文 ｜ 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 記者 倪思潔

2021年冬天，萬(wàn)明忠?guī)еㄐ滦蛢?chǔ)能電站的想法，走進(jìn)中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱武漢巖土所），敲開(kāi)中國(guó)工程院院士、武漢巖土所研究員楊春和辦公室的門(mén)。

與科學(xué)家的聯(lián)手，讓身為中國(guó)能源建設(shè)股份有限公司首席專家、中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司董事長(zhǎng)的萬(wàn)明忠心里慢慢有了底，也讓未來(lái)的超級(jí)“空氣充電寶”有了“底”。

3年后，2025年1月9日，被譽(yù)為超級(jí)“空氣充電寶”的300兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能電站示范工程全功率并網(wǎng)發(fā)電，正式投入商業(yè)運(yùn)行。該儲(chǔ)能電站位于湖北省孝感市應(yīng)城市，是世界首臺(tái)（套）全面投用的300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。

儲(chǔ)能電站分為地下儲(chǔ)能系統(tǒng)、地上電力系統(tǒng)兩部分，地上是壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器等設(shè)備，地下是兩個(gè)鹽礦采空后留下的洞穴。儲(chǔ)能時(shí)，它可以用電力將空氣壓縮到90個(gè)大氣壓；放能時(shí)，它又可以讓空氣膨脹轉(zhuǎn)變成電力。

“地上決定好壞，地下決定成敗?！边@是萬(wàn)明忠在做超級(jí)“空氣充電寶”建設(shè)項(xiàng)目時(shí)最大的感慨，“地下鹽穴的開(kāi)發(fā)利用是決定整個(gè)儲(chǔ)能電站成敗的核心部分?！?/p>

“我們想找鹽穴”

在萬(wàn)明忠的腦海里，新型電力系統(tǒng)是一個(gè)“三角形”，三條邊是“綠色”“安全”“經(jīng)濟(jì)”。一直以來(lái)，以風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，存在發(fā)電隨機(jī)、間歇、波動(dòng)的難題，儲(chǔ)能被視為唯一 一個(gè)能解決這些問(wèn)題的辦法。然而，化學(xué)儲(chǔ)能有安全風(fēng)險(xiǎn)，抽水蓄能建設(shè)周期長(zhǎng)、不經(jīng)濟(jì)，“綠色”“安全”“經(jīng)濟(jì)”三條邊怎么都做不到一樣長(zhǎng)。

而他想做新型的儲(chǔ)能電站，一種與以往的水電站、抽水蓄能電站、鋰電池等化學(xué)儲(chǔ)能電站都不同的電站，把中國(guó)的新型電力系統(tǒng)變成“等邊三角形”。它利用空氣的壓縮與膨脹儲(chǔ)能，具有安全性，又利用廢棄鹽礦洞穴等地下空間作為儲(chǔ)能場(chǎng)所，相對(duì)更經(jīng)濟(jì)。

然而，最讓他撓頭的問(wèn)題就是“去哪兒找這樣的地下空間”?！啊厣稀糠值募夹g(shù)我們已經(jīng)掌握了，但要搞成壓縮空氣儲(chǔ)能電站，就涉及‘地下’部分，這部分我們沒(méi)有把握?！比f(wàn)明忠說(shuō)。

“必須找一個(gè)對(duì)地下儲(chǔ)能空間研究比較深的單位合作?！彼南搿?/p>

2021年底的一天，萬(wàn)明忠第一次走進(jìn)了楊春和的辦公室：“我們想找鹽穴，做壓縮空氣儲(chǔ)能電站，發(fā)電功率要達(dá)到300兆瓦……”

楊春和一聽(tīng)，心中便有數(shù)了——他和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了成熟的技術(shù)儲(chǔ)備。

楊春和介紹不同的腔體結(jié)構(gòu)與排鹵方式。倪思潔/攝

1995年，楊春和受中國(guó)科學(xué)院留學(xué)基金資助，赴美留學(xué)，并于1999年獲得美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)地質(zhì)工程博士學(xué)位。畢業(yè)后，他回到武漢巖土所工作，成為該所留學(xué)歸國(guó)的首位博士。

在美國(guó)留學(xué)時(shí)，楊春和發(fā)現(xiàn)，美國(guó)的石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫(kù)中，共有60余個(gè)鹽穴，而彼時(shí)，我國(guó)連一座鹽穴儲(chǔ)備庫(kù)都沒(méi)有?；貒?guó)后，他提出了一個(gè)設(shè)想：“向地下要空間，儲(chǔ)存油氣。”盡管很多人認(rèn)為我國(guó)鹽礦的地質(zhì)層不適宜儲(chǔ)氣，但楊春和還是反復(fù)做實(shí)驗(yàn)，去全國(guó)各地找地下鹽穴。2007年，他最初的構(gòu)想變成了現(xiàn)實(shí)——江蘇金壇儲(chǔ)氣庫(kù)正式投產(chǎn)注氣，成為亞洲首座地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)。

