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武汉岩土所与葛洲坝集团装备工业有限公司签订

日期:2019-09-28编辑作者:科技之门

6月21日,中国葛洲坝集团装备工业有限公司副总经理邹宏程一行5人赴中国科学院武汉岩土力学研究所座谈交流,双方签订了“基于盐穴的先进压缩空气储能电站战略合作协议书”。

出品:科普中国

中科院武汉岩土力学所:创造高质量发展新动能

武汉岩土所副所长薛强围绕武汉岩土所“十三五规划”、各研究方向领域、参与建设的典型性重点工程项目等方面介绍了单位基本情况。薛强希望研究所与葛洲坝集团以战略合作协议签订为契机,以项目合作为牵引,将所企合作落到实处,深入促进科研成果转移转化。签约仪式前,岩土力学与工程国家重点实验室副主任杨春和以风电、光伏为例对盐穴压气蓄能的现状进行了介绍,结合我国可再生能源的开发现状,强调可再生能源的开发和利用已上升至国家战略需求,而大规模储能技术是可再生清洁能源成为主导能源的关键。压气蓄能是三种大规模储能技术之一,利用盐穴开展压气蓄能,既能为压气蓄能提供安全巨大的储气室,又能解决盐穴开采后地下空间带来的地质隐患,将地下盐穴变废为宝,隐患变成资源,同时将为盐业可持续发展带来新的机遇。

制作:沧海一粟@KP

■本报见习记者 高雅丽

葛洲坝集团通过集团业务短片,多角度、全方位地介绍了葛洲坝集团的业务范围。邹宏程对盐穴压气蓄能项目表示支持,认为以先进压缩空气储能系统为代表的大规模储能技术是智能电网、高占比可再生能源系统、能源互联网的重要组成部分和关键支撑技术,可显著提升电力系统灵活性、经济性和安全性,并提高可再生能源消纳水平,是实现我国主体能源由化石燃料向可再生能源转换的核心技术。近年来,我国储能技术呈现良好的发展态势,相关储能政策正在逐步制定和完善,储能市场容量巨大。邹宏程相信加强与武汉岩土所合作力度,有利于推动中国储能产业深入发展。

监制:中国科学院计算机网络信息中心

伴随着我国岩土力学与工程学科的发展,中国科学院武汉岩土所迎来了60周岁华诞。60年的风雨兼程,60年的峥嵘岁月,60年的辉煌成绩——60年来,武汉岩土所上下一心,全体人员齐心协力,奏响了一曲雄浑的“岩土拼搏”之歌,树起了研究所发展史上继往开来的里程碑。

湖北双环盐业集团副总经理蒋向阳对利用废弃盐穴开展压气蓄能表示大力支持,认为武汉岩土所的“盐穴综合利用理论体系”的提出对整个盐业行业的发展带来了新的契机。

说到能源每个人都不陌生,但你知道盐和能源有什么关系吗?对,我说的就是那个我们每天都要吃的盐。要说清这个问题,我们首先要来了解一下,什么是压缩空气储能。

近年来,在中国科学院“三个面向”“四个率先”办院方针指引下,武汉岩土所面向国家战略需求,定位于岩土力学与工程的应用基础研究,致力于重大工程安全与灾害控制,深部资源及能源高效安全开发,废弃物地质处置和利用方面的基础性、战略性、前瞻性工作,在我国重大工程建设、资源与能源开发中发挥了重要作用。

葛洲坝集团与武汉岩土所本着“平等互利、优势互补、共赢发展”的原则,签订了“基于盐穴的先进压缩空气储能电站战略合作协议书”及“云应、潜江地区葛洲坝先进压缩空气储能系统储气库选址”技术咨询服务合同。葛洲坝集团将利用其品牌优势、资金优势、市场开拓优势以及先进的储能技术优势,进行项目申请和市场开拓。武汉岩土所利用其在岩土力学、地下储气库方面的科研技术优势,为地下盐穴先进压缩空气储能电站提供相关技术咨询服务。双方通过优势互补、资源共享,联合建成中国首个基于地下盐穴的先进压缩空气储能电站,对于双方均具有十分重要的战略意义,并且为后续的地下盐穴压缩空气储能电站作资源储备。

“盐穴”中的“压缩空气储能银行”

近年来,武汉岩土所主持获得国家科技进步奖二等奖7项,参与获得国家科技进步奖一等奖2项;在两本岩石力学权威国际期刊发表论文数量位居世界前列;主编国际标准和建议方法7部,主参编国家与行业技术标准近50部,不断引领行业技术发展。同时,不断强化学科建设,在全国第四轮学科评估中,土木工程和力学一级学科均被评为A-。工程学ESI排名进入全球大学和科研机构的前1%。

