储能是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑技术之一，是平抑新能源波动、降低大规模新能源接入对电网造成冲击的重要手段。利用废弃矿井进行压缩空气储能，不仅可以有效利用资源，还可以为电网的稳定健康发展探索新途径。近日，山东科技大学赵同彬教授团队对压缩空气地质储能分类、废弃煤矿储能及地下空间利用现状、地下空间容量估算等进行了系统梳理，探讨了压缩空气储能在废弃煤矿中应用的主要研究方向，针对性提出了废弃煤矿压缩空气储能关键技术以及拟解决的科学问题。研究成果8月10日以《废弃煤矿压缩空气储能研究现状与发展趋势》为题在《煤炭科学技术》网络首发。
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压缩空气地质储能（CAES）是采用电网负荷低谷时的剩余电力或可再生能源的电力对空气进行压缩，将高压压缩空气注入并储存到地质储能库（如地下岩石硐室、盐穴、含水层等）中；当用电高峰时将高压压缩空气释放出来，推动汽轮机膨胀做功发电。CAES具有建设成本低、设备占地面积小、储能周期长以及环保等优点，被认为是最具发展前景的大规模储能技术之一。
目前我国比较成功的是利用废弃盐矿建设地下储气库，如对金坛、云应、淮安、平顶山等地的盐矿及含山石膏矿空区进行改造构建储气库。然而，由于煤矿地质赋存、采掘条件的复杂性，废弃煤矿压缩空气储能技术整体处于初级阶段。
压缩空气地质储能技术原理
近年来我国废弃煤矿数量快速增加，截止到2020年底，“十三五”期间我国累计废弃煤矿7448处。将废弃煤矿中已有的巷道和硐室改造成储能库，既节约土地资源，又环保安全，还节省大量的前期建设投资。
针对废弃煤矿压缩空气储能机理和储能库稳定性方面的研究仍面临诸多挑战，亟待实现理论和技术突破，这也是制约废弃煤矿压缩空气储能技术发展的关键因素。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，诸多政策导向的激励，废弃煤矿压缩空气储能的规模化、商业化势必要加快步伐，在此过程中，文中研究指出必须实现以下三项关键技术的研究突破：废弃煤矿储能库建设选址评估方法、废弃煤矿储能库密封性关键技术、废弃煤矿储能库安全稳定性分析。
针对废弃煤矿储能库建设现存问题，研究指出应从以下方面着重研究：
1）废弃煤矿储能库建设选址评估方法。废弃煤矿储能库的选址评估对废弃煤矿压缩空气储能的实施起到了决定性作用，应从废弃煤矿压缩空气储能电站建设的必要性与废弃煤矿的可利用性着手确定地下储能库类型，根据所选电站场址区域水文地质条件进一步具体化地下储能库的候选区域。
2）废弃煤矿储能库密封性关键技术。研究废弃煤矿储能库空气泄漏率的影响因素，及其作用机制，提出废弃煤矿储能库空气泄漏的多场耦合控制方程，揭示多场耦合下废弃煤矿储能库空气泄漏规律与影响机理，确定影响废弃煤矿储能库空气泄漏率的主导因素，研发解决储能库气密性问题的低成本密封材料。
3）废弃煤矿储能库稳定与安全评价。利用地质勘探技术对废弃煤矿储能库进行全方位地质结构观测与稳定性评估，并借助实验室试验、理论建模和数值模拟等手段，研究地质结构、岩石力学性质、地应力、地下水、蠕变和工程因素等对废弃煤矿储能库稳定性的影响规律，揭示压缩空气注入-稳定-释放全周期储能库围岩变形失稳机理，提出加强储能库稳定与安全性实施方案，通过对废弃煤矿储能库稳定性的监测预警，确定表征储能库稳定性的状态指标，得到废弃煤矿压缩空气储能全生命周期多尺度多元失稳探测与监测预警方法与准则。
这项研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者工程专项经费的资金支持。本文由山东科技大学和中科院武汉岩土力学所等单位合作完成，刘淑敏老师为本文通讯作者。
赵同彬,刘淑敏,马洪岭,等.废弃煤矿压缩空气储能研究现状与发展趋势[J/OL].煤炭科学技术:1-13[2023-08-22].DOI:10.12438/cst.2023-0131.
ZHAO Tongbin, LIU Shumin, MA Hongling,et al.Research status and development trend of compressed air energy storage in abandoned coal mines[J/OL].Coal Science and Technology:1-13[2023-08-22].DOI:10.12438/cst.2023-0131.
储能相关政策
2021年7月，国家发展改革委、国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》；相比同年2月25日发布的《推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》和4月19日发布的《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知（征求意见稿）》，储能的市场地位、商业模式和经济价值逐渐得到承认与明确。
2021年10月，中共中央、国务院先后发布了《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》，首次将推动新型储能发展作为加快构建清洁低碳安全高效能源体系、建设新型电力系统的重要布局和主要工作之一；并明确了到2025年，新型储能装机容量达到3000万千瓦以上的总体目标。
2021年12月，国家能源局正式颁布《电力并网运行管理规定》和《电力辅助服务管理办法》文件，明确将新型储能、虚拟电厂、负荷聚集商等作为辅助服务市场的新主体；并增加了电力辅助服务新品种，完善了辅助服务分担共享新机制，疏导电力系统运行日益增加的辅助服务费用。在此政策的指引下，2021年约有21个省份出台电力辅助服务相关政策。
2022年2月，国家发展改革委、国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段、具备大规模商业化应用条件；到2030年，新型储能全面市场化发展，全面支撑能源领域碳达峰目标如期实现。因此，储能是实现可再生能源规模应用和构建以新能源为主体的新型电力系统、实现“双碳”目标的关键核心技术。
参考文献：郑琼，江丽霞，徐玉杰，等．碳达峰、碳中和背景下储能技术研究进展与发展建议．中国科学院院刊，2022, 37(4): 529-540.
赵同彬，山东科技大学教授，博士生导师。山东省泰山学者特聘教授，全国力学优秀教师。长期致力于矿山岩体工程灾害防控理论与技术研究，在矿山岩体力学测试、冲击地压灾害防治、巷道围岩支护等方面开展了大量的基础应用研究。主持国家自然科学基金项目5项、山东省自然科学基金重大基础研究项目1项，负责完成企业委托横向课题60余项。出版学术著作4部，首位授权发明专利30余项，发表学术论文100余篇，入选中国百篇最具影响国际学术论文。获教育部科技进步一等奖1项（第二位）、山东省科技进步二等奖1项（第一位）、教育部科技进步二等奖1项（第一位）、河北省科技进步三等奖1项（第一位），其他省部级科技奖励10余项。
