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庞忠和:我国深层含水层地下储热研究取得新进展

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  来源:《地源热泵》    作者:代海雷   发布日期:2020-05-14
核心提示:开展深层含水层地下储热研究的意义在于,一方面为了补充中深层含水层的目的,实现中深层地热资源的可持续利用;另外一方面可以弥补能源供需在时间/空间分布的不平衡,能够综合利用多种可再生能源形式,将不稳定的能源如风能、太阳能转化为稳定连续的地热能,形成基于“地热+”的多能互补模式。

从理论模型研究迈入技术研发和工程示范阶段

我国深层含水层地下储热研究取得新进展

——访中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和研究员



为加强多种可再生能源综合利用,将不稳定的风能、太阳能转化为稳定连续的地热能,形成基于“地热+”多能互补模式的研究,目前以中国科学院团队为主体承担的国家战略性先导科技专项资助项目---深层含水层地下储热技术研究已从理论模型研究进入到技术研发和工程示范阶段。


今年年初,中国科学院地质与地球物理研究所黄永辉博士、庞忠和教授等共同撰写的论文《深层含水层地下储热技术的发展现状与展望》发表,获得了业内人士的关注。文章介绍了中科院深层含水层地下储热技术研究进展的情况以及该团队提出的地下储热相关设想及展望。


“深层含水层地下储热技术研究”课题研究的背景和意义是什么?这项技术研究的重点和难点是什么?深层含水层储热技术发展潜力及市场前景如何?就此,《地源热泵》记者采访了庞忠和教授。




基于“地热+”多能互补模式研究

——由浅层含水层储热向深层含水层储热拓展


含水层储热是一种利用地下含水层作为介质将热能存储于地下含水层中的储能系统。它通过地下水井从含水层中抽取和灌入地下水实现热能储存和开采利用。根据含水层所处深度,可将含水层储能系统分为两大类:一类是浅层含水层储能,含水层深度在500米以浅,存储热水温度一般低于50℃;另一类是深层含水层储能,含水层深度通常在500米以深,存储热水温度一般为50~150 ℃。


资料显示,我国在利用浅层地下含水层进行储热方面的实践开展得较早。如20世纪60年代,上海为了控制工业上过度抽取地下水所引起的地面沉降,进行了地下水的人工补给,同时开展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水层储热技术。


基于浅层含水层的储热方式具有成本低的优势,但因其工作温度较低、规模较小,储热能力有限, 且有污染地下饮用水的潜在风险。近年来,世界范围内开始尝试替代方法,即基于深层含水层的高温储热模式。


庞忠和说,从全世界范围来看,目前各国做的以浅层含水层储热工程居多,深层含水层储能都是刚刚起步。截至2017年,全世界范围内已建成2800多组浅层含水层储热系统,其中我国有6处已建成并投入使用。


目前,我国在含水层储能技术上的研究和实践多局限于浅层,随着需求的扩大,以中科院团队为主体承担的深层含水层地下储热研究项目已启动,其深度将达到500米或者1000米深左右。“我们这个项目计划是四年时间,今年是第二年,前两年做技术研发,后两年做示范工程。”庞忠和说。


开展深层含水层地下储热研究的意义在于,一方面为了补充中深层含水层的目的,实现中深层地热资源的可持续利用;另外一方面可以弥补能源供需在时间/空间分布的不平衡,能够综合利用多种可再生能源形式,将不稳定的能源如风能、太阳能转化为稳定连续的地热能,形成基于“地热+”的多能互补模式。



解析深层含水层储热技术研究奥秘

——地下储能涉及能源技术与地球科学相结合


庞忠和教授介绍,深层含水层地下储热技术研究是介于地球科学与能源科学技术之间交叉的一个研究方向,而目前在能源科学技术里最突出的技术瓶颈是储能技术。他举例说,比较典型的就是电动汽车,电动汽车最大的问题是续航。“为什么有的车可以跑四五百公里,而有的车只能跑一两百公里?根本的差距就在于电池,电池储能的能力决定了电动汽车的续航能力。”


