淡化海水回灌地下水在季节性能源储存中的作用

《Journal of Energy Storage》：Role of desalinated seawater groundwater recharge for seasonal energy storage

海水淡化季节性地下水回灌储能策略研究——以卡塔尔为例。该研究提出利用冬季富余可再生能源进行海水淡化并回灌地下水，夏季通过抽水反哺电力系统实现季节储能，在Dammam等高孔隙率区域建设储水设施，可存储2.57TWh能量满足40.6%季节需求，兼具水资源安全、地下水脱盐及热能存储等多重效益，成本为0.385美元/kWh，为卡塔尔碳中和目标提供创新解决方案。

　　本研究探讨了在干旱地区利用淡化海水进行季节性地下水补给，作为一种创新的能源储存策略的潜力，特别关注卡塔尔的实际情况。随着全球对可再生能源的依赖不断加深，其间歇性和季节性波动成为制约其广泛应用的关键因素之一。为此，研究提出了季节性储存方案，旨在通过在电力需求较低的时期（主要是在冬季）向含水层注入淡化海水，从而优化能源与水资源的供应。这种储存方式不仅能够提升电网的稳定性，还能在一定程度上降低电力成本，为实现更高比例的可再生能源发电提供支持。

在可再生能源储能技术中，电池储能和抽水蓄能（Pumped Hydro Storage, PHS）是最主要的两种选择。电池储能适用于短期储能，如小时或天级别的应用，而抽水蓄能则可以用于长期和短期储能，其适用范围从几小时到数月不等。然而，一些地区由于地形和地质条件的限制，难以建设季节性抽水蓄能设施。因此，研究提出了一种替代方案，即在拥有高海水淡化需求的国家中，利用淡化海水进行季节性储能。这一方法的核心在于，海水淡化本身需要大量的能源，如果能够将这些淡化的水储存在地下，那么实际上也就间接地储存了用于淡化过程的能源。

以海水淡化为例，现代反渗透（Reverse Osmosis, RO）技术能够将1立方公里的海水转化为淡水，这一过程大约需要3太瓦时（TWh）的电力，相当于每立方米淡水消耗3千瓦时（kWh）的电力。如果一个国家能够将这些淡水储存在地下，那么在电力需求高峰期，这些储存的水可以被利用，从而实现能源的间接储存。这一概念已经在多个地区得到应用，例如，预计于2027年投入运营的加那利群岛新抽水蓄能项目，不仅用于储存电力，还用于季节性淡化海水的储存。类似地，佛得角也提出了抽水蓄能设施的双重功能，既储存电力，也储存淡水，以实现资源的高效利用。澳大利亚的金岛也建议，应更加注重利用可再生能源进行淡化海水，并将其储存起来，而非直接储存电力。

在这一背景下，卡塔尔作为一个依赖化石燃料出口的国家，正面临着减排压力。根据其国家愿景2030（Qatar National Vision 2030），卡塔尔计划到2030年实现4吉瓦的可再生能源装机容量，同时减少温室气体排放25%。此外，卡塔尔的国家粮食安全战略2030也设定了提高本地食品自给率的目标，包括实现乳制品和新鲜鸡肉的100%自给，蔬菜和红肉的55%和30%自给，以及鱼类的80%自给。为了实现这些目标，卡塔尔需要大幅增加农业用水，而农业用水的增加将不可避免地提高整体的水和能源需求。

地下水的盐度问题是影响卡塔尔水资源质量的重要因素。由于海水入侵和深层咸水向淡水透镜的移动，地下水质量在过去几十年中逐渐恶化。图1展示了1976年和2009年卡塔尔地下水总溶解固体（Total Dissolved Solids, TDS）的分布情况，TDS水平在北部和中部含水层中从500到5000毫克/升（mg/L）不等，靠近海岸线的区域甚至达到了10,000 mg/L。此外，达玛姆层（Dammam Formation）的平均孔隙度为29%，这表明其具有较高的储水能力。例如，在卡塔尔约一半的陆地面积（11,581平方公里）内，1米的水位变化和29%的孔隙度可以储存1.68立方公里的水，这足以满足卡塔尔的季节性能源储存需求。

为了评估地下水补给的潜力，本研究参考了多个学者的研究成果。例如，Ajjur和Al-Ghamdi在2022年利用区域气候模型分析了卡塔尔未来地下水补给的不确定性。Aloui则对卡塔尔地下水的过去研究进行了全面回顾。Baalousha提出了用于估算卡塔尔地下水补给的参数，包括水位深度、净地下水补给量、含水层介质、土壤介质、地形和水力传导率。Mohieldeen等人提出了一个大规模的人工含水层补给计划，旨在通过人工补给提高卡塔尔的水资源安全，恢复地下水位至上世纪80年代的水平。Baalousha还概述了卡塔尔稳定状态地下水流动模型的开发与校准。Bohra和Shah在2020年提出增加日内和季节性水资源储存，但并未详细分析这些可能性。Salah和Sami在2022年研究了卡塔尔地下水开采的历史数据及其影响因素。