得知萬(wàn)明忠的想法后，楊春和胸有成竹。他推算，這個(gè)鹽穴至少要有60萬(wàn)立方米的存儲(chǔ)空間。

馬洪嶺在查看注采井上的表盤(pán)。倪思潔/攝

百里挑十，十里選二

作為武漢巖土所的科研團(tuán)隊(duì)，楊春和團(tuán)隊(duì)最熟悉的就是湖北地區(qū)，包括距離武漢兩小時(shí)車程的應(yīng)城。

應(yīng)城是湖北省轄縣級(jí)市，由孝感市代管。這座工業(yè)城市的地下有許多鹽礦。巖鹽與石膏、溫泉一起被合稱為“應(yīng)城三寶”。

鹽礦用水溶方式開(kāi)采完后，會(huì)留下一個(gè)個(gè)空腔。這是儲(chǔ)存油氣、壓縮空氣的天然“寶箱”。

“鹽穴四周都是氯化鈉晶體，可以承受很高的壓強(qiáng)，而且鹽穴還有自修復(fù)功能，一旦出現(xiàn)裂縫，可以通過(guò)鹵水再結(jié)晶，不僅能修復(fù)裂縫，而且不留‘疤痕’，是很好的密封儲(chǔ)存庫(kù)?！睏畲汉蛨F(tuán)隊(duì)成員、武漢巖土所研究員馬洪嶺說(shuō)。

基于對(duì)應(yīng)城的了解，楊春和團(tuán)隊(duì)很快梳理掌握了應(yīng)城4家鹽礦里100多個(gè)鹽穴的情況，并從中篩選出10個(gè)符合條件的鹽穴。

“我們有3個(gè)篩選原則——穩(wěn)定性、密封性、可用性?！睂?duì)于鹽穴篩選標(biāo)準(zhǔn)，馬洪嶺如數(shù)家珍，“鹽穴不能太淺，否則加壓之后洞穴會(huì)被‘撐破’，也不能太深，否則地面壓縮機(jī)要對(duì)抗鹽穴本身的巨大地應(yīng)力；洞穴內(nèi)壁上的鹽要達(dá)到一定厚度才具備密封性；同時(shí)，體積還要達(dá)到60萬(wàn)立方米，否則支撐不了企業(yè)要求的電站能力?！?/p>

這些原則，來(lái)自楊春和團(tuán)隊(duì)過(guò)去20多年摸索出的經(jīng)驗(yàn)，他們正在將其寫(xiě)入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?！皣?guó)內(nèi)幾乎所有的鹽穴選址，都是我們團(tuán)隊(duì)做的。”馬洪嶺說(shuō)，因?yàn)榻?jīng)常幫國(guó)內(nèi)各類工程尋找合適的鹽穴，他們常常開(kāi)玩笑說(shuō)自己是“風(fēng)水先生”。

大約只用了一個(gè)月，楊春和團(tuán)隊(duì)就基于地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，拿出了初步的可行性研究報(bào)告，其中包含了10個(gè)鹽穴的具體信息。最終，企業(yè)挑選了兩個(gè)遠(yuǎn)離農(nóng)田、埋深500米左右的鹽穴，一個(gè)鹽腔大約有40萬(wàn)立方米，另一個(gè)鹽腔有20多萬(wàn)立方米。

楊春和（右二）與學(xué)生們討論實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。倪思潔/攝

三個(gè)“世界第一”

鎖定鹽穴之后，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了更細(xì)致和緊張的工作。

用時(shí)一年，團(tuán)隊(duì)與中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司深地技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司系統(tǒng)內(nèi)多家單位深度協(xié)同，采用聲吶、三維地震探測(cè)等技術(shù)手段，對(duì)鹽穴的內(nèi)部情況進(jìn)行調(diào)查，逐漸摸清鹽穴里的詳細(xì)情況。他們又用時(shí)半年完成鹽穴的穩(wěn)定性、密封性、地面沉降評(píng)價(jià)，對(duì)鹽穴進(jìn)行全套力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

其間，他們?cè)O(shè)計(jì)出大口徑氣密封井、新的排鹵方案等一系列復(fù)雜鹽穴空間高效率利用的成套技術(shù)。例如，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了高位注氣、低位排鹵的沉渣空隙儲(chǔ)氣擴(kuò)容新方案。

與國(guó)外的鹽礦不同，國(guó)內(nèi)的鹽礦開(kāi)采完后，空腔部分相對(duì)較少，很大一部分會(huì)被沉渣占據(jù)。鹽礦里的鹽溶進(jìn)水里，變成鹵水被排出來(lái)，但礦里的殘?jiān)€會(huì)留在腔體中。關(guān)于“沉渣空間能不能用來(lái)儲(chǔ)氣”，學(xué)界爭(zhēng)論了十幾年。一些人認(rèn)為沉渣是泥或沙，不能儲(chǔ)氣，但楊春和團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持認(rèn)為，沉渣是石塊，縫隙里可以儲(chǔ)氣。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)揭示了沉渣空間良好的連通性。他們用一根相對(duì)短的管道為鹽穴注氣，又用另一根伸向沉渣底部的長(zhǎng)管道向外排鹵。隨著鹵水不斷排出，鹽穴里的儲(chǔ)氣空間越來(lái)越大，空間利用率從最初的20%提高到70%以上。

