利用煤炭开发地下空间储能的技术路径与地质保障

煤炭资源在我国能源结构中仍处于主体地位,但煤炭工业发展面临着“碳达峰碳中和”的新挑战。积极发展煤炭开发地下空间储能技术,是推动能源利用低碳化和清洁化的有效手段,也是保证我国能源战略安全的关键措施。结合当前储能技术,探讨了煤炭开发地下空间的利用现状,围绕利用煤炭开发地下空间抽水蓄能、热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能等储能新技术,重点阐述废弃矿井不同能源类型的储能理念及方式,系统分析储能过程中面临的地质保障关键技术难题。煤炭开发地下空间储能新技术总体思路为：利用煤炭开发地下空间所具有的低位势能差,将其用作梯级储水库(抽水蓄能);或直接将其用作储质、储能空间(热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能),既可提升煤炭开发地下空间资源的开发利用率,又可避免土地资源浪费,尽量降低对生态环境的扰动。虽然煤炭开发地下空间可作为大规模储能库,但其开发利用过程仍存在一些亟待解决的地质问题以及地质保障技术。主要包括：(1)地质条件与选址适宜性分析和安全性评价,即对储能空间的地质因素进行岩土工程性质和环境地质条件的系统研究,查明储能空间稳定性主控因素及其权重,构建选址指标体系与评价方法,重点查...     

压气储能浅埋地下储气库性能试验研究

利用地下岩穴进行压缩空气储能是大规模能源存储的可行方式之一。压缩空气地下储存库建设的核心任务是保证储气库的密封性和洞室结构安全性。为了验证浅埋地下储气库的可行性,在湖南平江抽水蓄能电站勘探平硐的花岗岩地层内建造了国内第1个硬岩浅埋衬砌地下储气室,并进行了10次完整的压缩空气充放气循环试验。试验结果表明：储气室内压缩空气温度场呈现出显著不均匀分布的特性,温控系统可以有效地控制储气室的温度变化过程。长时高压储气条件下,试验库的漏气率约为充气率的3.2%,试验库密封性能良好。在8.7 MPa的内压作用下围岩的最大变形量只有0.35 mm左右,高内压引起的变形影响区在10 m范围内,围岩变形安全性良好。试验成果有助于全面深入地认识高压地下储气库的工作性能,并为压气储能地下储气库的设计提供有益参考。     

地球科学与碳中和：现状与发展方向

碳中和是当前世界关注的热点,地球科学可以在其中发挥很大的作用。在国际上,政府间气候变化专门委员会、国际能源署、能源转型委员会,以及在国家层面,政策咨询小组已就CO_2减排可能的实现方式提出了一系列模型和预测情景,表明要实现碳中和,电将代替化石燃料成为全球能源的主要载体。在全球迫切需要减排的背景下,地球科学为实现《巴黎协定》气候目标提供地质解决方案至关重要,主要科学问题涉及:储热与地热;干热岩;水电储能;压缩空气储能;核能;碳捕集与储存;氢经济;能源转型需要的矿产原材料。这就需要地球科学:一是对岩石进行地球化学和地质体的岩石力学特征描述,以便在可能开展脱碳的地区储存CO_2和建立绿色能源系统;二是进一步揭示电动汽车电池和风力涡轮机等所需矿产资源的起源和成因;三是从小型实验室尺度扩大到试点、工业化和商业化全尺度规模;四是要了解公众对地下脱碳技术的态度,保证项目安全性。碳中和目标为地球科学研究提供了新的机遇,未来发展需要从多方面提供支持;提高对地球科学在实现脱碳方面关键作用的认识,并发展技术,打造产业链,实现可持续发展。     

深部水文地质研究的机遇与挑战

经济社会快速发展需要更多的能源与资源保障,地球深部资源与能源极其丰富。“向地球深部进军”是经济社会发展需要与资源勘查开发技术、经济效益成本承受能力相匹配的必然发展趋势。随着“碳达峰、碳中和”战略目标的提出,绿色低碳高质量发展成为时代发展的主旋律。为满足能源、资源保障和生态环境保护等重大需求,加大清洁能源勘探开发力度、提高碳封存能力、强化地质储能研究等显得尤为重要。深部水文地质作用与此息息相关,亟待重视和加强研究。本文采用文献分析法,通过学科发展历程与热点焦点问题的综合对比研究,对深部地下水分布与循环理论研究、深部地下水地质作用下地热与锂资源成藏、深部地热-干热岩与页岩气等清洁能源开发、深部咸水层CO₂地质封存、地质储能等方面涉及的深部水文地质研究现状和未来趋势进行了分析总结,认为深部水文地质在高温高压条件下地下水循环动力机制、物质能量转换过程、水岩相互作用、成热成藏机理和勘查监测技术精准度等方面尚需深入系统的研究,而储层非均质性刻画、热源机制、深部资源能源可持续开发技术、人工干预下深部资源环境演变特征、水力压裂诱发地震以及断层对流体触发的敏感性和触发过程演变等是未来应给予重点关注的关键性问题。     

