《Energy Conversion and Management-X》：Techno-economic analysis of High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage in district heating systems
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为应对区域供热（DH）系统整合可再生能源时的供需不匹配挑战，研究者针对高温含水层储能（HT-ATES）技术进行了系统级建模。研究表明，HT-ATES能显著提升系统可再生能源比例，但其经济性高度依赖于地热供应与热需求的相对规模。该研究为在合适的系统设计条件下实施HT-ATES提供了决策支持。
随着21世纪减缓温室气体排放成为全球性挑战，建筑用能的脱碳变得至关重要。其中，供热和制冷系统消耗了建筑约65%的能源，而这些能源大部分仍依赖于化石燃料。向可持续热源转型的复杂性在于，许多可再生能源（如地热能、太阳能）的供应模式与波动的用热需求之间存在显著的季节性、甚至日间不匹配。例如，地热能可以提供全年稳定、运营成本较低的热量，但其输出恒定，而用热需求却在寒冷季节达到峰值。这种供应与需求之间的“错配”是推进清洁供暖的一大瓶颈。为了解决这一矛盾，季节性储热技术应运而生，它允许将非高峰期的多余热能储存起来，在需求高峰时再释放使用。其中，高温含水层储能作为一种在高于25°C下运行的地下储热技术，因其能够直接向区域供热系统提供热量，并可能通过“削峰”作用减少对备用化石燃料容量的依赖，而受到关注。然而，尽管HT-ATES潜力巨大，但其潜在的温室气体减排效益和经济收益此前未得到充分关注，特别是其与区域供热系统中其他组件（如热源、管网、需求侧）之间的动态运行交互关系，更是评估其实际应用价值的关键缺口。本研究正是为了填补这些知识空白，对HT-ATES集成到区域供热系统中的技术、经济和环境绩效进行系统性评估，为决策者提供更全面、现实的见解。
研究人员采用了一个系统级建模框架来开展研究。首先，他们构建了一个包含地热（作为基础负荷热源）、HT-ATES和燃气锅炉（作为备用热源）的简化区域供热系统模型。该模型的核心是一个基于优先级顺序的控制策略，以小时为步长运行，确保需求在任何时刻都被满足。其次，他们利用了一个已开发的HT-ATES模型，该模型考虑了含水层地质参数（如孔隙度、导水率等）和运行参数，能够通过机器学习算法预测储热系统的回收效率。最后，研究采用了平准化供热成本、可再生能源比例和碳减排成本这三个关键指标，对系统整体及各组件的经济和环境性能进行量化评估。整个研究基于一个受荷兰代尔夫特理工大学启发的案例进行。
5.1. 热力供应与LCOH
研究人员分析了三种不同地热-需求比例下的系统表现。结果发现，在G/D=1.07（即地热供应略高于平均需求）的情况下，HT-ATES的经济性最好，能够将系统整体LCOH降低至约87�/MWh，同时将可再生能源比例提升18个百分点。这主要是因为此场景下HT-ATES的注入和提取热量都较为均衡，利用率高。而在G/D过高或过低的场景下，HT-ATES要么存储了远超需求的热量（导致投资利用率低），要么可存储的热量有限（导致单位储热成本高），其经济性均不显著。相比之下，地热双井本身在所有场景下都极具成本效益，相比纯燃气锅炉系统，能将LCOH降低25-37�/MWh。
5.2. 不同需求案例中各种配置的可再生能源份额与碳减排成本
环境评估结果显示，HT-ATES在所有场景下都能有效提升系统的可再生能源比例，增幅在9%到18%之间。在G/D=1.07的最佳案例中，系统可再生能源比例可达94%。然而，衡量减排成本的碳减排成本指标揭示了HT-ATES的另一面：只有在G/D=1.07的情况下，其CAC为负值，意味着增加HT-ATES在减排的同时也降低了系统成本；在其他两种需求场景下，CAC为正值，表明虽然减排了，但增加了额外成本。地热技术的CAC在所有情况下均为负值，凸显出其兼具减排和降本的双重优势。
