中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機(jī)遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了長沙理工大學(xué)教授蔣中明分享主題報(bào)告《壓縮空氣儲能巖穴儲氣庫的技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
蔣中明：我今天下午向大家介紹的技術(shù)屬于新型物理儲能技術(shù)中的壓縮空氣儲能技術(shù)。新型物理儲能在儲能的技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中是比較小眾的技術(shù)。壓縮空氣儲能也屬于新型物理儲能技術(shù)。。這個(gè)儲能技術(shù)在近些年也得到了長足的發(fā)展，特別是從去年以后，隨著國家碳中和碳達(dá)峰的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線的具體推進(jìn)，國內(nèi)很多大型企業(yè)都在壓縮空氣儲能技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了布局，所以我今天把壓縮空氣儲能技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，也就是巖穴儲氣庫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的情況跟在座的各位嘉賓做一個(gè)報(bào)告。我的報(bào)告題目是：壓縮空氣儲能巖穴儲氣庫的技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展。
壓縮空氣儲能技術(shù)是非常復(fù)雜的一個(gè)技術(shù)，儲氣裝置是其中的核心技術(shù)之一。什么是壓縮空氣儲能呢？簡單來說，它就是利用空氣作為介質(zhì)，在電能富余的時(shí)候用電能去驅(qū)動空壓機(jī)，將空氣壓縮成高壓的狀態(tài)并存儲在儲氣裝置里面，在需要用電的時(shí)候把它釋放出來，驅(qū)動透平機(jī)進(jìn)而發(fā)電的一種技術(shù)。壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)電的過程和火電廠的發(fā)電比較類似，但是由于它使用的介質(zhì)不同、技術(shù)路線也不同，所以它的設(shè)備工藝集成也有很大的差別。
我們總結(jié)了一下壓縮空氣儲能技術(shù)的六大優(yōu)點(diǎn)：一是容量大。壓縮空氣儲能電站的容量可以做到和抽水蓄能電站相當(dāng)?shù)乃?，目前國?nèi)壓縮空氣儲能設(shè)備的單機(jī)已經(jīng)做到了30萬千瓦，與我們許多火電廠發(fā)電機(jī)的機(jī)組裝機(jī)規(guī)?；臼窍喈?dāng)?shù)牧?。二是?jīng)濟(jì)比較好。三是壽命比較長，一般在30年到50年。四是效率比較高。當(dāng)然這個(gè)效率和抽水蓄能電站相比還有一定的差距，但是由于它的總投資較少，所以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)該也還可以。五是選址相對比較容易。抽水蓄能電站作為大規(guī)模儲能電站，必須要有水，有比較嚴(yán)格的地形地質(zhì)條件，但是壓縮空氣儲能電站對這方面的要求就沒有那么高。六是環(huán)保性好，因?yàn)樵谡麄€(gè)發(fā)電的過程當(dāng)中它用的是空氣，而這個(gè)空氣在進(jìn)行發(fā)電之前都需要經(jīng)過除塵和除濕的，所以發(fā)完電以后的空氣，排入大氣當(dāng)中的空氣是非常干凈的。這是它的幾大優(yōu)點(diǎn)。
目前在國內(nèi)外要推廣壓縮空氣儲能技術(shù)必須要解決兩大關(guān)鍵技術(shù)問題：
一是地面的設(shè)備及工藝集成技術(shù)。要發(fā)電就必須要有相應(yīng)的發(fā)電設(shè)備。目前，國內(nèi)的清華大學(xué)、中科院熱物理所、南方電網(wǎng)以及其他很多高校在壓縮空氣儲能技術(shù)設(shè)備研究方面都做了大量的工作，并且在近兩年取得了非常顯著的進(jìn)展。國內(nèi)許許多多的大型設(shè)備生產(chǎn)廠家也加入了這個(gè)行業(yè)來。到目前為止，國內(nèi)在壓縮空氣儲能的發(fā)電設(shè)備及系統(tǒng)集成技術(shù)方面應(yīng)該說已經(jīng)攻克了難關(guān)，設(shè)備制造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，為壓縮空氣儲能技術(shù)的大規(guī)模示范推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，這是第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
