我國深層含水層地下儲熱研究取得新進展

　　為加強多種可再生能源綜合利用，將不穩(wěn)定的風能、太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地熱能，形成基于“地熱+”多能互補模式的研究，目前以中國科學院團隊為主體承擔的國家戰(zhàn)略性先導科技專項資助項目——深層含水層地下儲熱技術研究已從理論模型研究進入到技術研發(fā)和工程示范階段。

　　今年年初，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所黃永輝博士、龐忠和教授等共同撰寫的論文《深層含水層地下儲熱技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》發(fā)表，獲得了業(yè)內(nèi)人士的關注。文章介紹了中科院深層含水層地下儲熱技術研究進展的情況以及該團隊提出的地下儲熱相關設想及展望。

　　“深層含水層地下儲熱技術研究”課題研究的背景和意義是什么?這項技術研究的重點和難點是什么?深層含水層儲熱技術發(fā)展?jié)摿笆袌銮熬叭绾?日前，《地源熱泵》記者采訪了中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員龐忠和。

　　基于“地熱+”多能互補模式研究

　　——由淺層含水層儲熱向深層含水層儲熱拓展

　　含水層儲熱是一種利用地下含水層作為介質(zhì)將熱能存儲于地下含水層中的儲能系統(tǒng)。它通過地下水井從含水層中抽取和灌入地下水實現(xiàn)熱能儲存和開采利用。根據(jù)含水層所處深度，可將含水層儲能系統(tǒng)分為兩大類：一類是淺層含水層儲能,含水層深度在500米以淺,存儲熱水溫度一般低于50℃;另一類是深層含水層儲能,含水層深度通常在500米以深,存儲熱水溫度一般為50~150 ℃。

　　資料顯示，我國在利用淺層地下含水層進行儲熱方面的實踐開展得較早。如20世紀60年代，上海為了控制工業(yè)上過度抽取地下水所引起的地面沉降,進行了地下水的人工補給,同時開展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲熱技術。

　　基于淺層含水層的儲熱方式具有成本低的優(yōu)勢,但因其工作溫度較低、規(guī)模較小,儲熱能力有限, 且有污染地下飲用水的潛在風險。近年來，世界范圍內(nèi)開始嘗試替代方法,即基于深層含水層的高溫儲熱模式。

　　龐忠和說，從全世界范圍來看，目前各國做的以淺層含水層儲熱工程居多，深層含水層儲能都是剛剛起步。截至2017年,全世界范圍內(nèi)已建成2800多組淺層含水層儲熱系統(tǒng)，其中我國有6處已建成并投入使用。

　　目前，我國在含水層儲能技術上的研究和實踐多局限于淺層，隨著需求的擴大，以中科院團隊為主體承擔的深層含水層地下儲熱研究項目已啟動，其深度將達到500米或者1000米深左右。“我們這個項目計劃是四年時間，今年是第二年，前兩年做技術研發(fā)，后兩年做示范工程。”龐忠和說。

　　開展深層含水層地下儲熱研究的意義在于，一方面為了補充中深層含水層的目的，實現(xiàn)中深層地熱資源的可持續(xù)利用;另外一方面可以彌補能源供需在時間/空間分布的不平衡，能夠綜合利用多種可再生能源形式，將不穩(wěn)定的能源如風能、太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地熱能，形成基于“地熱+”的多能互補模式。

　　我國深層含水層儲熱研究獲新進展

　　——地下儲能已從理論研究邁入技術研發(fā)階段

　　深層含水層儲熱技術具有儲熱容量大、儲熱效率高、造價低等優(yōu)勢,是一種較為理想的大規(guī)?？缂竟?jié)儲能方式。“與淺層含水層儲能相比，深層含水層儲能系統(tǒng)較為安全，具有空間大、環(huán)境溫度比較高、保溫性能比較好優(yōu)勢，同時可以利用原地的地熱資源，原有的能量結(jié)合起來用，這個優(yōu)勢是顯著的。”

　　目前國外深層含水層儲能工程應用比價少，主要集中在歐洲。龐忠和告訴記者，他曾參觀歐洲的一些創(chuàng)新性國家如瑞士、德國，這些國家在開展深層含水層儲熱方面的研究工作。“瑞士在做一個500米左右的砂巖層的儲熱項目。德國有一個項目已經(jīng)運行十余年了，目前這個項目運行的情況比較好。”