中国西北在碳中和进程中的资源优势和地质工作建议

【研究目的】 全球变暖是当今国际社会共同面临的严峻挑战,碳中和与绿色低碳转型作为应对这一挑战的必由之路,已在全球形成共识。地球系统科学为碳中和目标的实现提供了重要的地学解决方案,中国西北地质调查如何在碳中和战略中找到主攻方向和工作方法是亟需解决的问题。【研究方法】 本文综述了地质工作在碳中和进程中的主要工作方法,统计分析了中国西北在碳中和减排和增汇两大基本途径上的资源优势,提出了碳中和背景下中国西北地质调查服务绿色低碳转型发展的建议。【研究结果】 中国西北地区拥有丰富的天然气、地热能等清洁能源,以及与新能源相关的关键矿产等资源优势：天然气地质资源量约为313991×10⁸ m³,占全国的34.78%;地热能分布广泛、类型丰富,其中青海共和盆地静态干热岩资源总量达8974.74×10¹⁸ J;锂、钴、镍和铀矿等清洁能源相关的关键矿产资源均居全国前列,锂矿储量约占全国总储量的60%,钴矿储量约占全国总储量的40%,新疆是中国最大的铀矿生产基地。而且,西北地区生态类型和地表基质层类型丰富,碳库现存量和增汇潜力巨大,同时拥有大量适宜碳捕集、利用与封存（Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS）选址和地质储能的优质空间,是中国通过增汇实现碳中和目标的重要节点。【结论】 中国西北地区可为碳减排、碳增汇路径提供有效资源支撑,西北地质调查工作应立足实际,发挥专业优势,在推进天然气资源调查、攻关地热资源开发技术、加强关键矿产全生命周期研究、试点地表基质层与生态地质综合调查、开展CCUS相关的地下空间调查,以及建设碳中和相关的地球系统科学数据库六个方面持续发力,为实现碳中和目标提供重要的地质解决方案,做出应有的贡献。     

中国大规模盐穴储氢需求与挑战

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战：层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。     

内衬式高压储气库群布局参数优化及稳定性分析

内衬式岩洞高压储气库兼具抽取率高、循环能力强,且能承受更高的内压力等优点,克服了传统压缩空气储能系统的诸多缺陷,是一种应用前景广阔的储能方式。论文以洞室埋深、内径和间距等3个最主要的储气库布局参数为影响因素,采用ABAQUS有限元软件基于正交试验设计模拟工况,以关键点的位移和塑性区面积作为评价指标,通过单因素试验研究了洞室间距、埋深及内径对围岩变形和稳定性的影响规律,提出了洞室群优化布局建议。研究表明:洞室埋深是影响储气库围岩变形和塑性区面积的最显著因素,其次为洞距和洞径;随着埋深的增大洞室围岩塑性区的发育区域得到有效的抑制,且塑性区主要分布于洞室顶部;增大洞距可有效削弱高内压对围岩的启裂效应;衬砌的最大拉应力主要分布在结构的顶部和底部,增大埋深或减小高径比都有助于提高衬砌的稳定性;综合分析表明储气库群的最优布局方案为埋深400 m、内径42 m、间距60 m。研究成果为内衬式高压储气库群的优化布局和稳定性评价提供了参考依据。     

薄层状盐岩地下储气库工程地质条件及可行性分析

地下盐穴储气库安全性是蓄气运行的关键地质问题.针对平顶山盐田盐层薄、夹层多以及埋藏深等特征,从薄层状盐岩的渗透性、流变性以及稳定性3个方面,详细讨论了储气库的地质可储性及地面沉降问题.首先采集了纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层3种岩石试样,分别进行了电镜扫描和不同应力水平下的三轴压缩蠕变试验,并应用CYT法对试验区进行了深部盐岩溶腔的探测.鉴于试验区多个采井影响区的重叠,地面沉降量实际监测结果比较复杂,绝对值偏小但具有波动性.综合上述地质特征,作出了平顶山地下盐穴储气库地质条件良好的结论,为我国同类工程提供一定的实际参考.     

