预测压缩空气储能（CAES）的运行策略及其在评估盐穴储层性能中的作用

《Journal of Energy Storage》：Predicting operation strategies for compressed air energy storage (CAES) and its role in evaluating salt cavern reservoir performance

　　

摘要
CAES 盐穴经历高频的气体注入和抽取，导致盐穴热力学状态波动，并降低围岩的储能性能。以往关于这些影响的研究主要依赖简化的运行策略（白天放电、夜间充电），忽视了 CAES 电厂的实时削峰功能，因此缺乏准确性。本研究开发了一种确定性线性模型，专注于不确定性较低的局部电网负载，将电厂运行目标设定为最小化负载波动。这种方法能够更准确地预测电厂的长期运行策略以实现最佳调峰。该模型应用于中国金坛的一个盐穴 CAES 电厂。预测策略在缓解负载波动方面比简化策略提高了 99.0%，验证了模型的可靠性。随后进行了数值模拟，以研究这些策略对盐穴热力学环境和围岩力学行为的长期影响。与简化策略相比，预测策略缓解了盐穴内的湿度和压力波动，导致液化水积聚减少 79.0%，围岩蠕变抑制 13.4%。这两个因素导致 30 年后盐穴可用体积损失降低 79.3%。围岩损伤也大幅减少，保持了盐穴的长期稳定性和密闭性。这些结果证明了所提出的预测模型在分析 CAES 盐穴长期热力学和力学响应方面的校正作用，有助于研究人员更准确地评估盐穴储库的可用性和经济性。

引言
发展低碳和清洁能源是应对全球气候危机的关键措施，这是全球广泛认可的共识 [1]。图 1 展示了 2014 年至 2023 年全球可再生能源装机容量 [2]，其保持了快速增长率，年均增加 9.59%。风能和太阳能增长最快，其总容量在十年内从 440 GW 上升至 1167 GW，增长了 165.23%。这两种可再生能源预计将成为未来的主要能源 [3]。然而，它们有一个共同的缺点：间歇性 [4]。在低需求时期产生的清洁电力无法被充分利用，从而给电网带来负担。

因此，以 CAES 为代表的大型储能系统与清洁能源装置配对，对于高效利用清洁能源至关重要 [5]。绝热 CAES (A-CAES) 是最发达且经济的 CAES 技术 [6]，本研究讨论的 CAES 指的就是这种类型。A-CAES 电厂通过在清洁能源充裕时将空气压缩到储库并收集压缩热来储存能量。在需求高峰期间，储存的空气和热量被释放以驱动涡轮机，为市场发电。因此，通过能量转换和储存，缓解了清洁能源供应与市场不匹配的问题。

由于岩盐的渗透率极低 (<10?18 m2)、孔隙率极低 (<2%) [7] 以及损坏后的自愈效应 [8]，在岩盐地层中建造的洞穴是 CAES 储库的理想选择。德国 [9]、美国 [10] 和中国 [11] 已成功商业化盐穴 CAES 电厂，其概念图如图 2 所示。中国的学者也在探索在复杂条件下使用盐穴 CAES，包括双井或大量沉积物积累的盐穴 [12]、[13]、[14]。作为 CAES 储库，盐穴在电厂运行期间每天经历气体注入和抽取，导致内部高速气流和高压强波动。此类操作引起热力学环境的动态变化 [15] 和围岩质量的疲劳蠕变损伤 [16]。因此，受影响的储存气体和围岩状态对盐穴储库的可用性构成长期威胁，因此已成为广泛研究的主题。

在世界首个盐穴 CAES 电厂，德国 Huntorf 电厂，Quast 和 Crotogino 观察到盐穴温度每天波动超过 30 °C [17]。基于质量守恒和能量守恒方程，Kushnir 等人获得了 CAES 盐穴在空气注入和抽取期间温度变化的数值和近似解析解 [18]，揭示了盐穴温度和压力对运行条件的敏感性。

通过溶采建造洞穴后，部分卤水被困在洞穴底部的沉淀池中 (图 2) [19]。这种卤水的蒸发在 CAES 盐穴内建立了基本湿度。Giannetti 等人分析认为，注入空气会提高盐穴温度，从而增加蒸气压和蒸发率，而抽取空气会冷却盐穴并引起冷凝 [20]。盐穴湿度的这种变化使空气的热导率复杂化。此外，Berest 计算了在一个 10,000 m3 盐穴内这些水相变中传递的潜热可以使温度变化超过 1 °C [19]。Zeng 等人发现，盐穴内空气温度和湿度的波动通过分别改变储存空气的内能和盐穴中液态水的体积，直接影响其储能容量 [21]。

运行期间的高频压力波动也对围岩盐的储能性能构成长期威胁。洞穴建成后，围岩经历偏应力，产生局部应力集中和内部损伤。这种退化降低了岩石的强度、刚度和结构完整性，形成以稳定性差和密封性能差为特征的开挖损伤区 (EDZ) [22]、[23]。预测该区域的扩展和演化对于评估盐穴储库的长期储存性能至关重要。CAES 操作每天改变盐穴内部压力，使围岩偏应力波动，并使其处于蠕变 - 疲劳模式 [24]、[25]。这种效应可能持续降低 EDZ 的稳定性和不透水性，导致洞穴坍塌和气体泄漏。Wang 等人在模拟洞穴稳定性时考虑了疲劳荷载 [26]，确定其对结果有显著影响，并建立了安全操作压力和柱宽。

