xiàng)l件等問題制約著壓縮空氣儲能發(fā)展。
2 廢棄礦井物理儲能評價的層次分析模型
2.1 層次分析法介紹
層次分析法是一種主觀賦值評價方法，主要依據(jù)決策者的經(jīng)驗(yàn)分析判定各指標(biāo)的重要性，是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，可使一種抽象現(xiàn)象或問題變得簡單起來，有利于直觀地對復(fù)雜問題進(jìn)行判斷，流程圖如圖1所示。
2.2 工程背景介紹
白家莊煤礦位于太原市西南萬柏林區(qū)西銘鄉(xiāng)白家莊村，于1934年8月創(chuàng)建，是西山礦區(qū)最早的生產(chǎn)礦井。為響應(yīng)“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革要求”，2016年10月南坑永久性關(guān)閉，二號井關(guān)停。
白家莊礦地理位置優(yōu)越，離太原市中心約20km，礦區(qū)內(nèi)有公路與太原市相通。礦區(qū)周邊有高速公路和運(yùn)煤鐵路專線直達(dá)，交通便利。井田呈一北寬南窄和不規(guī)則多邊形，面積約為16k㎡，位于太原西山煤田東北隅，屬中低山地區(qū)，地勢為西南高、東北低。
2.3 物理儲能評價指標(biāo)體系構(gòu)建
在對有關(guān)廢棄礦山和物理儲能的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行查閱分析，并聽取行業(yè)專家意見的基礎(chǔ)上，確定指標(biāo)并進(jìn)行指標(biāo)體系構(gòu)建。將廢棄礦山地下空間的精準(zhǔn)利用方式作為目標(biāo)層，建立了6個一級指標(biāo)，再針對一級指標(biāo)細(xì)化出19個二級指標(biāo)，并制訂了3個方案層，分別為抽水蓄能、壓縮空氣儲能和重力儲能，層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。
2.4 指標(biāo)權(quán)重的確定
為有效確定各指標(biāo)權(quán)重，將各指標(biāo)重要程度分為9個等級，采用9標(biāo)度法表示，即取值為整數(shù)1~9及其倒數(shù)。
在評價指標(biāo)的重要程度時，確保指標(biāo)權(quán)重的客觀性和合理性是非常必要的。以山西省白家莊煤礦為例，采用發(fā)放調(diào)查表的方法，對來自安徽理工大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)中國礦業(yè)大學(xué)等多所高等院校的50位廢礦項(xiàng)目骨干進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)查對象信息統(tǒng)計見表1。
對收回得到的46份問卷進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終獲得了32份具有代表性的問卷。按照公式，計算出初步的權(quán)重，并查閱文獻(xiàn)，對權(quán)重結(jié)果展開了分析。
依據(jù)前述的層次結(jié)構(gòu)模型，可構(gòu)造準(zhǔn)則層相對目標(biāo)層的矩陣(表2)。由于模型的影響因素較多，為保證結(jié)果的可靠性，必須對系統(tǒng)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性指標(biāo)計算公式見式(1)、(2)。
式中：CI為一致性指標(biāo)；R為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，見表3；CR為一致性比例；n為元素個數(shù)；λ為矩陣的最大特征值。
當(dāng)CR<0.1時，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣。經(jīng)計算，該模型中CR值為0.0657，小于0.1，校驗(yàn)合格。通過計算，得到各級指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表4。
