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关闭/废弃矿井抽水蓄能开发利用现状与进展
习近平总书记在第75 届联合国大会上提出“中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值,争取在2060 年前实现碳中和”。据国际能源机构(IEA) 统计,2021 年,全球与能源相关CO2排放量达到363 亿t,2022年同比增长0.9%,再创历史新高。2022年中国与能源相关CO2排放量达到121 亿t,全国发电系统CO2排放量约为45.44亿t,约占全国CO2排放量37.5%。而可再生清洁能源发电2.7亿kW·h,仅占全国发电量的31.3%。2021 年10 月,国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》,提出“构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统,推动清洁电力资源大范围优化配置”。当前我国正积极构建以风、光、水等新能源为主体的电力系统,并推动能源系统从高碳向低碳、从以化石能源为主转向以清洁能源为主的发展方向。
我国太阳能、风能资源丰富,以陕西省榆林市为例,年平均日照时间2 600~2 900 h,年太阳辐射总量为4 970~5 163 MJ/m2,其总储量约为6.13×1013kW·h。长城沿线距地面 20 m处的年有效风速时长在5600 h 以上、年平均风功率密度166 W/m2,距地面50 m处的年有效风速时长大于6 100 h、年平均风功率密度194 W/m2,其资源总储量约为2.75×107kW·h。然而,风、光等可再生能源具有随机性、波动性及间歇性等问题,迫切需要建设储能设施以保障电力系统供给稳定。在诸多储能方式中,抽水蓄能电站是促进新能源大规模利用、实现多能互补、打造安全可靠与经济灵活电力系统的最可靠方法。
然而传统抽水蓄能电站建设受地形、土地占用、工程成本与生态环境保护等诸多因素制约,尤其是在华北平原资源型城市,难以找到适合地表抽水蓄能电站的天然高落差地形条件。与此同时,矿产资源开采后形成了巨大的地下空间且具有天然高差与充足的水资源,为关闭/废弃矿井改建成抽水蓄能电站(Underground Pumped-Storage Hydropower,UPSH)提供了良好的势能条件、地理条件,在减少土地占用和景观破坏的同时可降低电站建设投资与建设周期,有望破解矿井关停引发的人员安置、环境污染、资源浪费等综合性社会问题,具有广阔的社会、经济和环境效益。因此,UPSH逐渐成为储能技术开发与关闭/废弃矿井资源再利用的研究热点。
探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但生态保护与地形等因素制约了传统抽水蓄能电站发展。关闭/废弃矿井,由于具有丰富的地下空间及水资源,可创新性地开发抽水蓄能并延长矿区的经济寿命,降低对环境与经济的负面影响。
为助力建立适合我国国情的废弃矿井抽水蓄能利用模式和管理体系,通过文献分析法综述了国内外废弃矿井抽水蓄能技术研究与应用进展。详细阐述了关闭/废弃矿井抽水蓄能技术原理、分类及其优缺点;总结了关闭/废弃矿井抽水蓄能电站利用模式,并在前人研究基础上对选址要素进行了修订;梳理了关闭/废弃矿井改建抽水蓄能电站的水−气两相流动特性、水泵水轮机工况特性、地下空间围岩稳定性及地下蓄水空间体积测算等的研究现状,明确了水泵−水轮机关键技术、地下空间稳定性控制关键技术等亟待解决的技术难题。此外,对关闭/废弃矿井抽水蓄能相关的生态与环境保护、市场需求与经济效益、政策与法规等研究成果进行了广泛的文献综述。发展关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能技术可为我国井下空间资源利用提供思路,为保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。
图 1 中国年太阳辐射总量分布
图 2 中国风能资源分布
图 3 1968—2022 年底抽水蓄能电站装机容量情况
图 4 沂蒙抽水蓄能电站结构
图 5 滦平抽水蓄能电站规划
图 6 关停/废弃矿山半地下抽水蓄能电站
图 7 关停/废弃矿山全地下抽水蓄能电站
图 8 主要储能技术对比
图 9 2000—2022 年全球一次能源消费结构
图 10 中国知网“矿井−抽水蓄能”检索热点
图 11 废弃矿井抽水蓄能系统关键因素
图 12 “风光氢储”一体化技术
图 13 废弃矿井抽水蓄能电站选址要素
图 14 蓄水巷道空气−水两相流动特性影响因素
图 15 UPSH 地下空间稳定性控制关键技术
图 16 自然垮落法采空区蓄水空间
图 17 房柱式采矿法采掘空间
图 18 水泵−水轮机关键技术
图 19 废弃矿井抽水蓄能经济性评价 (UPHEE)
图 20 “抽水蓄能”相关政策
宋振骐,男,1935年出生,中国科学院院士,教授、博士生导师,矿山压力及岩层控制学家,我国“实用矿山压力理论”的开拓者和奠基人。获国家科学技术进步二等奖、国家教学成果二等奖、省部级科技进步一等奖等10多项奖励;出版《实用矿山压力控制》等专著6部,发表重要论文100余篇;先后获全国煤炭工业劳动模范、全国五一劳动奖章、国家中青年突出贡献专家、享受政府特殊津贴获得者、全国高教先进科技工作者等荣誉称号。
研究方向
矿山压力与岩层控制
主要成果
创造性地建立了“以岩层运动为中心”的“实用矿山压力理论”,在建立采场重大事故预测和决策控制结构力学模型、推进采矿方法和工艺技术创新、推进煤矿安全高效生产决策和实施管理的智能化方面做出了创造性的突出贡献,先后为煤矿高效安全,特别是重大事故灾害控制方面做了大量卓有成效的工作。
来源:
文志杰,姜鹏飞,宋振骐,等. 关闭/废弃矿井抽水蓄能开发利用现状与进展[J]. 煤炭学报,2024,49(3):
1358−1374.