压缩空气地质储能研究现状及工程案例分析_郭朝斌
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2025-03-29
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第8卷 第 4期中 国 地 质 调 查 Vol． 8 No． 4
2021 年08 月GEOLOGICAL SUＲVEY OF CHINA Aug． 2021
doi：10． 19388 /j． zgdzdc． 2021． 04． 12
引用格式：郭朝斌，
李采，
杨利超，
等．压缩空气地质储能研究现状及工程案例分析［J］．中国地质调查，2021，8（4） ： 109 －
119． （Guo C B，Li C，Yang L C，et al． Ｒesearch review and engineering case analysis of geological compressed air energy storage［J］．
Geological Survey of China，2021，8（4） ： 109 － 119． ）
压缩空气地质储能研究现状及工程案例分析
郭朝斌1，李 采1，杨利超1，刘 凯1，阮岳军2，何 阳2
（1． 中国地质科学院，
北京 100037；2． 湖南省地质调查院，
湖南 长沙 410029）
摘要：压缩空气地质储能可为大规模部署风能、
太阳能等间歇性清洁能源提供灵活、
高效的储能方案，
从而促进
能源结构转型，
加快碳达峰、
碳中和战略目标的实现。在介绍压缩空气地质储能概念与分类的基础上，
从理论分
析、
技术方法、
经济成本等方面总结了该领域的研究现状与发展趋势，
详细叙述了利用盐腔、
含水层、
枯竭油气田
作为储气库的典型储能工程案例及关键参数与经验，
分析了压缩空气地质储能在我国的应用前景和不同储气库
的特性及其关键影响因素，
指出不同类型储气库地质储能的适宜条件，
为促进清洁能源可持续开发利用提供科学
参考。
关键词：地质储气库；压缩空气储能；清洁可再生能源；含水层
中图分类号：P642；X14；P618． 130． 2 文献标志码：A文章编号：2095 － 8706（2021）04 － 0109 － 11
收稿日期：2021 － 06 － 18；修订日期：2021 － 07 － 29。
基金项目：国家自然科学基金
“注气温度对含水层压缩空气储能效率的影响研究（编号：42002255）”、
中国地质调查局
“环武功山地区地
热（干热岩）资源调查评价、
典型地区地下空间资源调查评价（编号：DD20201165，DD202314）”
和湖南省地质调查院
“湖南省
深部地质空间利用可行性研究———湘衡盐矿盐腔能源储存与废物处置适宜性评价（编号：HNGSTP202101）”
项目联合资助。
第一作者简介：郭朝斌（1989—） ，
男，
副研究员，
主要从事地质能源清洁利用方面的研究。Email：guochaobin@ cags． ac． cn。
通信作者简介：李采（1979—） ，
女，
高级工程师，
主要从事二氧化碳地质封存与利用方面的研究。Email：licai@ cags． ac． cn。
0引言
“
减碳”
与
“
增汇”
是我国 2030 年前实现碳达
峰、2060 年前实现碳中和的根本措施。调整能源
结构、
降低煤炭及石油消耗是从源头上减少 CO2
排放的根本途径。大力发展风能、
太阳能等清洁
可再生能源是调整能源结构、
解决能源供应矛盾
和应对气候变化的重要措施。但由于大部分清洁
可再生能源具有分布分散、
间歇性、
可控性差等特
点，
另外电网本身只能传输电能，
不能储存电能，
因此清洁可再生能源与电网在时间、
空间和强度
上并不匹配，
特别是在用电低谷期，
大量清洁可再
生能源难以得到有效利用而只能被舍弃。例如，
2020 年全国因电网消纳不足而放弃风能发电电
量（弃风 电 量）约166 亿kW·h，
全国弃光电量
52． 6 亿kW·h，
特别是在西北地区弃风率仍保持
较高比例［1］。因此，
储能技术是影响未来能源格
局的关键技术之一，
对提高能源效率，
促进新能源
相关产业发展，
推动能源战略转型以及加快碳达
峰、
碳中和战略目标的实现具有重大意义。本文
对压缩空气地质储能的概念、
分类、
发展历史、
研
究现状以及发展趋势进行了总结，
分析了以盐腔、
含水层、
枯竭油气田为储气库的代表性工程案例
的关键参数及经验，
以期为后续开展压缩空气地