中国石化枯竭气藏型储气库注采技术及发展建议

经长输管线输送的天然气注入到地下空间而形成的人工气藏称为地下储气库。国内外现有储气库大多数是枯竭气藏型地下储气库。中国石化储气库建设起步较晚,基础较为薄弱,同时与国内外已建成储气库相比,中石化储气库建设面临的地质条件和注采工况也较为复杂。以中国在建最大储气库项目中原文23储气库为例,其复杂地质条件以及面临的"快瞬变非稳态增压"注采难题需要进行专门研究。分析了目前中石化枯竭型气藏储气库建库现状,提出了建库技术挑战,总结了现阶段取得的注采关键技术研究成果,通过分析中国石化枯竭气藏型储气库注采技术研究现状和最新进展,提出了国产化技术完善、智能化注采营运、一体化模拟实验室的建设等方面的发展建议和要求,为持续加强规模化储气库群建设的支持提供参考。     

特殊地下空间应用与研究现状

特殊地下空间定义为在空间形态、结构、分布等方面具有特殊属性的一类地下空间,根据空间形成方式和属性将特殊地下空间分为天然存在和人为活动形成的两类。在总结天然气地下储存、二氧化碳地质封存、压缩空气储能、废液深井回注以及放射性废料处置等工程应用现状的基础上,分析特殊地下空间应用前景,提出随着特殊地下空间研究的不断深入,应因地制宜探索不同类型特殊地下空间开发利用方法和发展模式,促进地下空间的高效利用。     

世界地热能开发利用现状与展望

地热能作为一种零碳、清洁能源,其开发利用对于碳中和具有重要价值。2015-2020年,全球新增地热发电约3649 GW,增长约27%;地热直接利用总装机容量增长52.0%。两者之和,所用热能比2015年增长72.3%。全球每年地热直接利用可防止7810万t碳和2.526亿t CO₂排放到大气中。世界地热能发展呈现五大趋势：（1）发展非常规地热系统;（2）向海上地热资源开发进军;（3）降低钻探成本与石油热能协同生产;（4）加大浅层地热能的开发利用;（5）加强含水层热能储存技术研发。     

苏南地区温室气体CO2地质处置的探讨

化石能源是现代工业飞速发展的重要保障。但从工业革命以来,无节制的能源消耗导致越来越多的温室气体被排入大气,带来了一系列的环境问题,全球气候变暖就是其中最严重的问题。业已觉悟的国际社会,已经认识到问题的严重性,并开始行动起来,其中二氧化碳(CO₂)的回收及安全处置就是一项减缓大气变暖的重大工程。针对全球温室气体减排的压力,详细分析了CO₂的地质处置机制与措施,并探讨了工业发达的苏南地区进行CO₂地质处置的方式,认为存在苏北油田注CO₂增产、句容盆地深层盐水层或贫油气储层的CO₂地质处置和薄煤层CO₂吸附处置等3种方式,提出句容盆地将是未来苏南地区进行CO₂地质处置的重要场所,同时认为进行CO₂地质处置存在巨大的商机。     

国内外氢能发展战略及其重要意义

为应对世界气候变化并丰富能源供给手段,实现碳中和目标,世界主要发达国家和地区均在2020年制定了本国的氢能战略,将发展氢能产业提升到国家能源战略的高度,旨在于2030—2050年间完成CO₂减排目标。详细介绍了世界各国的氢能发展战略、发展氢能在解决能源安全和生态安全中起到的作用、氢能制取的技术路线以及发展氢能带来的经济效益和社会效益,并着重介绍了地质工作在国家氢能战略部署和实施中的作用,主要包括: ①要保证充足的制氢原材料供给,需要大力勘探开发天然气、页岩气等化石能源; ②为封存制氢过程中产生的CO₂,地质工作者需要对储层和盖层开展详细的地质勘查; ③在发展大规模地质储氢中发挥作用,如地下盐穴储氢、废弃油藏储氢等。结合国情,我国应大力发展从煤气化制氢到CO₂管道运输,再到CO₂驱油及地质封存的一体化产业链,实现经济和社会的双收益。可为我国加速推进氢能战略部署提供借鉴。     

