能源清洁化和低碳化是全球能源发展的不可逆趋势[1]。图1给出了全球可再生能源装机容量及其增长速率(2017~2022年)[2], 年平均增长速度为8.88%。其中, 风电和光伏发电装机容量增加幅度最为显著, 其次为生物质发电, 水力发电增加不显著。中国作为能源消费大国, 能源消费主要以煤炭为代表的化石能源为主, 但能源清洁化已经成为国家能源发展重大的战略部署。以天然气和风能、光能等为代表的清洁能源规模化应用是实现“双碳”战略和能源结构升级转型的关键。2016~2022年, 清洁能源在我国能源消费占比从19.1%增加到25.9%, 年均增长速率达到5.2%, 其中风能、光能累计装机容量从2.46亿千瓦增加到7.60亿千瓦。清洁能源已经成为我国能源重要构成部分, 并且是我国能源今后开发利用的重点, 预计到2060年清洁能源在我国能源消费占比将会达到80%。

图1 全球可再生能源累计装机容量及增长速率(2017~2022年)[2]

以天然气、风能和太阳能为代表的清洁能源分布上具有很强的地域性和时域性, 制约了清洁能源的平稳供给和高效利用。我国天然气主产区在西北而消费区在东南, 生产区和消费区通过上千公里的管道连接, 且消费存在较强的季节性和时段性, 给天然气平稳安全供给带来了巨大的挑战。例如, 2017年席卷全国的“气荒”严重影响了国民经济发展和民生。将风能、光能等清洁能源转换为可存储的能源(压缩空气、氢气等)是克服其地域性和时域性缺点的必由之路, 而大规模储能设施建设是基础和前提, 建设深地储能库是最佳选择。另外, 我国石油对外依存度高, 但储备不足且主要以地面储备为主, 容易受到战争、恐怖主义和自然灾害等影响, 严重威胁国家能源和国防安全, 加大储备、提高储备安全势在必行[3]。21世纪是人类开发利用深部地下空间的世纪。因此, 资源化利用我国深部地下空间进行石油、天然气、氢气、压缩空气及CO2等能源或能源物质和氦气等战略稀缺物质的储备, 对优化我国能源结构、快速提高能源储备能力和确保国家能源及战略物质安全具有重要意义, 是我国能源储备重要的发展方向。

1

深地储能概念及其意义

深地储能是指利用深部地下空间(地质体)实施石油、天然气、氢气、压缩空气及CO2等能源或能源物质和氦气等战略稀缺物质的储备, 保障能源平稳供给和战略物质安全、提高清洁能源利用效率和减少CO2排放等[1]。深地储能地质体类型包括：枯竭油气藏、含水层、盐穴和矿洞等(图2)。

图2 深地储能地质体类型示意图

枯竭油气藏是指已经开采衰竭或者开采到一定程度的退役油气藏, 常被用来建设地下天然气储备库。截至2021年，全世界已经建成油气藏型储气库523座、工作气量约3500亿m3, 建库数量和工作气量分别占到储气库总数和总工作气量的73%和79%(https://www.cedigaz.org/shop-with-selector/?type=publications)。用于储气的含水层一般由含水砂层和不透气覆盖层组成, 全球已经建成含水层型储气库87座、总工作气量达到467亿m3(https://www.cedigaz.org/shop-with-selector/?type=publications)。盐穴是指利用水溶法在盐岩地层中为储能专门建造的或者采矿形成的地下腔体。利用盐穴进行地下能源储备已经较为成熟, 全世界目前已经建成盐穴储气库约100座、形成工作气量超330亿m3(https://www.cedigaz.org/shop-with-selector/?type=publications)。同时, 盐穴石油储备库、盐穴压缩空气储能发电站和盐穴储氢库等都已经有成功实施的案例。我国已经建成江苏金坛和湖北江汉盐穴储气库, 累计投产腔体超过40个、形成工作气量超过10亿m3。矿洞作为矿产资源开发完成后形成的地下空间, 具有资源量大、分布广等优势, 1963年在美国克罗拉多DENVER附近首次建成废弃矿洞储气库, 目前世界上有3座废弃矿洞储气库[4]。同时, 德国计划利用废弃的煤矿矿洞建设抽水蓄能发电站[5,6], 以提高清洁能源利用效率。利用深部地下空间进行石油和天然气储备已经具有较长的发展历史并形成相关产业。随着能源低碳和清洁化发展以及对提高能源供给安全可靠度的需求不断增加, 深地储能已经被赋予新的内涵并进入了快速发展阶段。