质储能工程设计提供科学参考。
1地质储能概念及发展历史
目前，
常见储能技术根据能量储存形式可划
分为利用机械能相互转化的物理储能、
利用化学
可逆反应的化学储能和利用电磁能转化的电磁
储能 3大类［2］。各种储能方式在其主要的领域
范围内快速发展，
其储能规模及优缺点总结如表
1所示。
中国地质调查 2021 年
表1各类储能技术特点
Tab． 1 Characteristics of different energy storage technologies
储能类型 储能规模 优缺点
物理
储能
抽水储能 200 ～ 2 000 MW 规模大、
技术成熟、
响
应慢、
需要地理资源
压缩气体储能 10 ～ 300 MW 规模大、
技术成熟、
响
应快、
需要地理资源
飞轮储能 5 kW ～ 10 MW 比功率大、
成本高
化学
储能
铅酸电池 1 kW ～ 50 MW 技术成熟、
成本低、
寿
命短、
存在环保问题
液流电池 5 kW ～ 100 MW 寿命长、
效率高、
比能
量稍低
锂电池 1 kW ～ 1 MW 比能 量 高、
安全问题
有待改进
电磁
储能
超导储能 10 kW ～ 50 MW 响应快、
比功率高、
成
本高、
维护困难
超级电容 10 kW ～ 1 MW 响应快、
比功率高、
成
本高
1．1压缩空气地质储能概念及分类
压缩空气地质储能（Geological Compressed Air
Energy Storage，GCAES）是指以压缩空气作为储能
介质，
通过燃气轮机的压缩机和涡轮机，
在用电低
谷时利用多余的电能将空气压缩并储存于地质储
气库中，
在用电高峰时再将储气库中的高压气体释
放经涡轮机发电［3］（图1）。
注：图中箭头表示能量流向。
图1压缩空气地质储能系统示意图［3］
Fig． 1 Schematic diagram of GCAES system
［3］
虽然目前抽水储能是最常用的物理储能方式，
但相比之下，GCAES 具有建设成本低、
设备占地面
积小、
污染小以及能量效率高等特点。GCAES 在
装机容量上可达到几百兆瓦，
规模仅次于抽水储能
（表1） ，
便于大规模商业化的应用和推广。GCAES
的能源转化效率较高，
一般在 75% 左右，
如果采用一
些先进的技术（如超导热管技术、
同时蓄热等） ，
其效
率能进一步提升到 80% 以上［4］。另外，
其商业应用
已超过 40 a，
积累了成熟的技术经验，
这些优势使
GCAES 有望成为一种重要的储能手段。
储气库是 GCAES 系统重要的组成部分，
根据
储气库地质条件可分为以下 3类：
（1）岩石洞穴（如盐腔、
坚硬岩洞）储气库。此类
系统利用地下岩石洞穴或人工开挖的洞穴作为储气
库，
规模较大，
德国 Huntorf 压缩空气电站（290 MW）
和美国 McIntosh 压缩空气电站（110 MW）均属于此
类储能系统［5］。
（2）含水层储气库。将广泛分布的地下含水层
作为储气库进行储能可减少储能系统对地质条件
的限制。其储能规模与岩石洞穴储能类型相近，
目
前处于工程试验与示范阶段。地下含水层作为
CO2地质封存（一般为地下 800 m 以下含水层）和
天然气地下储存的容器已得到成功应用，
证实了气
体可以在含水层储气库中得到有效储存。另外，
含
水层分布比盐腔广泛，
可降低 GCAES 对盐腔地理
位置的依赖，
而且成本较盐腔也更具优势。
（3）枯竭油气田储气库。在油气藏开采过程中
已获取较多的地质条件信息，
如具有良好的圈闭
性、
丰富的钻孔信息与地层岩性参数且能够节省选
址建设成本等，
因此，
在枯竭的油气田中开展地质
储能较为可行。
1．2压缩空气地质储能发展历史及趋势
GCAES 技术经历了快速发展、
缓慢发展、
再快
速发展 3个阶段，
与能源结构的改变密不可分。压
缩空气储能的概念始于 20 世纪 40 年代，
同期在美
国出现相关专利。但是，
由于当时电网峰谷特征不
明显，
压缩空气储能技术没有得到重视和应用。到
20 世纪 60 年代，
随着核电和燃煤电厂的快速发展，
电网峰谷特征日益明显，
有关在用电低谷期将廉价
电能储存、
在用电高峰期释能发电的研究迅速发
展。GCAES 开始逐渐得到重视，
相关研究也随之
开始。1969 年，
德国计划在盐腔中建设压缩空气储
能系统以满足大规模储能需求，
于1978 年建成
Huntorf 电站宣布成功商用。随着 Huntorf 电站的成
功商用，GCAES 的研究进入第一个快速发展阶段。
随后，