“目前我們已經(jīng)在鹽穴里騰出大約70萬(wàn)立方米的儲(chǔ)氣空間，超過(guò)了企業(yè)最初提出的需求。”楊春和說(shuō)。

與此同時(shí)，他們還在世界范圍內(nèi)首次利用壓裂鹽穴開(kāi)展地下儲(chǔ)能，為我國(guó)鹽穴采空區(qū)的大規(guī)模利用奠定了基礎(chǔ)；首創(chuàng)國(guó)內(nèi)最大口徑注采井方案，大幅提高了鹽穴空腔利用率和注采井的注采氣量，降低了工程造價(jià)并縮短了建設(shè)工期。

2024年4月9日，湖北應(yīng)城300兆瓦鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站并網(wǎng)發(fā)電。如今，該電站正式投入商業(yè)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了三個(gè)“世界第一”——單機(jī)功率世界第一、儲(chǔ)能規(guī)模世界第一、轉(zhuǎn)換效率世界第一。

“它的單機(jī)功率達(dá)到300兆瓦級(jí)，儲(chǔ)能容量達(dá)1500兆瓦時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約70%，每天儲(chǔ)能8小時(shí)、釋能5小時(shí)，年均發(fā)電約5億千瓦時(shí)。以空氣為介質(zhì)，它一年轉(zhuǎn)換的電量可以滿足75萬(wàn)居民的用電需求?！瘪R洪嶺說(shuō)。

面對(duì)這座嶄新的電站，萬(wàn)明忠感慨：“目前它可以有效應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性，為湖北省電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和省內(nèi)新能源消納發(fā)揮重要作用。”

楊春和（左一）在指導(dǎo)學(xué)生。倪思潔/攝

信任與未來(lái)

2024年12月24日，在工程現(xiàn)場(chǎng)，龐大的注采井上涂著鮮紅的漆，馬洪嶺看了看旁邊的儀表盤(pán)，上面顯示著“7.359MPa”。此時(shí)，在腳下看不見(jiàn)的鹽穴里，空氣已經(jīng)被壓到了73.59個(gè)大氣壓。“我們給企業(yè)的建議是最高到90個(gè)大氣壓，最低保持在60個(gè)大氣壓。”馬洪嶺說(shuō)。

對(duì)于科學(xué)家，萬(wàn)明忠及其企業(yè)團(tuán)隊(duì)非常信任。過(guò)去3年里，雙方已經(jīng)成了好朋友?！拔覀冸S叫隨到，他們也隨叫隨到。以前，我們對(duì)鹽穴一點(diǎn)都不懂，現(xiàn)在在楊院士團(tuán)隊(duì)的支持下，我們團(tuán)隊(duì)也有了很多專家?！比f(wàn)明忠說(shuō)。

在這個(gè)項(xiàng)目中，楊春和團(tuán)隊(duì)史無(wú)前例地提供了全過(guò)程的技術(shù)支撐。鹽穴投入商業(yè)運(yùn)行之后，他們還將繼續(xù)幫助企業(yè)監(jiān)測(cè)地面沉降情況，以確保儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行。

“我們?cè)咀龅氖且粋€(gè)很小眾的研究方向，但遇到了能源轉(zhuǎn)型的機(jī)遇期。”馬洪嶺回憶，2008年，團(tuán)隊(duì)剛開(kāi)始做地下鹽穴利用研究時(shí)門(mén)可羅雀，如今，“雙碳”政策的驅(qū)動(dòng)讓新型電力系統(tǒng)和鹽穴儲(chǔ)能出現(xiàn)了井噴式發(fā)展，也讓科技在服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面有了用武之地。有時(shí)實(shí)驗(yàn)室剛開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)技術(shù)，立馬就有企業(yè)想要承接。

與企業(yè)合作時(shí)，楊春和總是跟團(tuán)隊(duì)成員說(shuō)：“企業(yè)的錢(qián)不是大風(fēng)刮來(lái)的，你得給別人解決問(wèn)題、帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，別人才會(huì)持續(xù)地跟你合作?！?/p>

楊春和計(jì)劃，未來(lái)不僅要帶著團(tuán)隊(duì)做“從0到1”的工作，也要關(guān)注“從1到0”的問(wèn)題。“在工程取得成功之后，我們要反思為什么會(huì)成功，優(yōu)化的空間在哪里，還有哪些基礎(chǔ)原理沒(méi)有研究透徹，以便進(jìn)行下一步的技術(shù)迭代。”楊春和說(shuō)。