在一次能源领域里,比如石油、天然气诸如这些能源是需要储备的。同样在农业领域,粮食也需要储存。他说,一般的能源储备大家在地面上能够看得到,而地下储存则是另外一种选择方式。那么,地下储能就涉及到能源科学技术与地球科学相结合的研究。


庞忠和形象的向记者介绍了地下石油储存的方法。他谈到,首先在地下寻找盐穴,然后打钻,注入水把食盐融化后形成一个空洞,而这个空洞就是地下的储存空间,然后把石油放到空洞里,等需要的时候再把它抽取出来,这样就很好的对石油进行地下储存。


德国北部拥有世界上最大的盐穴式的地下油库,根据庞忠和的描述,其厚度可以达到3000米,用打钻的方式,打到1500米后注水,然后融化成了一个大洞,等到这个空间够用了,就不需要再注水,然后处理好抽干。这时把油放进去,可以储存大量的石油。


“德国从世界各地出口石油的国家把油买回来,然后放在储存库里,之后进行加工再转运,送到炼油厂供下游利用。这有点儿像地下的一个能源物流基地。”庞忠和说,地下储热是把热能量存到地下含水层中,相当于地热水开采的一个反向过程,也就是地热回灌。


热储场地选择技术和井储优化技术研究是开展“深层含水层地下储热”的主要关键技术。庞忠和说,要找一个合适的场地,实际上最后要落实到一个合适的储层,也就是用哪个含水层来储存热量。他举例说,寻找合适的场地就如同地热勘探一样,需要搜集项目所在地的水文地质调查数据,了解当地的地质构造、含水层分布情况、水质等方面的信息,以此更好的评价可以储存多少热能。


“同时还要选择确定哪个储存的什么部位,采取什么样的储存方式比较合适,这就需要进行设计。在此基础之上,评估如何让其存储的能量更大,并使其存储的成本低、效率高、安全可靠,这是我们主要研究解决的难点。”庞忠和说。


“深层含水层地下储热基本的方式是把热水注到钻井里,然后需要的时候能够抽取出来。”他介绍,这里面有一个储存改造的问题,如果储存不够好,那么如何扩大其储存能力来提高储层的孔隙率、渗透性。另外,在注水抽水的过程中如何能够保障流体循环顺畅的进行,不会出现结垢和堵塞等问题,这也是需要研究的。


而深层含水层地下储热核心的问题则是要解决系统如何高效的运行,庞忠和向记者举例说,假如把100吨的热水存进去,能抽出来80吨或者90吨,或者是以热量计算,放进去一份热量,最终能够拿出多少热量,这是一个效率的考核指标。经过分析研究,影响深层含水层储能系统的储能效率的关键参数包括水文地质参数、设计和运行参数以及背景参数。




我国深层含水层储热研究获新进展

——地下储能已从理论研究迈入技术研发阶段



深层含水层储热技术具有储热容量大、储热效率高、造价低等优势,是一种较为理想的大规模跨季节储能方式。“与浅层含水层储能相比,深层含水层储能系统较为安全,具有空间大、环境温度比较高、保温性能比较好优势,同时可以利用原地的地热资源,原有的能量结合起来用,这个优势是显著的。”


目前国外深层含水层储能工程应用比价少,主要集中在欧洲。庞忠和告诉记者,他曾参观欧洲的一些创新性国家如瑞士、德国,这些国家在开展深层含水层储热方面的研究工作。“瑞士在做一个500米左右的砂岩层的储热项目。德国有一个项目已经运行十余年了,目前这个项目运行的情况比较好。”


关于我国深层含水层储能研究进展情况,庞忠和介绍,目前以中国科学院团队为主体承担的深层含水层地下储热技术研究已从理论模型研究进入到技术研发阶段。“目前这个项目的理论模型基本有了,现处于技术研发阶段,技术研发的着力点是提高其效率,保证储存顺畅运行。”庞忠和说。


“目前中科院团队已做了一些初步的研究,这为前期的技术研发工作做了一些很好的铺垫。”他表示,现在可以开展实际的项目,针对当地的具体条件来做一套设计和相应的方案,通过不断的调试和优化,来提高其效率,这是该项目不断放大规模的一个尝试。