这些关于 CAES 运行下洞穴状态的研究构成了评估盐穴 CAES 电厂长期经济性和安全性的关键基础。然而，CAES 运行通常被简化为“白天放电、夜间充电”。实际上，电网负载和电价波动更复杂，取决于当地产业结构、气候和电力销售政策 [27]。为了最大化电厂的调峰，每个 CAES 电厂的运行策略，包括充放电的具体时间和数量，都是独立设计的。以 Fleer 和 Teixeira 为代表的研究人员发现，电厂调度策略显著影响储能电池的运行可靠性 [28]、[29]。然而，在 CAES 系统的背景下，运行策略对盐穴储库的影响需要给予更多关注。

作为恒容储库，盐穴内的热力学状态对内部压力变化高度敏感 [18]。此外，遭受蠕变 - 疲劳损伤的围岩盐的粘塑性变形也直接受应力路径影响 [30]。因此，充放电阶段的持续时间和转换模式直接影响盐穴的温度、湿度和力学状态。准确确定 CAES 电厂的运行策略对于评估盐穴储库的长期储能性能至关重要。

储能技术研究人员开发了各种模型来确定 CAES 电厂运行策略，通常旨在最大化市场效益，从而更贴近实际生产。Attarha 等人提出了一种自适应鲁布自调度模型，用于风力发电与 CAES 系统配对参与能源市场 [31]。Cai 等人提出了一种混合随机方法，以识别对市场价格和洞穴不确定性具有鲁棒性的经济优化策略 [32]。然而，由于电力市场的可变性，这些方法主要提供基于日前价格预测的短期运行策略，不适合模拟盐穴的长期状态。

本研究提出了一种确定性线性模型来预测 CAES 电厂的运行策略。该模型建立最小化局部电网负载波动，该负载受市场交易影响较小且表现出更高的可预测性，作为 CAES 电厂的运行目标，从而推导出更符合长期生产的运行策略。该模型应用于中国金坛的一个盐穴 CAES 电厂，验证了预测策略优秀的削峰能力。进行了数值模拟以定量分析预测策略对盐穴热力学状态（包括温度、湿度和水相变）的影响，以及围岩的长期力学行为，如蠕变引起的收敛和 EDZ 损伤。研究结果强调了使用此方法根据当地条件预测 CAES 电厂长期运行策略的必要性。通过采用更真实的运行策略作为目标盐穴热力学和力学研究的基础，可以更准确地评估长期运行下 CAES 系统的经济性和安全性。

章节片段
确定性线性模型
在许多地区，电力是根据当地历史电力负载模式以固定、分层价格销售的，而不是基于实时电力需求 [33]。因此，以往识别经济优化策略的方法不再适用。本研究设计了一种确定性线性模型，旨在识别 CAES 电厂的运行策略，以最大程度地调节局部电网的负载波动。在本节中，模型的 目标函数和相关约束

模型应用
中国首个 CAES 电厂位于江苏省金坛，具有代表性的运行参数和局部电网负载波动 [11]。在本节中，设计的确定性线性模型应用于该电厂。

热力学状态
金坛 CAES 电厂的盐穴 (Mao-8) 位于地下约 1000 米处 [11]。在此深度，地热达到约 50 °C，通过围岩影响盐穴空气。洞穴沉淀池中的卤水，饱和了来自围岩的可溶性矿物质（主要是 NaCl），通过吸收和蒸发调节环境湿度 [43]。此外，围岩盐在高湿度环境中潮解，将水蒸气转化为

围岩状态
金坛目标 CAES 洞穴周围的岩石经历从 6.3 到 8.3 MPa 的差应力波动。基于地质数据，岩层平均 NaCl 质量分数为 86.69% [48]。这种高纯度岩盐在长期差应力下发生显著蠕变 [49]。这种变形导致洞穴收缩及其 EDZ 扩张，从而恶化其储能能力 [50]。调查 至关重要

展望
在进行 CAES 盐穴的热力学和岩石力学研究时，电厂整个生命周期的运行策略必须作为数值模拟的输入。本研究表明，过于简化的策略会导致显著的评估误差。另一方面，电力市场的可变性使得不可能预先确认运行策略。本研究介绍的确定性线性模型使用当地历史电力负载模式

结论
本研究引入了一种确定性线性模型，旨在最小化电网负载波动，以预测未来电力市场不确定性下 CAES 电厂的长期运行策略。该模型应用于中国金坛的盐穴 CAES 电厂，以验证其可靠性。基于预测策略，本研究定量分析了盐穴储库关键性能指标的敏感性，包括热力学场、围岩

CRediT 作者贡献声明
Zhen Zeng：写作 – 初稿，方法论，形式分析。Hongling Ma：项目行政管理，资金获取。Yinping Li：资源，概念化。Xilin Shi：写作 – 审查与编辑，资金获取。Wei Liang：验证，方法论。Xuan Wang：写作 – 审查与编辑，可视化。

赵凯：资金支持获取，数据整理，概念构思。
利益冲突声明
作者声明，不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢湖北省重点研发计划（编号 2022BAA093, 2022BAD163）、江西省重点研发计划（编号 2023ACG01004）以及中国科学院岩石力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室开放研究基金（资助号 SKLGME023008）提供的资金支持。
曾振 | 马宏玲 | 李银平 | 施西林 | 梁伟 | 王宣 | 赵凯
中南大学资源与安全工程学院，中国长沙 410083