图2a展示了卡塔尔水资源供应的主要来源，显示了2024年淡化海水占总供水量的56%。图2b和表1则展示了2022年地下水平衡的长期年度平均值，显示每年地下水提取量超过67百万立方米（MCM），导致地下水位下降和盐度增加。图2c提供了2013年至2021年间卡塔尔各行业每美元GDP所需的水资源量，而图2d展示了2022年各行业和各水源的用水情况。数据显示，农业行业占卡塔尔总用水量的32%。如果卡塔尔希望提高粮食安全，就需要增加农业用水，预计农业用水将增长387%，达到总用水量的70%，相当于每年1201 MCM的用水需求。加上现有的海水淡化需求，卡塔尔每年的淡化海水需求将达到1715 MCM。

本研究的核心目标是评估通过淡化海水进行地下水补给在卡塔尔实现季节性能源储存的潜力。研究的主要贡献在于估算地下水补给的水量，以及这些水量如何转化为能源储存，并确定在卡塔尔建设地下水补给水库的最佳地点。为了实现这一目标，研究采用了多种方法，包括对季节性水和能源需求的分析、地下水补给潜力的评估、以及潜在水库位置的筛选。研究还进行了详细的成本评估，得出淡化海水补给作为能源储存方案的经济性，其投资成本估计为每千瓦时0.385美元，显示出这一方法的可行性。

在方法论部分，研究的流程如图3所示，分为三个主要阶段。第一阶段聚焦于描述卡塔尔的季节性水和能源需求。这一阶段分析了卡塔尔高度季节性的电力需求波动，并探讨了当前水资源的需求来源和未来可能的变化。同时，也描述了当前地下水资源的状况和开采情况。第二阶段则关注在卡塔尔利用淡化海水进行地下水补给的潜力，重点分析了地下水深度、水力传导率、含水层特性等因素。第三阶段则评估了潜在的水库位置，并考虑了地下水补给和地表蒸发率的影响。

在结果部分，研究选择了两个地点作为建设地下水补给水库的候选，如图5a和图5b所示。表3详细描述了这两个拟建的地下水补给水库。图5c展示了Mukaynis和Al Gaa'ia水库的月蒸发率。值得注意的是，由于蒸发皿的尺寸较小且深度较浅，其蒸发率通常会高估实际地下水含水层的蒸发量。因此，在评估地下水补给的效率时，需要考虑到这一因素，并结合实际的蒸发情况进行调整。

此外，研究还分析了卡塔尔在冬季利用现有淡化海水产能进行额外淡化的能力。图7展示了卡塔尔在2023年和2024年冬季的月淡化海水利用能力分别为22.4%和15.7%，均低于年度最大利用能力。这一闲置产能为储存淡化海水、在冬季进行地下水补给以及实现季节性能源储存提供了低成本且简单的方式。然而，需要注意的是，淡化海水的储存和补给过程可能会受到多种因素的影响，包括水位变化、蒸发损失以及地下水盐度的变化。因此，在实施这一方案时，需要综合考虑这些因素，以确保其长期可行性和经济性。

通过利用冬季丰富的可再生能源进行淡化海水，并在夏季将其用于农业和其他高用水需求的领域，这一系统可以为卡塔尔提供高达2.57 TWh的季节性能源储存能力，相当于卡塔尔季节性能源储存需求的40.6%。这一结果不仅展示了地下水补给在能源储存方面的潜力，还突显了其在提高水资源安全和降低地下水盐度方面的附加价值。通过这种方式，卡塔尔可以实现能源和水资源的双重优化，为实现其国家愿景2030的目标提供支持。

研究还指出，这一方法具有多方面的优势。首先，它是一种成本效益高的储能方案，投资成本仅为每千瓦时0.385美元，相较于其他储能技术更具经济性。其次，该方案具有可扩展性，可以根据卡塔尔未来的能源和水资源需求进行调整和优化。最后，它是一种多功能的解决方案，不仅能够储存能源，还能提高水资源的可用性和安全性，为农业、工业和居民生活用水提供保障。此外，这种储能方式还可以与现有的海水淡化设施相结合，提高整体系统的效率和可靠性。

在讨论部分，研究进一步分析了地下水补给在实现卡塔尔脱碳目标中的作用。通过将季节性能源储存与水资源管理相结合，卡塔尔可以在不增加额外能源基础设施的情况下，提高可再生能源的利用率。这种结合不仅有助于减少对化石燃料的依赖，还能降低碳排放，为实现国家的可持续发展目标做出贡献。同时，研究还强调了在实施这一方案时需要考虑的环境和社会因素，包括地下水盐度的变化、水资源的合理分配以及对当地生态系统的影响。这些因素需要在项目规划和管理过程中得到充分考虑，以确保其长期可行性和环境友好性。

综上所述，本研究展示了通过淡化海水进行地下水补给作为季节性能源储存策略在卡塔尔的可行性。这一方法不仅能够有效利用可再生能源，还能提高水资源的安全性和可用性，为卡塔尔实现能源和水资源的双重优化提供支持。研究的结果表明，这一方案具有重要的战略意义，能够在满足国家发展需求的同时，推动可持续发展和环境保护。未来的研究可以进一步探讨这一方案在不同地区的适应性，以及如何通过技术创新和政策支持，提高其实施效率和经济性。