重力储能与CCUS-P2G协同的煤矿综合能源系统碳能效率提升策略

《Carbon Neutrality》：Energy-carbon efficiency improving strategy for coal mine integrated energy system considering gravity energy storage

本研究针对煤矿区高能耗高排放问题，创新性地提出融合重力储能与碳捕集利用封存-电转气技术的煤矿综合能源系统优化调度模型。通过利用废弃矿井构建重力储能系统平抑风光波动，并借助CCUS-P2G实现碳资源循环利用，显著提升可再生能源消纳率，降低系统总成本27.8%和碳排放34.2%，为矿区低碳转型提供理论支撑。

　　

在推进碳达峰碳中和的战略背景下，作为能源密集型重工业的煤炭开采行业面临着严峻的节能减排压力。煤矿开采过程中会产生大量伴生能源资源，如煤层气、通风瓦斯、涌水和煤矸石等，据估算我国煤矿甲烷储量达470亿立方米，年产生矿井涌水约42亿吨，其温室效应相当于排放2亿吨CO₂。然而，矿区普遍采用粗放的能源利用方式，导致这些富含可回收能源的伴生资源直接排放，不仅造成资源浪费，还加剧环境污染。

与此同时，矿区周边通常拥有丰富的风光资源，为可再生能源发展提供了天然优势。但随着波动性可再生能源比例的提高，电网稳定性面临挑战。现有研究虽在矿区能源系统优化方面取得进展，但仍存在三大瓶颈：伴生能源资源利用率低，多数研究仅考虑单一能源类型；废弃矿井资源未充分开发，未能有效利用矿区地形优势建设重力储能系统；低碳技术与市场机制耦合不足，未充分发挥碳交易机制和CCUS-P2G等碳减排技术的协同效应。

针对这些挑战，罗昭团队在《Carbon Neutrality》发表的研究中，构建了融合重力储能与CCUS-P2G的煤矿综合能源系统协同优化模型。该研究通过多能流协同调度，实现了矿区能源碳能效率的显著提升。

研究采用的关键技术方法包括：基于废弃矿井的竖井式重力储能系统建模，通过重物升降实现势能与电能转换；CCUS-P2G耦合技术，将捕获的CO₂与电解水产生的H₂合成甲烷，用于低浓度煤层气提质；阶梯碳交易机制，建立碳电协同市场环境；多能源流耦合调度模型，整合通风瓦斯氧化发电、水源热泵、煤矸石发电等矿区特有能源转换设备。

系统架构设计

研究构建的煤矿综合能源系统框架包含能源供应、利用、转换和存储四个环节。能源供应源包括风电、光伏、外部电网、天然气网和矿区伴生能源资源。能源转换技术涵盖通风瓦斯氧化发电、水源热泵、煤矸石发电、热电联产、燃气轮机、余热锅炉、电制冷机和吸收式制冷机等。储能组件包括重力储能系统和储热罐，CCUS系统包含碳捕集、封存和CO₂储罐，两级P2G系统则包含电解槽、甲烷反应器、氢燃料电池、储氢罐和储甲烷罐。

重力储能系统建模

竖井式重力储能系统通过控制重物升降实现能量转换。在储能过程中，电机以恒定速度提升重物，将电能转化为重力势能；释能过程中，重物下降驱动发电机发电。研究特别考虑了下降过程的三个阶段：加速、匀速和减速，仅匀速阶段产生的电能并入电网，以确保并网功率平稳。

数学模型分析表明，重力储能系统的性能受重物质量、匀速阶段速度和加速度参数显著影响。当重物质量低于31万吨时，电机功耗小于发电机输出，储能利用率随质量增加而提升；超过该临界值后，系统经济性反而下降。

CCUS-P2G耦合机制

针对低浓度煤层气直接利用难题，研究创新性地提出CCUS-P2G耦合解决方案。碳捕集设备从高排放源捕获CO₂，电解槽将富余电能转化为H₂，甲烷反应器将CO₂和H₂合成高浓度甲烷，与低浓度煤层气混合后达到燃气轮机燃烧标准。

多场景对比验证

通过四场景对比分析表明，单独引入重力储能（场景2）可使风光消纳率提升至82.31%和96.71%，总成本降低1.44×10⁴元；单独采用CCUS-P2G（场景3）使总成本降低13.52×10⁴元，碳减排187.58吨。而重力储能与CCUS-P2G协同场景（场景4）实现风光100%消纳，总成本降至29.33×10⁴元，碳减排402.72吨，较基准场景分别降低38.6%和34.2%。

调度结果显示，系统优先使用通风瓦斯氧化发电和燃气轮机等低成本设备，在风光出力高峰时段通过P2G消纳富余电能，重力储能在15:00-17:00风光出力下降时释放能量。热力调度中，余热锅炉满足主要热负荷，储热罐通过谷储峰放减少热能浪费。

碳流分析表明，在电价低谷时段（00:00-07:00和22:00-24:00），系统购电量大，碳捕集设备出力低，碳排放量高；而在08:00-21:00时段，碳捕集设备全力运行，有效降低系统净碳排放。

技术经济性分析

与电化学储能对比表明，重力储能在运营维护成本和储能容量方面更具优势。当储能高度超过600米时，光伏可实现完全消纳；超过1100米后，系统趋于稳定。P2G容量分析显示，12-15MW为经济最优区间，此时弃能成本与P2G运维成本达到平衡。

阶梯碳交易参数敏感性分析发现，碳交易基价超过220元/吨时，系统减排激励显著增强，电力购买量大幅下降，碳交易收益明显提升。碳交易区间在0.5-1之间时，系统低碳性最优，总成本最低。

研究结论表明，通过重力储能与CCUS-P2G的协同优化，可有效解决矿区能源供需失衡问题，实现经济效益与低碳发展的双赢。该策略不仅提高了伴生能源资源和废弃矿井的利用率，还为矿区低碳转型提供了创新路径。未来研究将考虑摩擦损耗和地质条件对重力储能的影响，并探索氢能源多元化利用和重卡运输网络耦合，进一步推进全系统 decarbonization 进程。