碳中和目标下深地储能及其挑战

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1、 深地储能内涵

实施深地储能是保证我国能源供给、国防安全和“双碳”战略目标实现的重大战略需求。2021年，我国石油和天然气消费量分别达到7.12亿吨和3726亿立方米，对外依存度分别达到了约72%和45%，而储备量仅达到安全供应和调峰需求的30%，亟需进行大规模储备以确保国家能源和国防安全。同年，我国太阳能和风能装机容量分别达到3.28 × 108 kW和3.10 × 107 kW。由于太阳能和风能供给具有典型的间歇性、地域性，将其转换为压缩空气势能和氢能并实施大规模存储，是实现它们安全高效利用的关键，是实现“双碳”战略目标的重要途径。另外，对二氧化碳（CO2）实施大规模地质封存是实现“双碳”战略目标的另外一个重要途径。

氦气作为重要的战略物质，广泛应用于航空航天、芯片制造和精密医疗等领域。我国氦气对外依存度达98%。根据美国和俄罗斯经验[1]，储存10年左右消费量的氦气，是确保我国氦气供给安全的压舱石。地质封存是大规模储备氦气的最佳选择之一。

深部地下能源储备（深地储能）是指将石油、天然气、氢气、压缩空气及CO2等能源物资和氦气等战略物质储存于深部地层中。盐岩地层是国际上首选的储能地质体，利用盐岩地层储能也是我国大规模储能的重要发展方向[2]。深地储能包括储能介质、储能地质体和储能库。

（1）对于储能介质而言：在高温、高压和高应力储能条件下，储能介质的相态、状态和运动发生显著改变且会与储能地质体发生物理化学作用，物性变化规律复杂。储能介质在向储能地质体运移过程中表现出较为典型的界面张力、润湿性、滑脱效应、扩散及布朗运动、达西流动和福希海默高速流动等多尺度和跨尺度特征，运移规律多变。

（2）对于储能地质体而言：地层纵向异性显著，储能地质体周边分布控盆大断层、内部次级断层发育且断层出现不同程度的错动，地质体自身结构复杂。地质体原位地应力达到几十到上百兆帕，储能过程中温度变化达到几十到上百摄氏度，储能介质压力达到几兆帕到几十兆帕，储能介质物理化学作用及多尺度运移效应显著，地质体所处环境复杂。

（3）对于储能库而言：单个储能库体积达到几万到上百万立方米、形状复杂、设计寿命达到30年以上，需要承受地应力、高频注采、高温、渗流和化学腐蚀等多场耦合作用，储库围岩损伤预测难[3]。深地储能一般由几十到上百个单库[2]构成，局部建库地层条件差异大、建库工艺复杂，库群体积达到上千万立方米、群集效应显著，运行工况复杂多变，储库群建造和功能保障挑战大。储能介质、储能地质体和储能库的上述特征使得深地储能面临一系列理论和技术挑战。

2、 我国深地储能的关键科学难题与技术瓶颈

深地储能作为国际学术界和工程界最新发展前沿，在我国更是刚处在起步阶段，研究基础薄弱、系统性差，无法为深地储能关键技术突破提供理论支撑，滞后于国家对深地储能快速发展的要求。同时，与国外盐丘型盐岩相比，我国盐岩地层为典型湖相沉积的层状盐岩、禀赋差[3]，客观上增加了深地储能的难度。利用我国深部层状盐岩实施大规模储能主要存在以下系列科学难题与技术瓶颈。

2.1 关键科学难题

2.1.1. 储能地质体多尺度渐进破坏表征

在利用深部盐穴储能过程中，盐穴地质体将会受到化学侵蚀、温度和应力等多种因素作用，可能会发生纳米级微裂隙连通、米级围岩开裂和千米级的断层活化等多尺度破坏，同时这些围岩劣化随着时间变化而变化。准确描述地质体在多场多相耦合条件下的多尺度渐进破坏是深部盐穴储能库储能介质优选、储能库优化设计和安全运行的基础。储能介质种类比较多，包括石油、天然气、压缩空气、氢气、CO2、氦气和电解液等。而盐穴储能库围岩类型包括：盐岩、泥岩和硬石膏等。在储能过程中的高温高压作用下，储能介质可能会与地质体发生化学反应，劣化地质体物理力学性能。同时，盐岩的物理力学性能参数对温度和应力的变化较为敏感，盐岩破坏表现出很强的尺度效应。因此，如何准确描述深部储能条件下储能地质体的多尺度渐进破坏特征充满挑战。

2.1.2. 深地储能介质多尺度渗透演化规律

不同储能介质分子尺寸和黏滞系数差别较大，在高内压作用下储能介质向地质体中不断运移渗漏可能会导致地质体发生微裂缝、连通已有孔隙和强度降低，甚至诱发地质断层活化，引发灾变。通过对已有的地下储能库失效数据[4]进行分析，约70%是由渗漏造成，但是由于每次事故原因复杂，渗漏灾变演化过程及其临灾条件的识别仍然不明确。

甲烷分子直径为0.38 nm，而氢分子直径为0.26 nm，意味着氢分子可以在孔隙和渗透率更小的地质体中发生渗漏。在深地储能过程中储能介质的注采荷载将会导致储能地质体发生劣化、渗透率增加，进一步增加储能库的泄漏风险。多场多相耦合条件下储能介质在地质体中的渗漏和致裂理论模型、储能介质长期渗漏运移规律及储能地质体渗漏破坏的临界梯度、渗漏途径、渗漏量和渗透范围等尚不明确。