3 模型結(jié)果分析
3.1 準(zhǔn)則層的各指標(biāo)權(quán)重分析準(zhǔn)則層6個指標(biāo)的權(quán)重及占比如圖3所示。
1) 安全保障E權(quán)重為0.3124，位居第一位，包括技術(shù)保障、管理制度、資金投人。礦井位于地下數(shù)百米深，不確定性因數(shù)高，危險系數(shù)大，所以安全保障尤為重要，安全是進(jìn)行一切開發(fā)利用活動的基礎(chǔ)是整個過程中最重要的影響因素。
2) 環(huán)境影響D權(quán)重為0.2021，位居第二位，包括自然生態(tài)、社會影響。環(huán)境是人類生存和發(fā)展的前提，且環(huán)境破壞在一定程度上是“不可逆的”；在社會層面，廢棄礦井的開發(fā)利用也可以帶動當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，改善民生，提高生活水平。
3) 資源條件A權(quán)重為0.1779，位居第三位，包括廢棄礦井的地理區(qū)位、礦井開采、交通運(yùn)輸、社會需求，這些都是廢棄礦井資源開發(fā)所要考慮的因素，廢棄礦井的開發(fā)利用離不開資源條件的支撐，資源條件是開發(fā)的基礎(chǔ)。
4) 經(jīng)濟(jì)效益C的權(quán)重為0.1420，位居第四位，包括建設(shè)成本、運(yùn)營成本、配套成本和營收能力。廢棄礦井建設(shè)物理儲能不僅要重視環(huán)境影響，也要考慮經(jīng)濟(jì)效益。建設(shè)儲能電站時，不論是電網(wǎng)公司，還是電力用戶，儲能電站所帶來的經(jīng)濟(jì)效益都是值得關(guān)注的問題。
5) 能耗水平F權(quán)重為0.0881，排在第五位，即反映國家經(jīng)濟(jì)活動中能源的利用程度，包括絕對能耗、行業(yè)比較和導(dǎo)向政策。能耗水平對發(fā)電效益有著直接的影響。
6) 技術(shù)方案B權(quán)重為0.0774，排在第六位，包括技術(shù)原理、施工難度、工藝水平，這些指標(biāo)與廢棄礦井開發(fā)的進(jìn)度有密切聯(lián)系。同時,技術(shù)方案影響整個工程的質(zhì)量，好的技術(shù)方案可以保證系統(tǒng)安全性，提高整體效率。
3.2 指標(biāo)層的指標(biāo)權(quán)重分析
二級指標(biāo)層的各指標(biāo)權(quán)重值如圖4所示。在所有二級指標(biāo)中,排名前三的指標(biāo)分別為技術(shù)保障E、自然生態(tài)D,和資金投入E。
1) 技術(shù)保障巴的權(quán)重最高，為0.174 1。在廢棄礦井地下空間資源開發(fā)過程中，安全至關(guān)重要，而技術(shù)保障是安全層面中最受重視的指標(biāo)，技術(shù)越成熟越可靠，開發(fā)可行性越高，對礦井地下空間開發(fā)影響越大。
2) 自然生態(tài)D，的權(quán)重值排第二，為0.134 7。自然生態(tài)環(huán)境是人類生活和生存的基礎(chǔ)。開發(fā)廢棄礦井時，要重視對自然生態(tài)的影響，同時通過對礦區(qū)進(jìn)行改造，可以有效控制礦山開采引起的污染，這也是一項(xiàng)重要的生態(tài)保護(hù)措施。
3) 資金投入E的權(quán)重為0.100 1，排名第三。前期資金投入在一定程度上反映了項(xiàng)目的可靠性和運(yùn)作效率，也側(cè)面反應(yīng)了整個項(xiàng)目的質(zhì)量，是評價一個項(xiàng)目的重要指標(biāo)。
4 廢棄礦井大規(guī)模物理儲能方式優(yōu)選
在方案層3個方案權(quán)重分布中，壓縮空氣儲能，抽水蓄能和重力儲能3個方案按照權(quán)重大小排序?yàn)椋褐亓δ?gt;抽水蓄能>壓縮空氣儲能，如圖5所示。由此可見，對廢棄礦井地下空間儲能而言，重力儲能更具優(yōu)勢。
方案層相對于準(zhǔn)則層的權(quán)重如圖6所示。從圖6中可以看出，在6個準(zhǔn)則層指標(biāo)中，重力儲能在環(huán)境影響方面的優(yōu)勢最明顯，抽水蓄能在能耗水平方面更具優(yōu)勢，而壓縮空氣儲能的資源條件權(quán)重最高。