二是與地面設(shè)備配套進(jìn)行能量存儲的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)--儲氣技術(shù)。儲氣技術(shù)采用的裝置可以分為兩種：，一是用地面罐儲氣，地面罐一般都用鋼罐；另外一種是地下儲罐。地下儲罐就是把高壓的壓縮空氣放在地表以下洞穴中進(jìn)行存儲。由于存儲的壓縮空氣都處于高壓狀態(tài)，這種壓力至少要達(dá)到10個(gè)兆帕。在如此高的壓力下，壓縮空氣的存儲面臨安全問題、可靠密封問題以及經(jīng)濟(jì)問題。從我們所收集到的資料來看，國內(nèi)外已經(jīng)商業(yè)化和已經(jīng)示范應(yīng)用的大型壓縮空氣儲能電站所采用的儲氣裝置都是鹽巖洞穴儲氣庫。這種儲氣庫可以提供高達(dá)幾十萬方甚至上百萬方的壓縮空氣存儲空間。地面罐的規(guī)模是做不大的。地面罐存儲高壓壓縮空氣頂多就是幾千方或者是幾萬方，造價(jià)比地下儲氣庫要貴兩倍甚至三倍不止，所以發(fā)展經(jīng)濟(jì)高效的地下儲氣庫是壓縮空氣儲能電站技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)非常重要的方向。
人造巖穴儲氣庫和鹽巖洞穴儲氣庫相比的優(yōu)點(diǎn)就是選址更加的靈活，鹽巖的洞穴儲氣庫受制于我們國家的鹽巖地層分布的情況，我們國家的鹽巖地層在全國分布不算很廣泛，主要在華東地區(qū)分布比較多一些，像山東、江蘇等。在需要大量儲能電站的三北地區(qū)沒有這樣的地質(zhì)條件。所以人造巖穴儲氣庫是國內(nèi)外很多高?；蛘咂髽I(yè)目前在開發(fā)的新技術(shù)。
人造巖穴儲氣庫在建設(shè)過程當(dāng)中有幾大關(guān)鍵技術(shù)值得關(guān)注：一是溫控技術(shù)，溫控技術(shù)跟壓縮空氣的熱動力過程是密切相關(guān)的。地下儲氣庫在進(jìn)行壓縮的時(shí)候會出現(xiàn)非常高的溫度，這個(gè)溫度不控制下來，它在后期對密封材料會造成很大的傷害。二是高壓壓縮空氣進(jìn)出庫的管道振動，這個(gè)管道的振動也必須要解決好，否則也會漏氣。三是在地下如何高效地把壓縮空氣密封住，這也是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。有一部分同志對這一塊不了解，認(rèn)為把壓縮空氣直接注入到地下就封住了，事實(shí)上不是如此。地下的天然巖石都是有裂隙的，像幾兆帕上10兆帕的高壓壓縮空氣壓進(jìn)去以后，它都會漏掉跑掉。所以對于人造巖穴儲氣庫，要設(shè)置一個(gè)人工的密封層。如何保障人工密封結(jié)構(gòu)的長期有效性是目前國內(nèi)外應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。四是地下儲氣庫的設(shè)計(jì)理論體系與規(guī)程規(guī)范的制定。為什么我把它列到這里？據(jù)我的統(tǒng)計(jì)，目前我國已經(jīng)有多個(gè)百兆瓦以上的壓縮空氣儲能電站進(jìn)入了可研階段，但如何設(shè)計(jì)和建設(shè)壓縮空氣儲能的地下儲氣庫沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范，這就導(dǎo)致了地下儲氣庫裝置在設(shè)計(jì)中缺乏參考依據(jù)。因此，還需要所有關(guān)注壓縮空氣儲能技術(shù)的人員或者從業(yè)人員盡快開展設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)規(guī)范的研究，從而為這項(xiàng)技術(shù)得到更好推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。