5.3. 参数探索结果
5.3.1. 地热容量
研究探索了地热容量变化对系统的影响。一个关键发现是，当系统包含HT-ATES时，最优的地热容量会发生变化。对于仅含地热和燃气的系统，最优G/D在1.4-1.6之间；而当加入HT-ATES后，最优G/D范围移动至1.1-1.3。这说明HT-ATES的存在改变了对地热源最优规模的设计考量，因为它可以通过存储来更有效地利用地热产出。
5.3.2. HT-ATES的最大泵送速率
分析表明，HT-ATES的规模（以最大泵送速率表示）对其LCOH有显著影响。存在一个最优规模范围（大约在100-150 m3/h），此时HT-ATES的LCOH最低。规模过小则输送能力不足，规模过大则导致投资成本增加而利用率不足，都会推高其LCOH。在研究的G/D=1.07案例中，HT-ATES的最优规模（约100 m3/h）对应的LCOH约为86�/MWh，与系统最优LCOH点一致。
5.3.3. 截止温度
截止温度（即区域供热系统的回水温度）是另一个关键参数。研究将其在45°C至65°C之间变化。结果发现，较高的截止温度会显著降低来自地热和HT-ATES的有效热量，从而迫使系统更依赖燃气锅炉，导致系统LCOH上升和可再生能源比例下降。例如，在G/D=1.07的案例中，当截止温度从55°C升至65°C时，系统LCOH增加了约4�/MWh。这凸显了低温区域供热系统对提升可再生能源利用的重要性。
4.4. HT-ATES运行模式与峰值削减
研究还专门评估了HT-ATES的两种运行策略。首先，他们发现忽略HT-ATES在初始几年因“暖场”导致的较低效率，会使其LCOH被低估约2-3�/MWh，强调了在长期经济分析中考虑这一动态过程的重要性。其次，他们量化了HT-ATES作为“削峰”技术的经济效益。通过修改控制策略，使HT-ATES的提取量与未满足的需求成正比（而非有存即取），可以有效降低系统的峰值需求，从而减小所需燃气锅炉的备用容量。在案例中，这种“削峰”运行模式带来了约2�/MWh的成本节约，尽管幅度不大，但证实了这一功能的经济价值。
4.5. 蒙特卡洛分析
最后，通过对关键经济参数（如气价、电价、投资成本等）进行蒙特卡洛不确定性分析，研究给出了系统LCOH的可能范围。在所有需求案例下，包含HT-ATES的系统LCOH的90%置信区间均显著低于荷兰158�/MWh的区域供热价格上限，表明即使在参数存在不确定性时，该系统方案在经济上也是可行的。
本研究通过一个创新的系统级模型，深入评估了将高温含水层储能整合到区域供热系统中的综合效益。核心结论指出，HT-ATES的实施价值并非普遍适用，而是强烈依赖于系统设计，特别是可持续热源（如地热能）的供应规模相对于热需求的比率。在“地热供应略高于平均需求”这一“甜蜜点”场景下，HT-ATES能实现最佳经济性，在提升系统可再生能源比例的同时，还能略微降低整体供热成本。研究还揭示了HT-ATES与系统其他组件之间复杂的相互作用：例如，它的存在会改变对地热源最优规模的设计要求；其自身的规模（泵送速率）和系统运行温度（截止温度）也显著影响其性能和经济性。此外，研究首次量化了HT-ATES“削峰”功能带来的有限但明确的经济效益，并强调了在长期评估中考虑其初始运行效率动态变化的重要性。这些发现对于政策制定者、能源规划者和项目开发者至关重要。它们表明，在考虑部署HT-ATES时，必须进行细致的、针对具体系统的建模分析，综合考虑热源、需求、储热规模、运行策略和管网温度等多个因素的协同作用。盲目追求高可再生能源比例或大规模储热，而不进行系统层面的优化匹配，可能会导致投资效率低下，甚至适得其反。本研究为在适当的条件下做出明智的HT-ATES投资决策，从而以更具成本效益的方式推进区域供热系统的脱碳进程，提供了坚实的科学依据和实用的评估框架。