1) 在環(huán)境影響方面，重力儲能是3種儲能方式中公認(rèn)的最環(huán)保的方式，系統(tǒng)原則上可持續(xù)性極高，不排放溫室氣體，同時重物可就地取材或利用建筑垃圾等材料，且不會分解；壓縮空氣儲能使用天然氣或石油等燃料加熱壓縮空氣，產(chǎn)生的氣體會對環(huán)境有影響：而抽水蓄能頻繁的泄水和抽水會破壞河床地貌和生物的生活環(huán)境。
2) 在經(jīng)濟(jì)效益方面，3種儲能方式的平準(zhǔn)化儲能成本(即儲能全生命周期成本)由高到低分別是壓縮空氣儲能、抽水蓄能、重力儲能。壓縮空氣儲能機(jī)械設(shè)備占比較高，在產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈形成規(guī)模后，單位靜態(tài)投資有較大下降空間：抽水蓄能技術(shù)已趨成熟，但其應(yīng)用范圍有限，且選址和發(fā)展困難，平均成本上升；重力儲能的工程難度低，可以長期持續(xù)生產(chǎn)能源。
3) 在安全保障方面，相比于抽水蓄能和壓縮空氣儲能，重力儲能的維修保養(yǎng)需求更少，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性更高：壓縮空氣儲能地下空間存儲高壓氣體維護(hù)難度較高；抽水蓄能是3種方式中最成熟、應(yīng)用規(guī)模最大的，所以其管理制度也是最完善的。
4) 在技術(shù)方案方面，重力儲能與抽水蓄能的技術(shù)原理相似，將儲能介質(zhì)由水換成了重力塊，增大了能量密度，在相同勢能的情況下，可以降低建設(shè)高度，重力儲能對塔式起重機(jī)的精度要求較高：抽水蓄能則對地形要求高，選址困難；壓縮空氣儲能施工時要做好圍巖的防滲工作。目前為止，就工藝水平而言，抽水蓄能無疑是最好的。
5) 在資源條件方面，重力儲能對于地理區(qū)位的要求最低，基本沒有特殊要求，而抽水蓄能和壓縮空氣儲能對于地理區(qū)位都有不同的要求；同樣對于礦井開采條件，重力儲能也是要求最低。由于抽水蓄能目前是技術(shù)最成熟的，所以社會需求方面可能相對更高一點(diǎn)，其次是壓縮空氣儲能，最后是重力儲能。
6) 在能耗水平方面，抽水蓄能電站擁有非常高的儲能效率，可高達(dá)80%：壓縮空氣儲能的效率低于抽水蓄能；重力儲能能量密度低，建造的高塔平均都超過了100 m，而其輸出功率僅相當(dāng)于一個同等高度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，所以更適合“分布式”儲能。
5 結(jié)論
本文在系統(tǒng)調(diào)研廢棄礦井地下空間物理儲能方式的基礎(chǔ)上，以山西省白家莊煤礦為研究背景，利用層次分析法建立了廢棄礦山地下空間儲能精準(zhǔn)利用方式評價指標(biāo)體系，并根據(jù)專家打分法獲得指標(biāo)權(quán)重，最后提出了相應(yīng)的建議，以期對廢棄礦山的資源開發(fā)與利用具有一定的指導(dǎo)意義。
分別從資源條件、技術(shù)方案、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響、安全保障及能耗水平等方面進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：安全保障權(quán)重占比最高，環(huán)境影響次之,之后依次是資源條件、經(jīng)濟(jì)效益、能耗水平,最后是技術(shù)方案。
對廢棄礦山地下空間儲能精準(zhǔn)利用方式評價指標(biāo)進(jìn)行綜合權(quán)重分析，可發(fā)現(xiàn)方案層的3個方案中重力儲能的權(quán)重占比最高，其次是抽水蓄能，最后是壓縮空氣儲能。
雖然當(dāng)前抽水蓄能的技術(shù)已經(jīng)成熟，短時間內(nèi)抽水蓄能還將處于領(lǐng)先地位，而重力儲能還處于理論探索階段，但從本文分析結(jié)果看，重力儲能的優(yōu)勢明顯，發(fā)展前景廣闊，將來很有可能媲美甚至超過抽水蓄能。