美国能源部开展了一系列的可行性研究及小
型示范项目，
研究内容主要是储气库的选择及第二
代GCAES 系统的研究。1991 年，
美国在阿拉巴马
州建立了其第一个 110 MW 级GCAES 电站。
1． 3 我国 GCAES 的需求与潜力分析
近些年，
随着清洁能源的广泛使用，
大规模储
能技术进入快速发展阶段。近十年来，
全球可再生
能源发电装机容量大幅增加，
在2020 年新增发电
·011·
第4期 郭朝斌，
等：压缩空气地质储能研究现状及工程案例分析
容量中，82% 为可再生能源（图2）。与此同时，
中
国经济经历了持续快速增长，
已经成为世界第一大
能源消费国。2020 年，
中国水电、
风电装机容量以
及可再生能源发电总装机容量均位居世界前列。
在此期间，
间歇性清洁能源的迅速发展导致电网负
荷不均衡，
一方面发电企业的收益受到影响，
另一
方面会浪费大量的能源，
不利于可再生能源的投
资，
阻碍了新能源技术的推广和发展。但GCAES
系统与可再生能源相结合，
可将间歇性可再生能源
拼接起来，
形成稳定的电力供应，
促进新能源的发
展［7］。据测算，2020—2025 年储能市场累计投资空
间为 1． 6 万亿元，2030 年市场投资可达 1． 3 万亿
元，2060 年市场投资可达 5万亿元，
累计规模达
122 万亿元，
压缩气体储能作为未来极有竞争力的
长时大规模储能技术，
预计在储能整体市场中会占
据不少于 30% 的份额［8］。
图2全球可再生能源发电每年新增装机容量图［6］
Fig． 2 Annual increment of global installed capacity of renewable energy
［6］
2 GCAES 研究现状
2．1理论分析研究现状
近年来，
国内外对于 GCAES 的相关研究主要
集中在储气库的选择、
新型 GCAES 系统的优化以
及储能效率、
经济性分析等方面［9］。
有关盐腔储气库 GCAES 系统方面发表的文章
大多以盐腔力学稳定性和安全评价为主［10 － 14］。耦
合热学、
水文地质学和力学模型分析表明压力和温
度的巨大波动会导致 GCAES 系统在循环过程中不
稳定［15］。热动力学和力学耦合模型及与历史数据
的拟合分析可用于判别 GCAES 系统的泄漏风险，
有助于确定泄露位置，
辅助后续系统监测井的设
计［16］。在此基础上，
多种确定盐腔泄露位置的方
法也被提出［17］。
针对含水层储气库 GCAES 的研究以基本物理
过程、
存储机制和数值模拟分析为主
［11，18 － 19］。胡
贤贤等［20］对当前国内外含水层 GCAES 相关技术
进行了全面总结，
包括项目、
技术概况以及经济成
本的分析等；Kushnir 等［21］基于达西定律及部分假
设前提建立了在含水层中进行 GCAES 的数学模
型，
并通过解析解求解，
对地层参数、
钻孔完井程度
等进行了敏感性计算，
分析了这些参数对压力波动
的影响；美国劳伦斯伯克利国家实验室的 Olden-
burg 等［19］提出了一种利用 CO2作为储能缓冲气体
的方法，
当CO2从气相过渡到超临界相时，
它比空
气具备更大的压缩性能；Guo 等［22］通过数值模拟
方法对 GCAES 系统的可行性及日循环和周循环进
行了分析；Guo 等［22 － 23］针对 CAESA 系统初始气囊
形成中地层渗透率的影响进行了分析，
结果表明存
在最佳渗透率范围，
渗透率过大或过小均会对系统
造成较大影响。GCAES 系统仍有大量的基础问题
需要进一步研究和探讨。
·111·
中国地质调查 2021 年
目前，GCAES 系统和新能源系统相结合的方
式成为新的研究热点。GCAES 与风能结合的技术
可将风力发电在电网中的比重提高至八成［24］。除
了与风能、
太阳能耦合，GCAES 还可以与生物质能
耦合，
将生物质气化后应用于 GCAES 系统可降低
温室气体的排放及对天然气的依赖程度。佛罗伦
萨大学 Fiaschi 等［25］提出了耦合压缩空气储能系
统和其他储能方式的海上可再生能源平台，
海上
的风能、
太阳能、
波浪能分别利用风力发电机、
太
阳能电池板和波浪能回收装置将能量转化成压缩
空气能量进行储存，
使用水下压缩空气储能装置
进行压缩空气的水下定压存储，
可为海岛地区提
供足够的能源［26］。目前限制我国 GCAES 技术推
广的主要因素是缺少大容量的储气装置，
如果考
虑采用孔隙含水层作为储气库，
地质条件的限制
将大大降低。
在GCAES 储气库选址方面，