庞忠和介绍,深层含水层储热主要应用在已经开采的地热田中,例如像雄安新区地热田目前开采的很好,水位下降不大,最初的水位是每年下降八米,而现在每年下降一两米,其主要的原因是回灌,在雄安新区特别是雄县地热项目达到了接近于100%的回灌,含水层水位下降得到了控制。


不科学的开采地热田往往会导致地下水位下降外,还存在温度下降的问题。庞忠和解释说,这个是一个热平衡的问题,“你的开采量不能超过含水层热量的补充,那么在你开采量不大的时候能够掌握,比如雄县,我们持续观测了四五年,目前没有发现特别明显降温的现象,但是随着地热开采量的扩大和开采时间的延长,将来在雄安新区整个范围内地热需求量会不断的增加,到那个时候可能就会出现供应不上的问题,那么这时就需要对它进行能量补充,能量补充能够扩大其供暖的能力。”


通过控制好地下水位及温度,使得地热田能够真正实现长期、可持续开发利用,这是一种需求。而另外一种需求便是更广范围内的应用,庞忠和介绍,在地热资源条件不是很好的地方,比如温度不太高只有40度,为达到良好的供暖效果,这时可以人为的补充热量,使其温度能够达到50度或者60度,那么最终就能够开发利用。而对于地下储层条件不太好的情况,可以进行人工的改造和优化,进而能够扩大地热开发利用的范围。


庞忠和谈到,深层含水层储热技术研究可以很好的解决含水层怎么注进去,怎样抽出来,以及如何实现连续稳定的循环等相关问题。在他看来,这些技术问题的攻克,对于现有地热开采技术,会起到推动提升的作用。“比如将地表水向含水层中注入,需要满足怎样的条件,才能使得水循环能够保持稳定,而且还不破坏储层,这些是需要研究的,而最终研究出来的技术可以运用到普通的地热开发项目中。”



深层含水层储热市场应用前景广阔

——将不稳定的能源转化为稳定连续的地热能


对于我国深层含水层储热发展潜力及市场应用前景庞忠和教授充满信心。“现在已有的储能系统都是短时间,几个小时或者一两天,而深层热储是可以跨季节的。”他举例说,在夏天可以把丰富热量储存下去,到了冬天再把热量开采出来利用。这是可以跨季节的进行热量的储存和利用。


关于可再生能源多能互补应用,我国地热领域已做了探索尝试。庞忠和介绍,地热能与太阳能结合在西藏羊易电站得到了应用,“16兆瓦的地热电站旁边没多远就有两个各30兆瓦的太阳能光伏发电站。地热能和太阳能可以一起发力为电网做贡献,这是一种并联的多能互补的方式”。


庞忠和介绍,除了地热能与太阳能结合外,还有一种多能互补方式——太阳能和风能的结合利用。太阳能、风能是非稳定的清洁能源,受气候的影响比较大,它们只能在阳光明媚或刮风的时候发电。如何解决这种能源利用不连续的问题,最好的出路就是找一个“仓库”把它储存起来,“多的时候我存起来,少的时候或者没有的时候我可以拿出来用,而地下储热就提供了这样的一个便利条件”。


采访期间,庞忠和还谈到了加大工业余热的利用。他举例说,燃煤锅炉所产生的余热量巨大,燃煤锅炉产生的余热可以存在含水层里面。


“等到地下储热这套技术做成之后,我们就可以接受其他不同能源所提供的能量,把它存储起来。”庞忠和透露,目前他们团队在张家口结合冬奥会正在做一个小规模的“地热能+风能”多能互补示范工程。他希望能有更多的合作伙伴来共同推动这一方面的技术应用示范,尽快地形成一套完备的技术,将来能够在更大的范围内使用。


深层含水层储热技术既能结合其他多种能源形式实现多能互补,也可作为区域地热资源的必要补充和增强。庞忠和认为,“在未来清洁供暖需求日益增长、可再生能源占比越来越大的背景下,深层含水层储热系统作为一种有着良好研发基础的储热技术将发挥更大的作用。”


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