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发展废弃矿井抽水蓄能 促进我国能源结构转型
发表时间 2017-10-23 14:01 来源 本站原创

  陈 宁 刘 方 张保生 杨 丽

  中国矿业大学电力工程学院

  编者按:能源危机一直是困扰人类社会下一步发展进程的大问题。从宏观上看,石油、煤炭、天然气等化石能源开采与消耗量巨大,消耗速度急剧增长,剩余资源很快就捉襟见肘。据预测,地球上现存的化石能源无法让人类使用超过一百年,若能源开发和使用上没有出现新的变革,人类未来的发展必将因资源枯竭而将走向困境。为此,美国前总统奥巴马会曾发出这样的言论:“如果10多亿中国人口也过上与美国和澳大利亚同样的生活,那将是人类的悲剧和灾难,地球根本承受不了,全世界将陷入非常悲惨的境地。”如今,新能源开发仍处于刚起步的程度,利用率低、成本高昂等很多问题亟待解决,技术尚待开发。在能源危机日益凸显的今天,尤其是在我国环保问题逐渐成为官方和民间重大关切的情况下,如何在现有条件下尽可能节约环保地利用现有能源,就成为值得深入研究的重要课题。中国矿业大学电力工程学院陈宁教授及其团队在该领域的研究取得了重要进展,现将其论文《发展废弃矿井抽水蓄能,促进我国能源结构转型》全文刊发。

  根据中国向联合国气候变化框架公约提交的应对气候变化国家自主贡献文件:《强化应对气候变化行动——中国国家自主贡献》,到 2030年,我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%,非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右,可再生清洁能源的增加尤以风能和太阳能最为突出。太阳能和风能具有随机性、间歇性和波动性的特点。如果没有储能技术的支持,盲目扩张风能和光伏发电的比重必将对电网安全带来隐患。因此,才出现了电网上戏称新能源电力是“垃圾电”的情况,才有了我国三北地区风电站和光伏电站弃风、弃光的现象。

  另一方面,随着资源枯竭以及我国压缩煤炭产能的影响,我国东部和中部地区(如鲁西南、苏北、皖北地区等)出现了大批关停矿井。据统计,到2020年,我国废弃矿井数量将达到1.2万个,到2030年,这一数字将达到1.5万。大批的矿井关闭,又进一步带来了煤矿迹地修复治理、资源枯竭型城市转型、地下空间及矿井水再利用等一系列问题。

  一、废弃矿井抽水蓄能电站的概念

  我国绝大多数地区煤炭开采以地采为主,地采将地下的煤挖空后会造成地表塌陷并形成积水。利用这一特点,可以将地表塌陷带水体作为上水库,地下绵延十几甚至几十公里的废弃巷道作为下水库,利用上下水库的势能差构建抽水蓄能电站(如图1所示)。

  图1. 废弃矿井抽水蓄能电站示意图

  抽水蓄能技术已经成功运用了100 多年,它是目前人类大规模电能储蓄中成熟度最高、可靠性和经济性最好的技术。将废弃矿井改为抽水蓄能电站,在用电低谷时,用水泵将水从地下300米至1000米的巷道泵送至地表塌陷地湖体,电能转化为水的势能。用电高峰时,塌陷地蓄水流入地下巷道,冲动水轮机将势能转换为电能,并输送回电网。

  除了储存电能,废弃矿井抽水储能电站运行时,还可以回收发电时从地下巷道里挤出的乏气中的热能,为周边提供供热服务。

  二、废弃矿井抽水蓄能电站的可行性

  废弃矿井抽水蓄能电站的建设目前完全具备可行性。废弃矿井抽水蓄能电站所需要的水轮机、水泵、输配电系统等都属于成熟技术。难点在于如何将废弃的地下巷道综合治理形成能蓄水、不坍塌、无泄漏的地下蓄水库。该技术近年来已经获得突破。2010年神华集团在神东大柳塔煤矿建成了首个煤矿分布式地下水库,迄今为止,累计建成 32 座煤矿地下水库,储水量达到3100万m3,是目前世界唯一的煤矿地下水库群。