需要考虑储气库
位置、
储层性质（孔隙度、
渗透率等）、
经济成本、
社
会环境影响等因素。Allen 等［27］对影响多孔介质储
气库的因素进行了详细总结并给出了参考值。董
家伟等［28］通过层次分析法针对储层性质、
地质安
全和经济效益 3大类评价因素 12 个评价指标，
建
立了含水层压缩空气储能选址评价体系框架，
并在
河北省某区块开展了实际应用。
随着计算机模拟技术的快速发展，
利用数值模
拟方法，
可计算各种过程的耦合来研究 GCAES 系
统的相关问题［29 － 30］。TOUGH2 是由美国劳伦斯伯
克利国家实验室开发的模拟软件，
最初用于地下水
渗流和热运移模拟，
随着新功能的扩展，
现在可用
于地热、
核废料、
天然气水合物、
地下水环境化学、
二氧化碳地质封存、GCAES 等 方 面 的 研 究［31］。
T2Well 是在 TOUGH2 原有功能基础上研发的耦合
含水层和钻孔流动的数值模拟软件［32］。TOUGH －
FLAC 是在 TOUGH2 对流场模拟的基础上增加了
力学方面耦合的软件
［13］。Ｒutqvist 等［12］利 用
TOUGH － FLAC 模拟器，
对GCAES 系统的热动力学
和力学方面进行了相关研究。
在GCAES 系统数值模拟相关研究中，ECLIPSE
模拟器的应用也较为广泛。ECLIPSE 是在石油、
页
岩气和天然气等地下流体工程领域应用广泛的数
值软件［33］，
功能强大，
界面友好，
但由于是商业软
件，
其关键原理部分的程序相对封闭，
对于学术研
究具有一定的局限性。不过部分学者采用开放式
源代码程序进行了相关研究，
如Wang 等［34］利用 E-
CLIPSE 进行了 GCAES 系统中不同布井方式对储
能规模方面影响的研究。
2．2经济性研究现状
系统的可行性不仅要求技术上具有可行性，
在经济成本方面也应具有可行性。在经济成本方
面，
各类储能方式的成本如表 2所示。由表 2可
知，GCAES 系统较抽水储能和硫钠电池更具成本
优势。
表2各类储能技术成本比较［20，35］
Tab． 2 Cost comparison of various
energy storage technologies
［20，35］
储能技术，
功率
容量成本/
（美元
·kW － 1 ）
能量成本/
（美元
·kW － 1 ）
储能时
间/h
总成本/
（美元
·kW － 1 ）
GCAES，300 MW 580 1． 75 40 650
PHS，1 000 MW 600 37． 5 10 975
硫钠电池，10 MW 1 720 ～1 860 180 ～210 6 ～9 3 100 ～3 400
对于含水层 GCAES 系统，
其成本如表 3所示。
3个不同地区的试验表明，
含水层 GCAES 开发成本
为2 ～ 7 美元/（kW·h） ，
盐腔 GCAES 系统开发成
本为 6 ～ 10 美元/（kW ·h）。对比可知，
含水层
GCAES 系统比盐腔 GCAES 系统更具经济成本优
势。在增加储能规模成本方面，
含水层 GCAES 系统
也具有较大优势。以盐腔为代表的常规 GCAES 系
统，
储能容量增大时所需成本约为 2美元/（kW·h） ，
而对于含水层 GCAES 系统，
其储能容量增加时所需
成本仅为 0． 11 美元/（kW·h）［36］。
表3含水层 GCAES 系统开发成本［36］
Tab． 3 Development cost of aquifer GCAES system
［36］
地区 奥奈达 罗克兰县 布法罗
深度 /m 910 460 610
每口钻井成本/万美元 77． 5 48． 0 52． 0
每口井的外围结构成本/万美元 10 10 10
集输系统成本/万美元 260 260 260
井的数量/口18 ～ 38 80 ～ 107 40 ～ 71
每度电总成本/美元 2． 0 ～ 2． 2 5． 6 ～ 7． 0 2． 7 ～ 3． 4
在经济性分析方面，
谭靖等［37］针对某一风电
场的实际情况分别从节能、
电站建设以及环保效益
方面分析了 GCAES 系统的综合效益。张新敬［38］
对不同的 GCAES 系统进行了分析，
发现压缩空气
储能系统及其与风能的耦合系统虽然初期建设成
本较高，
但是在运行过程中相较于传统的 GCAES
系统，
减少了温室气体的排放，
更加环保。
·211·
摘要：
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