压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)属于一种物理方式的储能,即空气在整个过程中只存在温度、压强等状态的变化,而不会发生化学方面的变化。储能的意义在于吸纳电网低谷时的“弃能”,而在用电高峰时回馈给电网。

责任担当 服务重大工程建设

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随着我国“一带一路”建设和西部大开发战略的深入实施,一大批穿越极端气候和地质条件的重大工程不断涌现。该所围绕重大地下工程建设中的难点,研发建立了高精度微震的岩爆监测技术和综合定量预警方法;发展了岩体破裂模拟的连续—非连续数值方法;提出了软岩碎胀大变形锚注、挤压大变形缓冲层支护和活动断裂带抗错断设计技术。研究成果在锦屏电站、白鹤滩电站、滇中引水、西藏扎墨公路嘎隆拉隧道、沪昆高铁、兰新铁路、巴基斯坦NJ电站等我国重大基础设施和中巴经济走廊的重大工程建设中发挥了重要作用。

TICC-500压缩空气储能电站效果图

2015年5月,中巴经济走廊巴基斯坦NJ水电工程发生了一次极强岩爆,巨大的破坏力让工程停工半年之久。如何抑制隧道岩爆频发问题?武汉岩土所在这个时候进入了巴基斯坦国际监理工程师的视线,受邀参与了深部工程灾害防控研究,解决了NJ水电站引水隧洞的施工难题。

简单来说,就是将低谷电、弃风电、弃光电等不易储藏的电力储存在压缩空气中,将其转化为空气分子的内势能。当用电高峰到来之时,再把高压空气的分子势能释放出来做功发电,从而改善发电与用电的时空结构。

研究所还研制出一系列具有自主知识产权的岩体力学多场多尺度试验系统、模拟隧洞抗错断等试验设备,研发了一批具有自主知识产权的岩土工程监测信息管理、隧道工程健康监测与预警系统。

储存了众多电力的压缩空气需要放在一间封闭性极好的“屋子”里,而这间“屋子”的“主人”就是盐。食盐开采后会自然留下一个场所,学名叫做“盐穴”。“盐穴”是一种极其宝贵的不可再生资源,并且密封性能良好。然而,长期以来这种资源的利用系数很低。由于盐岩具有良好的蠕变特性、自愈合特性以及极低的渗透率,并且不会与空气中的氧气发生反应,因此是储存高压空气的理想场所。

在边坡稳定性分析方法、边坡加固技术与工程实践方面,武汉岩土所率先提出了边坡稳定性分析的三维严格极限平衡法和岩质反倾边坡弯曲破坏分析方法,近年来在国际权威期刊上发表边坡稳定性分析论文总数居世界第一,获国际岩土力学计算机方法及进展协会“杰出贡献奖”。同时,完成了在废弃矿坑上建设世界最大室内冰雪乐园——“长沙冰雪世界”的边坡加固治理工作,该乐园入选Discovery探索频道“不可能完成的项目”专题节目。

理想方案储能,“买空卖空”就能赚钱

在膨胀土、红黏土及结构性软土的研究方面,武汉岩土所率先提出了膨胀土判别与分类的新方法和膨胀土裂隙定量化分析方法,建立了数字化全国膨胀土区域分布图,攻克了膨胀土地区公路勘察设计技术难题。研究成果在杭州湾大桥的建设和全国十余个省市的近百条高速公路工程中成功应用。

压缩空气储能具有储能密度大、存储周期长、投资成本较少等优点。按照运行方式的不同,压缩空气储能系统可以分为补燃式和非补燃式两大类。

武汉岩土所提出的“高铁路基小变形沉降预测的优化分析方法”为世界上首条一次性建成1000公里武广客运专线路基的稳定性评价提供了依据,并在此基础上提出了基于动态监测的高铁服役路基健康监测与诊断技术,构建了完整的高速铁路线下工程运营健康监测诊断技术体系。

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该所将先进的岩土力学技术用于古文物的保护。在中德合作保护陕西彬县大佛寺工程中,葛修润院士出任中方专家,提出的危岩加固治理和监测方案,为工程实施提供了科学依据。同时,葛修润院士提出的“无压容器”保护方案被国家采用,创造性地修建了世界上唯一在水深40米处的白鹤梁水下博物馆,“白鹤梁题刻原址水下保护工程”获全国文物保护科学和技术创新奖一等奖。研究所还给出了云冈石窟、大足石刻千手观音、卧佛水害治理工程、赤壁摩崖石刻稳定性和防水问题的解决方法,为我国石窟文物保护工作提供了关键技术支撑和借鉴。