图3 给出了利用枯竭油气藏、含水层、盐穴和矿洞等深部地下空间储能在能源互联网中作用的示意图。第一, 利用深地地下空间实施压缩空气和氢储能, 可以有效提高清洁能源利用效率和丰富清洁能源应用场景。以风能、太阳能和潮汐能为代表的可再生能源, 存在不能连续供给和分布地域性强等缺点, 给电网安全运行带来了巨大挑战, 造成弃风弃光严重[3]。通过将风能、光能等可再生能源转换为压缩空气势能和氢能(电解水制氢)是解决其上述缺点的有效手段。由于压缩空气能量密度低, 大规模存储压缩空气的空间是制约压缩空气储能经济性、快速发展中的重要一环。绿电制氢并进入管网是实现绿氢大规模、高效利用的关键。利用深部地下空间建设储氢库是氢能“制-输-储-销-用”产业链中重要的一环。第二, 截至2022年, 全世界有超过10亿桶原油和成品油、4000亿m3天然气被存储在深部地下空间中[1], 对保障全球能源安全和能源贸易发挥了巨大的作用。第三, 氦气作为重要的战略物质, 广泛地应用在航空航天、高端制造和精密医疗等领域, 我国对外依存度长期保持在95%以上,利用地下空间实施氦气储备对保障我国氦气供给安全和大宗氦气国际采购博弈具有重要意义。第四, 利用深部地下空间进行CO2地质封存(包括利用)是实现化石能源减碳和零碳的有效途径之一, 我国已经在CO2驱油和煤层气等领域得到长足发展。因此, 深地储能是能源互联网中的关键节点和重要基础设施。

图3 利用枯竭油气藏、含水层、盐穴和矿洞等深部地下空间储能在能源互联网中作用示意图

2

新形势下深地储能机遇

2.1

清洁能源大规模应用和CO2减排

以风能和太阳能为代表的清洁能源在我国能源整体消费占比从2016年的19.1%增加到2022年25.9%(图4)。根据预测, 2030年我国清洁能源消费量占比将要达到30%以上。由于风能、光能等清洁能源具有不能持续供给和地域性分布强等天然缺点, 2022年新疆、西藏、山东和内蒙古等地出台相应政策要求风光发电项目需要配备1~2 h 5%~40%装机容量的储能。储能作为风能、光能等清洁能源项目上马的先决条件,客观上促进了储能产业的发展。依托深部地下空间建设大型压缩空气储能发电站具有储能规模大、经济性好和安全性高等优势,已经在行业内达成共识, 例如德国Huntorf和美国Mcintosh压气蓄能电站[7]等都是以深部地下盐穴作为储能载体, 并已经实现了商业化运行。压缩空气储能已经被列入国家“十四五”储能重点发展方向[8]。2021年, 中国压缩空气储能实现了跨越式增长, 新增投运规模170 MW, 累计装机规模为183.35 MW, 规划建设的包括：江苏淮安465 MW/2600 MWh压缩空气储能项目、湖北应城300 MW压缩空气储能项目和辽宁朝阳300 MW压缩空气储能项目等。