在地下儲氣庫的核心技術(shù)當(dāng)中，高壓氣體的密封技術(shù)是其中的瓶頸技術(shù)。為什么我在這里講瓶頸技術(shù)？不是說它封不住，關(guān)鍵是經(jīng)濟(jì)性要合理。如果是用鋼罐，沒有問題，肯定密封很好，但是鋼罐存一方氣大致要5000塊錢，這個(gè)造價(jià)非常高，比如建設(shè)一個(gè)100兆瓦的壓縮空氣儲能電站，在鋼罐這一塊就要投資將近5個(gè)億，這顯然是不能接受的，所以我們就把目光轉(zhuǎn)向地下。目前地下高壓氣體密封技術(shù)分兩類，一類是剛性密封，一類是柔性密封。剛性密封主要是以鋼襯作為密封材料，把高壓氣體進(jìn)行密封的一個(gè)技術(shù)。柔性密封是在地下儲氣庫的里面再貼一層柔性的防滲材料。柔性密封技術(shù)又分為兩類，裝配式襯砌和整體式襯砌，這兩類有各自的特點(diǎn)，裝配式的柔性防滲結(jié)構(gòu)非常聰明，在高壓的情況下，地下儲氣庫襯砌外面的混凝土處于受拉的狀態(tài)，而利用裝配式結(jié)構(gòu)以后，它可以把這種受拉的結(jié)構(gòu)變成一個(gè)受壓的結(jié)構(gòu)，從而充分利用混凝土的抗壓性能，進(jìn)而大幅度節(jié)省工程造價(jià)。對于柔性密封結(jié)構(gòu)來講，除了襯砌結(jié)構(gòu)以外，還有一個(gè)關(guān)鍵就是柔性密封材料的選擇。柔性密封材料可以用橡膠，也可以用其他的一些柔性的材料。這里給大家展示的材料是我們研究的一種新型柔性防滲混凝土材料。這種材料具有很低的彈性模量，可以和圍巖產(chǎn)生很好的協(xié)調(diào)變形，但是它的滲透性又非常低，比混凝土要低幾個(gè)數(shù)量級，所以它能夠滿足高壓氣體的密封。
講完了壓縮空氣儲能電站幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，我再跟大家再分享一下人造巖穴儲氣庫在設(shè)計(jì)流程方面的認(rèn)識。，地下儲氣庫設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行選址。選址要遵循安全可靠，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，不是任何一個(gè)地層都可以修建地下儲氣庫的。對于不同類型的壓縮空氣儲能電站，比如是電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲能電站，由于類型不同，進(jìn)行選址的流程也有一些差別，而且影響壓縮空氣儲能電站選址的因素也很多，但是其最核心的一點(diǎn)還是建造地下儲氣庫的巖層性質(zhì)，也就是巖體的力學(xué)特性好壞是能否進(jìn)行成功選址的關(guān)鍵。
對于人造巖穴儲氣庫的設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為至少應(yīng)該要包括九大內(nèi)容。在選址確定完了之后，首先要對儲氣庫進(jìn)行初步的平面布置，在這個(gè)基礎(chǔ)之上對儲氣庫的斷面形式要進(jìn)行確定，因?yàn)閮鈳斓娜莘e空間通常都非常大，一般都是幾十萬方甚至上百萬方，這么大的空間我們怎么把它布局好，以最有利的形式來存儲空氣，這是我們首先要考慮的一個(gè)問題。在這個(gè)基礎(chǔ)之上，我們要確定一個(gè)合適的埋深。儲氣庫的埋深事關(guān)兩個(gè)方面，首先是安全，如果埋深淺了，高壓壓縮空氣會把地層沖破，可能帶來安全問題。但是如果過深，建造底下儲氣庫的造價(jià)會大幅度提升，又不經(jīng)濟(jì)，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該用盡量多的方法根據(jù)其運(yùn)行的最大壓力以及儲氣庫的形式對儲氣庫的埋深進(jìn)行定量計(jì)算和綜合分析以后才能確定。目前我們擁有完整的研究方法和計(jì)算程序。地下儲氣庫建設(shè)最根本的一點(diǎn)就是要保證安全性，工程建設(shè)首先要考慮的是安全問題，如果不安全其他的都不成立。地下儲氣庫的安全風(fēng)險(xiǎn)主要來源于什么？在高壓的情況下，地下巖層是不是會破壞？要分析它是不是會破壞，我們需要知道它的整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性以及長期的穩(wěn)定性，采用不同的方法對它進(jìn)行研究。地下的巖石并不是鐵板一塊的，有的地方好，有的地方壞。巖石不好的地方，我們可以用一些錨桿錨索等等加固措施對它進(jìn)行加固，從而不影響整體的安全性。再是要提供一套經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)可行的密封方案，這個(gè)密封方案的形式很多，這里還提了一個(gè)水幕系統(tǒng)，國外曾經(jīng)也提出用地下水來密封高壓壓縮空氣，這也是其中一中密封方案。但是從目前國內(nèi)外的情況來看，最可靠的還是在地下儲蓄庫的內(nèi)表新增加一層密封層，密封層的材料主要以鋼板、橡膠、玻璃鋼以及各種柔性材料為主。