压缩空气储能系统示意图

厚积薄发 保障能源资源安全

补燃式压缩空气储能系统在膨胀做功时需要燃气补热才能维持系统的循环运行,因此存在能耗大与碳排放的问题。而非补燃式则采用了回热技术,能够收集利用储能时产生的压缩热,来加热透平进口的高压空气,因此摆脱了对燃气的依赖。这样既提高了能源利用效率,又可以实现零碳排放。

建设油气战略储备是保障我国能源供应安全的重大战略需求。盐岩地层是国际上大型油气储备的最佳候选场址之一,武汉岩土所率先提出了深部层状盐岩大型储气库群建造技术,参与完成了亚洲第一座盐穴储气库——金坛储气库的选址、可研、造腔、设计与运行、跟踪评价及完整性评价等工作。针对我国层状盐岩地质条件复杂的特点,科研人员研发出了超深地层超大储气库水溶建库技术。该项技术使得我国盐穴水溶造腔技术达到国际领先水平,目前研究所正在研发盐岩溶腔压气蓄能技术。

看来,依托地下盐穴资源优势,采用非补燃压缩空气储能系统,不失为一个实现大规模压缩空气储能的理想解决方案。

除了能源安全问题,全球气候变化日益成为威胁人类可持续发展的重要因素之一。在此背景下,“CO2地质利用与封存稳定性评价与监控”技术应运而生,武汉岩土所是我国研发该技术的主力军。团队自主研发了一系列实验测试装置和评价分析方法,建立了我国最先进、最完善的封存研发测试平台,提出的U形管流体取样监测系统打破了美国劳伦斯伯克利国家实验室的垄断。与此同时,武汉岩土所承担了神华集团CCS示范项目的全部测试任务和部分设计工作。目前该项目已成功注入CO2共30万吨,初步验证了技术的有效性,是我国CCUS技术工业实施的重要探索。该成果作为重要组成部分获国家科技进步奖一等奖。

此外,我国实行的峰谷电价制度,为储能产业发展创造了一个有利的政策环境。以平时段电价为基础电价,高峰时段用电电价上浮,低谷时段用电电价下浮,以此来鼓励用户错峰用电。

提到能源安全,一个绕不开的话题就是核电工程,而爆破是核电工程基础岩体开挖的主要手段。在这个过程中,如何科学评价岩体爆破振动效应、有效控制岩体爆破振动危害是工程建设中迫切需要解决的核心工程难题。武汉岩土所提出了基础岩体爆破损伤评价与控制方法。研究成果在辽宁红沿河、福建宁德、广东台山、山东海阳、广西防城港等我国近期建设的所有核电工程基岩爆破开挖中得到应用。

对于储能产业来说,峰谷电价差套利是一种最为成熟的盈利模式。也就是说,“买空卖空”(即存进空气再释放空气)就能赚钱。

创新驱动 助推生态文明建设

“能源银行”托起智慧能源

十九大报告中回顾经济建设成就时,提到“南海岛礁建设积极推进”。这个位于中国南大门、事关国家领土主权的战略重地,再次进入公众视野。岛礁建设主要面临3个问题:礁砂能不能填筑、建成后的机场跑道是否稳定、地下淡化水资源何时能利用。从上世纪80年代起,武汉岩土所就承担了岛礁研究的科研任务。面对工程技术难题以及建设现场恶劣的生活条件,科研人员没有退缩。他们秉承着科技报国的信念,克服种种困难,取得了宝贵的珊瑚礁样品并进行实验分析。在他们的努力下,武汉岩土所成功研发了珊瑚礁砂填筑与沉降判稳方法、吹填地基加固技术与评价标准,并发现了吹填岛礁地下淡水涵养演化规律,岛礁建设取得突破性进展。

随着风能、太阳能等清洁能源的高速发展,建设大规模“能源银行”就显得十分迫切。而建设“能源银行”,可以采用不同的运行模式。一般来说,“能源银行”大体上可分为物理储能、电化学储能、电磁储能等多种模式。

近年来,武汉岩土所在含“可燃冰”土的力学与工程特性方面取得重要进展,率先在国内建立了具有自主知识产权的含“可燃冰”沉积物物理力学特性实验与测试平台,对于提升水合物开发利用技术水平具有重要的理论与工程意义。