图4 2016~2022年中国清洁能源消费占比

将风能、光能等清洁能源产生的富裕电能转换为氢能进行储能也是大规模储能的重要方式, 是国际上储能领域研究的热点和难点, 也是我国大规模储能优先发展的方向之一。根据《中国氢能及燃料电池产业白皮书》预测[9], 2030年中国氢能年需求量将高达3500万吨, 2050年氢能将在我国终端能源体系中占比10%, 年需求量6000万吨(折6600亿m3)。面对如此规模化氢能利用, 必须建立相应的保安调峰储备。利用深部地下空间储氢是实现大规模储氢的经济和安全手段, 可以实现万吨级规模的氢能储备, 满足太瓦和季节性调峰需求。美国和英国等开展了利用深部地下盐穴实施大规模氢能储备方面的现场试验[10], 单个盐穴最大储氢量可以达到近万吨。德国、法国和美国等已经开展了H2和CO、CH4等混合气体在地下含水层和衰竭油气藏中大规模存储的工程试验[11], 并取得了相关工程经验和基础理论认识。

CO2 地质封存是实现化石能源低碳甚至零碳排放的有效途径, 已经被国际社会列为固碳的主要技术手段[12]。化石能源作为我国能源主要构成部分(图5), 今后很长一段时间内仍将是我国能源消费的主体, 减碳和固碳压力巨大。CO2封存地质构造包括衰竭油气藏、咸水层、盐穴和深部煤层等。根据测算, 我国2030和2060年CO2地质封存需求量分别为0.2~4.08和10~18.2亿吨[13]。超临界状态下, 封存1吨CO2需要地下空间体积约为1~1.4 m3, 则2030和2060年CO2地质封存需要地下空间将会达到4亿和18亿m3,给深部地下空间利用带来新的机遇。

图5 2019~2022年中国能源消费构成

2.2

战略石油和成品油储备

1993 年我国从石油出口国转换为石油净进口国, 近年来我国石油对外依存度超过70%, 而石油储备量与石油消费量严重不匹配且石油储备主要以地面储罐为主, 严重威胁到我国石油供给安全。石油具有易燃易爆的特征, 火灾等隐患巨大。例如, 1989年黄岛油库火灾、2011年日本地震诱发千叶县地面储罐火灾[3]和2022年古巴雷击导致大量战略储备石油被烧毁等(http://news.sohu.com/a/678463926_121123871)。同时, 地面储油罐也是军事打击和恐怖袭击的主要对象(https://k.sina.cn/article_6435187353_17f912a9900100sd3w.html?mod=wpage&r=0&tr=381)。地面储罐占地面积大。以建设500万吨地面石油储备库为例, 大约需要2000亩土地, 且在距离油库一定范围内不能从事人员密集型生产和活动。利用深部地下空间, 尤其是深部地下盐穴进行战略石油和成品油储备, 具有经济性好、安全性高和占地少等优势, 已经在欧美多个国家得到推广和应用。目前全世界有超过10亿桶原油和成品油存储在深部地下盐穴中[1], 为保障相关国家能源安全作出了巨大贡献。根据国际能源组织建议, 一个国家战略石油储备量应不少于其90天的消费量才能保障其石油供给安全。2022年, 我国成品油消费量达到了3.26亿吨,将成品油存储于深部地下空间也是我国成品油存储的重要发展方向。这为深部地下空间储能带来了新的需求。

2.3

天然气调峰与战略储备

天然气作为一种清洁能源, 是替代煤炭和石油等化石能源的一种过渡能源, 在我国能源消费占比中逐年增加。2017年, “气化中国”战略实施以来天然气消费在中国呈现出爆发式增长。2022年, 中国天然气表观消费量达到了3663亿m3, 其中进口天然气为1532亿m3、占比41.8%, 加大储备是保障天然气供给安全的迫切需求。同时, 我国天然气主产区在西南和西北地区, 而天然气主要消费区在中东部地区, 且消费量随季节性变化大, 大规模天然气存储是保证长输管道天然气平稳供给的关键。目前我国大规模天然气储备主要包括：地下油气藏型储气库、盐穴储气库和LNG储罐。根据国际惯例, 储备工作气量达到年消费量的15%左右才能保证管网运行和天然气供给安全[1,3]。我国天然气储备严重滞后天然气产业发展需求, 供需不平衡问题突出, 导致大规模“气荒”屡次发生。2020年4月10日, 国家发改委等5部门联合下发《关于加快推进天然气储备能力建设的实施意见》, 要求加快天然气储备能力建设, 提升天然气储备能力。2023年4月12日, 国家能源局印发《2023年能源工作指导意见》, 要求着力增强能源供应保障能力, 以地下储气库为主, 沿海LNG储罐为辅, 推进储气设施集约布局。根据预测, 2030年我国天然气消费量将会达到6000亿m3, 保安调峰需要的储备工作气量将会达到900亿m3。加快天然气战略储备制度建设已经在全世界形成共识。根据我国天然气消费市场规模及发展前景预测, 战略储备规模将会达到600亿m3。目前, 我国累计建成储气库24座, 形成工作气量约190亿m3, 距离实际需求还具有很大的差距, 这为利用深部地下空间储能带来了新的机遇。