  也正是在这个技术背景下,德国煤炭巨头鲁尔集团已经与德国埃森大学合作开始将废弃的Prosper-Haniel煤矿改造成世界上首座200MW抽水蓄能电站。

  三、废弃矿井抽水蓄能电站的意义

  利用废弃矿井建设抽水蓄能电站除了可以获得传统抽水蓄能电站移峰填谷、提高电网运行稳定性和经济性,以及为电网提供调频、调相、事故备用等服务外,还具有以下作用。

  (1) 有助于我国沿海核电和东海风电能源带的建设

  未来随着我国能源结构调整,必将在东部沿海地区自北向南建设大量核电厂,形成我国沿海核电能源带;此外东海大陆架沿线也是我国建设海上风电的首选场地,形成东海风电能源带。但是核电机组调峰能力差,风力发电又不稳定,建设上述两条能源带迫切需要大规模的储能服务作依托。如前文所述,目前我国鲁西南、苏北、皖北地区具有丰富的废弃矿井资源,而且水力资源相对充沛。若延山东、江苏、安徽这一条自北向南的废弃矿井带大规模建设废弃矿井抽水储能电站,正好与我国核电能源带和海上风电能源带相平行,为我国华东地区提供城市级储能服务(图2)。

  图2. 我国废弃矿井分布区与沿海核电能源带、东海风电能源带的关系

  (2) 有助于我国中东部地区资源枯竭城市的转型

  我国东北、华北、鲁西南、苏北、皖北地区的废弃矿井丰富区,也正是煤炭资源枯竭型城市密集区。这些城市目前正面临着资源枯竭转型,后矿业迹地的再利用,矿业产能再利用,矿业人口在就业等一系列社会问题。建设废弃矿井抽水蓄能电站后,不仅仅将废弃的矿业巷道变废为宝,还拉动了矿业机电装备产业向电力储能产业转型(建设矿井储能电站的工程技术和装备与传统矿业体系重合度很高)、矿业人口向电力建设人口转型、矿业迹地向新能源电站的转型这三个转型。此外有了大规模储能的支持,这些城市的光伏产业、智能电网、分布式能源产业也可以趁势而起,闯出一条具有矿业特色的资源枯竭型城市转型之路。

  (3) 有助于我国东部地区智能电网的建设

  废弃矿井抽水储能技术的推广,可以形成我国自东北到皖北的东部储能服务带。这个储能带正好可以为我国未来京津冀、长三角等东部发达地区的智能电网建设提供储能支持。而智能电网、分布式能源一旦有了储能服务的依托就可以大幅度提高新能源电力的占比,大幅度降低电力系统的碳排放。

  此外,以我国东部丰富的废弃矿井资源为依托,率先在我国东部沿海地区实现智能电网的实用化,不仅仅具有巨大的经济意义,也具有重要的政治意义。

  四、废弃矿井抽水蓄能在我国的发展方兴未艾

  近年来,我国政府部门和诸多煤炭企业对废弃矿井利用问题非常重视。2017年5月中国工程院正式启动了重大咨询研究项目“我国煤矿安全及废弃矿井资源开发利用战略研究项目”。在该战略研究项目中,多方专家均指出抽水储能电站是未来我国废弃矿井资源开发利用的重要手段之一。

  当前,废弃矿井抽水蓄能电站的建设还存在一些问题,例如,在国家政策层面,已经废弃的矿井是否允许重新启用?应该有哪些必要的流程确保重新启用能够满足环保、安全等目标;从应用层面,抽水储能能否在我国北方风能太阳能丰富但干旱缺水地区适用,从而确实能让该技术助推我国新能源产业的发展?从时间层面,矿井一旦封闭越早改建越有益于抽水储能项目资金投入的节省,但是大量已关闭多年矿井该如何考虑等等。

  总之,利用废弃矿井改建抽水储能电站,是一项对我国未来能源产业结构调整有着巨大促进意义的新兴技术,它的发展也必将拉动一系列新兴能源产业的发展。可以说,废弃矿井抽水蓄能在我国的发展方兴未艾!

  专家简介

  陈宁,男,1970年1月生,博士、教授。江苏省青蓝工程中青年学术带头人,加拿大萨斯喀彻温大学访问学者。1992年7月毕业于中国矿业大学电厂热能动力工程专业,获学士学位;2003年获流体机械工学硕士学位;2010年获流体力学工学博士学位。2008-2010赴加拿大萨省大学留学。现主要从事新能源、节能理论等方面的教学与科研工作。近年来主持/参与江苏省高技术研究项目、国家“十一五”科研项目、建设部科技攻关项目等多项国家级、省部级课题。在国内外学术刊物上发表学术论文16篇。