像“压缩空气储能银行”就属于物理储能模式。物理储能模式还包括抽水蓄能和飞轮储能等,其特点就是储能介质不发生化学变化。 电化学储能模式包括铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、镍氢电池等,其特点是在充放电过程中伴随有储能介质的化学反应或者变化。电磁储能则包括超导储能、电容储能等。

除此之外,十九大报告中指出要加快生态文明体制改革,建设美丽中国,并且首次提出要加强固体废弃物和垃圾处置。针对我国现役和陈旧型垃圾填埋场防渗系统存在不同程度失效破坏导致土壤、地下水和空气等环境污染问题,武汉岩土所科研人员通过十余年系统研究,创造性提出了垃圾填埋场污染防控与资源化利用的“铜墙铁壁+渣里淘金+腾笼换鸟”一体化技术,研发了填埋场沼气和渗沥液产生运移过程的监测和探测系统,建立了填埋场沼气和渗沥液产生运移及致灾分析理论,开发了填埋场沼气和渗沥液的主动调控技术,实现了填埋场灾变从“被动治理”到“主动调控”的突破。研究成果应用于国内外130多个垃圾填埋场,并拓展到“一带一路”沿线的吉尔吉斯斯坦等国家。

建设盐穴“能源银行”不是只有压缩空气储能这一条路。目前,德国利用地下盐穴建造世界上最大的液流电池项目已取得了一定进展。该电池为氧化还原液流电池,以液体电解质的形式储存能源。

60年弹指一挥间,武汉岩土所从无到有,从小到大,造就了一支素质高、技术精的人才队伍,积淀传承了深厚的岩土精神和文化,创造了以深部岩体工程安全控制、边坡稳定性评价方法等为标志的辉煌成果。武汉岩土所秉承“科教融合、育人为本、协同创新、服务国家”的办学理念,建立面向科学创新、注重素质与能力的土木工程人才培养体系,为国家发展建设输送了一代代匡时济世、经世致用的科技创新人才。新时代、新机遇、新挑战,岩土人将以习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为指引,全面贯彻落实国家创新驱动发展战略,在岩土力学领域探索上永不停步,在逐梦科学梦想道路上永不停歇。

液流电池的蓄电系统一般包含两个储液罐,内装两种不同的电解液。两种电解液隔着一层薄膜进行离子交换,从而实现电能的储存与释放。为了解决电解液的环境问题,德国研究人员开发出了一种聚合物,将其溶于盐水后可作为电解液,现在已通过了初步测试。

《中国科学报》 (2018-11-06 第1版 要闻)

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德国计划建造世界上最大的电池(图片:

把“能源银行”放到智慧能源这个大的背景,它调峰的意义就不只是局限于电网本身了。比如,我国天然气的生产和消费就具有不平衡性,并且长距离的管道运输也存在一定的时间差。因此,调峰的重要性不言而喻。

为了提升天然气的调峰能力,利用盐穴储气简直就是一个绝佳的选择。事实上,在世界上盐穴储气库一直被用作天然气的调峰手段。进入21世纪之后,我国也开始着手进行盐穴储气库的论证和建设。

2007年,金坛率先建成亚洲盐穴储气第一库。据测算,一个20万立方米的标准盐穴可以储备3000-4000万立方米的天然气。2018年10月31日,我国城镇燃气首个大型地下盐穴储气库在江苏建成投运。

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我国首个燃气企业盐穴储气库(图片:www.yidianzixun.com)

尽管投入商业应用的大规模储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能两种。但随着生态文明的建设,“能源银行”仍旧前景广阔。目前国内盐穴在存储石油、天然气、压缩空气等方面都取得了长足进步,为智慧能源做出了重要贡献。随着我国煤改电、煤改气的推进,未来开发盐穴“能源银行”大有可为!

参考文献:

江苏省发改委.《江苏鼓励在电网侧和用户侧建设储能电站》,OFweek智能电网, 2018-08-29.

常州市发改委.《发改委:金坛盐穴压气储能国家示范工程通过可研审查》,常州市人民政府, 2017-09-19。

电力系统自动化 清华大学梅生伟等.《压缩空气储能发电》,中国储能网,2017-07-07。

国家发展改革委 国家能源局.《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,2016 年3 月。

韩红静,梅生伟,王国华,陈留平,韩月峰,朱闯,王文慧.《大规模储能技术 盐穴电池储能技术及发展前景》,2018-09-11。

张毅荣.《德国用地下盐穴建全球最大液流电池取得进展》,新华网,2017-11-26。

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