堵頭和交通巷道是輔助系統(tǒng)。堵頭的密封也是非常關(guān)鍵的，雖然它是地下儲氣庫中的重要組成部分，但是這兩部分的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法相對來說比較成熟。在地下儲氣庫當(dāng)中我們還要設(shè)置排水系統(tǒng)，地下儲氣庫的排水系統(tǒng)包括兩個(gè)方面，一個(gè)是要排儲氣庫內(nèi)部的水分，另外一個(gè)要排儲氣庫密封層外面的水分。內(nèi)排水系統(tǒng)和外排水系統(tǒng)，內(nèi)排水系統(tǒng)就是要排出壓縮空氣經(jīng)過長期運(yùn)行以后在儲氣庫里面形成凝結(jié)水。外排水系統(tǒng)主要是保證密封結(jié)構(gòu)的安全，這些排水系統(tǒng)雖然是細(xì)節(jié)，但是對我們工程來講也是特別關(guān)鍵的一個(gè)步驟。
設(shè)計(jì)監(jiān)控措施。任何工程我們都需要知道它的健康狀態(tài)，地下儲氣庫也需要監(jiān)測壓縮空氣溫度壓力的變化，以及儲氣庫結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、溫度、空氣水壓力等等。整個(gè)監(jiān)測體系可以保證儲氣庫在運(yùn)行過程當(dāng)中能夠以健康的姿態(tài)來進(jìn)行工作。最后一個(gè)是運(yùn)行方式。地下儲氣庫的運(yùn)行方式跟地表設(shè)備的運(yùn)行方式是關(guān)聯(lián)的。地下儲氣庫在運(yùn)行過程當(dāng)中可能會出現(xiàn)超過100度的高溫情況，也可能出現(xiàn)低于0度的情況。這兩種情況實(shí)際上都跟電站的運(yùn)行方式有關(guān)，所以在地下儲氣庫里面我們還得設(shè)置一套溫控系統(tǒng)，以保證地下儲氣庫里面的溫度在允許范圍之內(nèi)。對于小規(guī)模的儲氣庫來講溫度問題可能不大，對于大規(guī)模地下儲氣庫來講，它的容積是幾十萬方甚至上百萬方，溫控問題就比較重要了。如果換熱片的模式來換熱，造價(jià)將是巨大的。。目前我們正在陜西進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們提出的新型的非換熱溫控技術(shù)。上述問題解決好了，才能夠把我們的壓縮空氣儲氣裝置設(shè)計(jì)好，從而為整個(gè)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供一個(gè)保障。
關(guān)于人造巖穴儲氣庫的工程在我們國內(nèi)應(yīng)用的情況，我這里簡單的列了幾個(gè)，目前應(yīng)該有十幾個(gè)電站，最早是河北張北的鋼罐+巖穴。8月份遼寧朝陽的壓縮空氣儲能電站也是采用人工硐室。湖南應(yīng)該說是以抽水蓄能為主的，但是就在這個(gè)月的16號，中能建跟湖南湘鄉(xiāng)簽了一個(gè)戰(zhàn)略合作協(xié)議，準(zhǔn)備投資72個(gè)億，建設(shè)3×300兆瓦6個(gè)小時(shí)的壓縮空氣儲能電站，也是采用人工硐室。還有湖南邵陽廢棄的石膏礦洞建設(shè)壓縮空氣儲能電站也屬于人工洞穴儲氣庫。隨著人造巖穴儲氣庫技術(shù)的日臻完善，它的應(yīng)用前景會越來越廣泛。
最后簡單介紹一下我們團(tuán)隊(duì)的一些情況，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)做地下存儲能源方面的研究也將近有10來年了，在壓縮空氣這個(gè)領(lǐng)域，我們保持了長期不斷線的研究。在國內(nèi)我們實(shí)施了第一個(gè)淺埋的巖穴地下儲氣庫的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)庫的設(shè)計(jì)到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程我們都全程參與了。目前我們還在開展國內(nèi)第一個(gè)利用廢棄石膏礦建設(shè)壓縮空氣儲能電站的可行性研究。通過這些年的思考，為了獲得更加經(jīng)濟(jì)高效的一種密封方案，我們發(fā)明了一種地下儲氣庫的新型密封材料，這種密封材料就是我們剛剛講的柔性混凝土，從實(shí)驗(yàn)的情況來看其性能都能夠滿足要求，目前正在組織大比例尺的模型實(shí)驗(yàn)，也就是在陜西做一個(gè)實(shí)驗(yàn)庫的密封結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。在一些設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法和技術(shù)方面，我們也取得了一些成果。此外，在人造巖穴地下儲氣庫方面，我們獲得的發(fā)明專利也已經(jīng)有十項(xiàng)左右。
我的報(bào)告就到此結(jié)束，敬請各位來賓和各位專家批評指正。