　　關于我國深層含水層儲能研究進展情況，龐忠和介紹，目前以中國科學院團隊為主體承擔的深層含水層地下儲熱技術研究已從理論模型研究進入到技術研發(fā)階段。“目前這個項目的理論模型基本有了，現(xiàn)處于技術研發(fā)階段，技術研發(fā)的著力點是提高其效率，保證儲存順暢運行。”龐忠和說。

　　“目前中科院團隊已做了一些初步的研究，這為前期的技術研發(fā)工作做了一些很好的鋪墊。”他表示，現(xiàn)在可以開展實際的項目，針對當?shù)氐木唧w條件來做一套設計和相應的方案，通過不斷的調(diào)試和優(yōu)化，來提高其效率，這是該項目不斷放大規(guī)模的一個嘗試。

　　不科學的開采地熱田往往會導致地下水位下降外，還存在溫度下降的問題。龐忠和解釋說，這個是一個熱平衡的問題，“你的開采量不能超過含水層熱量的補充，那么在你開采量不大的時候能夠掌握，比如雄縣，我們持續(xù)觀測了四五年，目前沒有發(fā)現(xiàn)特別明顯降溫的現(xiàn)象，但是隨著地熱開采量的擴大和開采時間的延長，將來在雄安新區(qū)整個范圍內(nèi)地熱需求量會不斷的增加，到那個時候可能就會出現(xiàn)供應不上的問題，那么這時就需要對它進行能量補充，能量補充能夠擴大其供暖的能力。”

　　深層含水層儲熱市場應用前景廣闊

　　——將不穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定連續(xù)的地熱能

　　對于我國深層含水層儲熱發(fā)展?jié)摿笆袌鰬们熬褒嬛液徒淌诔錆M信心。“現(xiàn)在已有的儲能系統(tǒng)都是短時間，幾個小時或者一兩天，而深層熱儲是可以跨季節(jié)的。”他舉例說，在夏天可以把豐富熱量儲存下去，到了冬天再把熱量開采出來利用。這是可以跨季節(jié)的進行熱量的儲存和利用。

　　關于可再生能源多能互補應用，我國地熱領域已做了探索嘗試。龐忠和介紹，地熱能與太陽能結(jié)合在西藏羊易電站得到了應用，“16兆瓦的地熱電站旁邊沒多遠就有兩個各30兆瓦的太陽能光伏發(fā)電站。地熱能和太陽能可以一起發(fā)力為電網(wǎng)做貢獻，這是一種并聯(lián)的多能互補的方式”。

　　龐忠和介紹，除了地熱能與太陽能結(jié)合外，還有一種多能互補方式——太陽能和風能的結(jié)合利用。太陽能、風能是非穩(wěn)定的清潔能源，受氣候的影響比較大，它們只能在陽光明媚或刮風的時候發(fā)電。如何解決這種能源利用不連續(xù)的問題，最好的出路就是找一個“倉庫”把它儲存起來，“多的時候我存起來，少的時候或者沒有的時候我可以拿出來用，而地下儲熱就提供了這樣的一個便利條件”。

　　“等到地下儲熱這套技術做成之后，我們就可以接受其他不同能源所提供的能量，把它存儲起來。”龐忠和透露，目前他們團隊在張家口結(jié)合冬奧會正在做一個小規(guī)模的“地熱能+風能”多能互補示范工程。他希望能有更多的合作伙伴來共同推動這一方面的技術應用示范，盡快地形成一套完備的技術，將來能夠在更大的范圍內(nèi)使用。

　　深層含水層儲熱技術既能結(jié)合其他多種能源形式實現(xiàn)多能互補,也可作為區(qū)域地熱資源的必要補充和增強。龐忠和認為，“在未來清潔供暖需求日益增長、可再生能源占比越來越大的背景下，深層含水層儲熱系統(tǒng)作為一種有著良好研發(fā)基礎的儲熱技術將發(fā)揮更大的作用。”(龐忠和 注：限于篇幅，本文有刪減。原文刊載于2020年4月刊《地源熱泵》雜志。本文圖片由中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所黃永輝博士提供)