3

我国深地储能现状

储油库

2008 年我国石油对外依存度突破50%, 2019年超过70%。但是我国的战略石油储备相对滞后, 战略石油储备量占比消费量的比例远低于美国、德国、法国等欧美发达国家。我国石油储备基地大部分建在沿海地区, 且以地面储备为主。截至2014年, 国家战略石油储备一期工程已经建设完成、形成原油储备能力1243万吨, 储备基地均位于沿海港口。石油储备第二期建设正在进行，包括：辽宁锦州、山东青岛和甘肃兰州等。较第一期更具有战略纵深和安全性，储备方式由传统的地面储罐转为水封花岗岩硐室、盐穴等多种方式。石油储备第三期正在规划中，建设重点为深部地下石油储库。

储气库

20 世纪60年代末, 在大庆油田开始尝试利用废弃油气藏改建为地下储气库。1999年, 我国首次在大港油田利用枯竭凝析气藏建成了第一座商业化的调峰储气库——大港大张坨地下储气库, 并于2000年投产运行。2007年, 金坛储气库开始投产运营, 是我国第一个盐岩地下储气库, 也是世界上第一个利用已有溶腔改建而成的储气库。截止到2022年底, 我国累计建成储气库24座, 形成工作气量约为190亿m3, 其中衰竭油气藏型储气库20座、盐穴储气库4座。储气库工作气量约占天然气消费量(2022年)的5%, 距离保安调峰所需的15%消费量仍具有较大差距。中东部地区是中国经济最发达区域之一, 对天然气等能源消费需求旺盛, 具有丰富的盐矿资源, 例如江苏金坛、江苏淮安和河南平顶山等大型盐矿, 为建设盐穴储气库提供了便利。目前金坛盐穴储气库已经建成投产盐穴40余个、形成工作气量超过10亿m3。依据国家总体战略部署, 我国将形成四大区域性联网协调的储气库群, 2025年全国储气能力达550~600亿m3, 2030年达到600~700亿m3, 2035年达到700~800亿m3。

压缩空气储能

2009 年, 利用盐穴实施压缩空气储能发电被提出并结合金坛盐矿地质条件开展了地质可行性评价, 筛选出10余个采卤盐穴作为建设压缩空气储能电站的潜在库址[14]。2021年, 在前期盐穴选址基础上建成了我国首座压缩空气储能发电站——金坛盐穴压缩空气储能发电站。该储能发电站设计功率为60 MW, 远期设计功率为300 MW, 于2022年5月并网发电[15]。山东肥城盐穴压缩空气储能发电站2021年9月实现并网发电, 设计储能发电功率为10 MW。由于利用深部地下空间进行压缩空气储能具有安全、经济和高效等优势, 在我国呈现出井喷式的发展。例如, 湖北应城300 MW盐穴压缩空气储能项目、江苏淮安400 MW压缩空气储能项目、山东肥城300 MW压缩空气储能示范项目二期等正在建设和规划建设的项目共有19个, 规划总装机量达到5.38 GW(https://www.163.com/dy/article/HUBUU2NH0552DME7.html)。根据预测, 我国2025年压缩空气储能发电装机量达到6.76 GW, 2030年达到43.15 GW(https://chuneng.ofweek.com/news/2022-10/ART-180221-8120-30575757.html),有望形成新的产业。