全球清洁能源发展现状与趋势分析

一次能源尤其是化石能源的大规模开发利用,导致环境破坏越来越严重,对人类生活造成了极大的负面影响,因此,清洁能源的开发利用引起全球的广泛重视,美国、日本、欧盟、中国、印度等国家或地区从20世纪开始开展清洁能源的开发利用工作.本文在前人的研究基础上,首先明确了清洁能源的概念和能源种类.其次,从投资、装机容量和消费变化等方面深入分析了全球清洁能源的发展现状,采用趋势预测法预测了未来清洁能源开发利用成本,与2019年相比,2050年聚光太阳能发电成本下降超过七成,陆上风电、海上风电、地热下降超过六成,光伏发电下降接近六成,水电上升超过一成;运用生长曲线预测模型(SGompertz曲线模型)预测了未来清洁能源需求趋势,2030年全球清洁能源需求约为30.5×108 t油当量,约占全球一次能源需求的18％;2050年全球清洁能源需求57×108 t油当量,约占全球一次能源需求的30％.最后,得出了清洁能源的利用程度和碳排放量呈负相关关系、中国处于全球清洁能源发展的领先地位和清洁能源将改变全球一次能源格局等结论.     

碳中和目标驱动下地热资源开采利用技术进展

碳中和、碳达峰需要能源供给领域的重大系统变革,地热能作为一种清洁低碳、稳定连续的非碳基能源,可为实现这一目标提供重要保障.本文简要介绍了中国地热资源赋存条件,就直接利用和地热发电分别综述了浅层-中深层地温能和水热型地热资源的开发利用技术和发展;重点介绍了地热制冷、重力热管、地热-太阳能联合发电等广受关注的新技术、新方向;展望了发展前景和研究开发方向,为相关的工程技术和研究人员提供参考.     

泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法

CO₂环境影响监测技术作为碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)体系的重要组成部分,贯穿整个储存过程,决定着CCUS工程的成败,对CCUS工程的有效性、持续性、安全性及碳减排效果的评估发挥着举足轻重的作用。为确保碳封存项目安全可靠运行,需要对环境影响、地层响应和CO₂地下运移等多个监测指标开展全流程测量和监控。不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测的重点会有所不同,相应的监测技术组合也略有差别。围绕地质封存中CO₂泄漏监测及泄漏源监测识别问题,系统剖析了CO₂环境影响监测技术的特点和应用场景,阐述了不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测技术方法的研究进展,总结了不同泄漏情景下CO₂环境影响监测技术方法的选择及其在实际应用中面临的问题,认为实时连续的监测设备研发、“大气-地表-地下”立体化快速监测技术体系以及长期有效的CO₂监测管理系统构建将是CO₂环境影响监测技术的发展方向。可为未来开展百万吨级碳封存工程的环境影响监测提供参考和借鉴。     

Carbon peak and carbon neutrality in China: Goals,implementation path and prospects

Climate change is a common problem in human society. The Chinese government promises to peak carbon dioxide emissions by 2030 and strives to achieve carbon neutralization by 2060. The proposal of the goal of carbon peak and carbon neutralization has led China into the era of climate economy and set off a green change with both opportunities and challenges. On the basis of expounding the objectives and specific connotation of China’s carbon peak and carbon neutralization, this paper systematically discusses the main implementation path and the prospect of China’s carbon peak and carbon neutralization. China’s path to realizing carbon neutralization includes four directions: (1) in terms of carbon dioxide emission control: energy transformation path, energy conservation, and emission reduction path; (2) for increasing carbon sink: carbon capture, utilization, and storage path, ecological governance, and land greening path; (3) in key technology development: zero-carbon utilization, coal new energy coupling, carbon capture utilization and storage (CCUS), energy storage technology and other key technology paths required to achieve carbon peak and carbon neutralization; (4) from the angle of policy development: Formulate legal guarantees for the government to promote the carbon trading market; Formulate carbon emission standards for enterprises and increase publicity and education for individuals and society. Based on practicing the goal and path of carbon peak and carbon neutralization, China will vigorously develop low carbon and circular economy and promote green and high-quality economic development; speed up to enter the era of fossil resources and promoting energy transformation; accelerate the integrated innovation of green and low-carbon technologies and promote carbon neutrality.©2021 China Geology Editorial Office.