储氢库

2023 年, 湖北大冶绿电绿氢制储加用一体化氢能矿场综合建设制氢工厂项目正式开始建设, 其中包括利用采矿矿洞进行氢气存储的工程试验, 有望成为中国地质储氢第一库(http://www.hbdaye.gov.cn/xwzx/tpxw/202303/t20230326_1000793.html)。中国科学院武汉岩土力学研究所主要负责采矿矿洞储氢可行性分析及现场工程试验关键技术等方面工作。同时, 中国科学院武汉岩土力学研究所正在与中国平煤神马集团联合开展利用盐穴进行大规模储氢相关研究工作。

4

存在的问题

深地储能在我国已经取得了长足发展, 尤其是在利用枯竭油气藏和盐穴建设地下储气库方面已经达到了国际领先水平, 深地压缩空气储能、盐穴储油、盐穴储氦、地质储氢和CO2地质处置等都在蓬勃发展, 深地储能产业逐渐形成, 但是仍然存在以下问题。

(1) 深地储能领域前沿基础研究不足, 尚未形成系统的理论体系, 无法对深地储能关键新技术策源提供支撑 。利用深地储氢、压缩空气和氦气等涉及多场多相和多尺度耦合、原位生物-化学和物理反应、小分子气体渗流、储能地质体物理力学性能演化等理论和技术方面的新问题和新挑战, 是国内外深地储能最新研究前沿。由于前期未涉及类似工程情景, 导致已有的基础理论和关键技术无法满足深地储能发展新形势的需求。

(2) 深地储能缺乏顶层设计规划, 采矿和储能等相关领域协调不足, 降低了深部采矿地下空间利用效率, 滞后了深地储能实施进程 。利用采矿形成的深部地下空间进行储能, 可以变废为宝, 实现采矿空区的资源化利用, 显著降低储能成本、加快储能库建设进度。由于缺乏顶层规划设计, 未能实现采矿和深地储能一体化协同发展, 导致采空区安全性、密封性和耐久性等无法满足深地储能要求, 造成深部地下空间资源的大量浪费。例如, 我国已有盐矿水溶开采形成的盐穴超过2000个, 而可以满足储能等需求的不足50个。

(3) 深地储能专业化人才缺乏, 人才培养有待于进一步加强 。深地储能涉及岩土工程、工程地质、地球化学、油气储运、能源工程等领域, 是典型的交叉学科, 是经济发展和能源消费遇到的新情况, 导致相关科技人才储备不足, 无法满足大规模深地储能快速发展需求。

5

加快深地储能发展建议

5.1

加强基础理论和关键技术研究

(1) 针对利用衰竭油气藏建设储气库, 突破油藏建库技术瓶颈, 拓展建库新领域, 优先开展库容高效动用关键技术研究提高在役库容利用效率。开展推动储气库智能化建设关键技术和拓展储气库新功能等方面的研究。

(2) 针对我国层状盐岩地质特征, 重点开展高杂质含盐地层建库新技术研究, 提高建库效率, 实现层状盐岩多建库、建大库和低成本建库。

(3) 聚焦地质储氢相关理论和关键技术研究, 揭示地质储氢原位生物、化学和物理反应机制和机理以及对储能地质体性能演化影响规律, 形成地质储氢系列理论体系。

(4) 加快利用深部地下空间实施压气蓄能方面的研究工作, 攻克高频率、高强度注采和剧烈温度变化等对储能库安全演化影响的调控关键技术。

5.2

加强室内和现场试验研究

(1) 研发模拟深地储能过程中高温、高压、渗流、生物-化学-物理反应等室内系统, 实现对实际深地储能工况的精准模拟, 为深地储能实施提供实验手段。

(2) 利用深部地下空间建立深地储能原位实验室, 开展多尺度的深地储能模拟实验, 获得跨尺度条件下深地储能库安全演化规律, 研发深地储能安全调控关键技术。

(3) 结合实际深地储能工程建设观测站和实验室, 开展现场专项实验和反演分析, 优化储能库运行参数和监测方案, 提高储能库运行效率和安全水平。

5.3

开展深部地下空间资源普查与储能库选址工作

(1) 开展衰竭油气藏精细化普查工作, 划分出优先建库区、可建库和待建库区, 并结合国家储气库建设规划推荐出建库库址。

(2) 开展盐矿和盐穴资源普查工作, 摸清盐矿和盐穴资源家底, 并结合储油、储气、储氢和压气蓄能等技术特征, 推荐出优先建库目标库址。

(3) 开展含水层有利圈闭筛查评价技术研究并形成相应的评价技术体系, 对全国含水层资源进行普查, 为含水层储能库建库推荐出潜在库址。

(4) 开展CO2驱油、咸水层地质封存和深煤层封存CO2等地质封存CO2地质体普查工作, 结合区域CO2封存需求及运输成本, 推荐出CO2处置库址。

(5) 开展煤矿等非金属矿和铁矿等金属矿采空区普查工作, 结合储油和压缩空气储能等技术特征, 给出潜在建库库址。

5.4

开展储能库建库战略布局顶层设计

(1) 加强油气藏开发与建设天然气储库、压缩空气储能发电站、CO2处置和储氢库等顶层设计, 兼顾油气开发与储能需求, 最大限度实现地面设备设施、井筒和地下空间等安全高效利用。

(2) 加强盐矿开采规划设计, 因地制宜实施新型采矿方法, 实现采矿-储能一体化发展, 带动盐矿开采向能源储备方向发展。

(3) 加强以煤矿为代表的非金属矿和以铁矿为代表的金属矿开采的规划设计, 积极对接国家和地方储能规划, 实现采矿储能协调发展。

(4) 将深地储能作为确保国家能源和国防安全的重要措施之一, 设立国家深地储能规划管理部门, 定期制定并发布“国家深地储能”规划, 加强我国深地储能的顶层设计。设置深地储能学科, 加强深地储能专业技术人才培养。

6

总结与展望

随着我国能源清洁化和低碳化发展不断加速、石油和天然气对外依存度保持高位, 深地储能在提高清洁能源利用效率、保障国家能源安全和确保战略物质供给等方面优势显著, 为应对新形势下能源安全挑战提供了新的解决思路和方法, 但是深地储能仍然存在一系列理论和技术挑战亟需解决。在基础理论方面, 建议针对深部地下空间储油、天然气、氢、氦、压缩空气和CO2处置等应用场景开展具有针对性的研究工作, 形成深地储能基础理论体系, 为深地储能新技术研发和重大工程落地提供理论和技术支撑。在工程实践和人才培养方面, 建议优先开展战略石油盐穴储备、深部地下空间压缩空气储能发电、地质储氢和CO2地质处置等方面的技术开发和工程实践工作, 设置国家深地储能规划管理部门, 加大相关人才培养力度, 促进深地储能形成新的产业和经济增长点。

致谢 本文部分观点和信息根据第748次香山科学会议“地下储能”与会李术才院士、赵文智院士、李阳院士、李根生院士、孙焕泉院士和马新华教授级高工等报告和发言总结获得, 在此一并表示最诚挚的感谢！

作者简介

杨春和

中国科学院武汉岩土力学研究所研究员, 中国工程院院士, 长期从事能源地下储备的理论和技术研究.

王同涛

中国科学院武汉岩土力学研究所研究员, 长期围绕深地储能开展研究.

【推荐阅读文献】

[1] 杨春和, 王同涛. 深地储能研究进展. 岩石力学与工程学报, 2022, 41: 1729−1759

[2] 水电水利规划设计总院. 中国可再生能源发展报告2022. 北京, 2023

[3] Yang C H, Wang T T, Chen H S. Theoretical and technological challenges for energy storage in deep underground space of China. Engineering, 2023, 25: 168−181

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[8] 国家发展改革委国家能源局关于印发《“十四五”新型储能发展实施方案》的通知. 发改能源[2022]209号, 成文日期: 2022年01月29日. https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-03/22/content_5680417.htm (2023-7-15日访问)

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[14] 杨花. 压气蓄能过程中地下盐岩储气库稳定性研究. 武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所, 2009

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