压缩空气蓄能(Compressed Air Energy Storage，以下简写为 CAES) 是一种利用压缩空气作为介质来储存富余电能的新技术。压缩空气储能电站的主要作用是调节电力峰谷和改善电力品质，它并具有效率高、占地面积小、运行方式灵活、投资和运行费用较少等优点[1-2]。利用压缩空气储能的基本思想在20世纪40年代初被提出 [3]，其工作原理是利用用电低谷时的富余电力将空气压缩并将高压压缩空气储存在储气设备中，在用电高峰期再将压缩空气释放出来推动透平发电。对于微小型压缩空气储能电站，压缩空气的储气设备一般采用地面钢罐（管）；对于大规模压气储能电站（100 MW以上）来说，由于储能所需的空间容积可达十万立方米，甚至百万立方米级别，因此其储气设备一般采用地下储气库[3]。地下储气库可以是地下开挖的岩穴，也可是孔隙率大的地下含水层[3-4]. 根据现有文献，岩穴地下储库分为盐岩洞穴、硬岩洞穴两种 [2]。根据岩石的强度和硬度大小，盐岩归属于软岩范畴，因此盐岩洞穴实质上是一种软岩洞穴。

理论上讲，地球上的任何地层都可以建成地下储气库，然而从建设技术可行性和经济性角度出发，适合建设压气储能电站的岩石地层是有限的。这也是自1978年第一座压气储能电站Huntorf和1991第二座压气储能电站McIntosh运行以来，大规模压缩空气储能电站发展缓慢的主要原因之一。盐岩地层的最大优点是盐岩洞穴的天然密封性好和建设成本低，且岩穴围岩具有开挖损伤自愈等优点，因此，上述两座电站的地下储气库均建在盐岩地层中。盐岩洞穴也具有岩石强度低、洞穴稳定性差及流变特性等显著缺点。因此，盐岩洞穴储气库都采用深埋的方式来解决高压运行条件下的安全稳定性问题。硬岩洞穴地下储气库最大优点是洞穴围岩稳定性好，可浅埋；其不足之处是密封技术难度高，建设成本相对较高。随着地下空间开发技术进步，大规模地下空间开挖成本大幅度降低、建设工期缩短以及高压气体地下密封技术出现，通过洞穴浅埋方案解决高压地下储库面临的技术和经济问题越来越成为可能[5]。

近年来风能、太阳能等新能源在我国得到了大规模开发和利用。由于风能、太阳能等新能源发电的波动性和随机性， 大规模新能源并网给电力系统的安全稳定运行和电能质量带来了严峻挑战， 实际运行中存在大量弃风和弃光现象， 使得新能源的利用率长期处于较低的水平［6-7］。大规模储能技术应用是实现新能源安全、高效和经济利用的必然途径。我国对压缩空气储能系统的研究开发起步比较晚，且大多集中在理论和小型实验层面，但随着电力储能需求的快速增加，大规模压缩空气储能相关技术的研究在我国日益受到重视。拟建大规模压缩空气储能电站区域是否存在适合于修建大型地下储气库的地质构造是储气库建设的关键所在。本文结合我国地下储气库可选地质构造的分布情况研究，以广东省压气储能电站区域选址为例，探索压气储能地下储气库选型选址方法和流程，以期为大规模压气储能电站的建设提供技术支持。

压缩空气储能工作原理图（引自搜狐网）

现有的文献大多将大规模压气储能电站地下储气库分为即盐岩洞穴、硬岩洞穴、废弃矿洞和孔隙介质含水层四种类型[8]。这四种类型的储气库优缺点对比如表1所示。

盐岩地层因具有非渗透性好、密封性好以及被水溶蚀之后易开采等优点被广泛认为是地下高压储气库的理想建库地层。盐穴储气库对库址要求很高，对构造完整性、盐岩品位和分布、盖层密封性等均有特殊要求。此外，为提高建设效益，地下储气库的容积规模都较大，因此盐岩洞穴储气库需要建设在地下较厚的盐层或盐丘中。欧美地区因其盐岩地层构造完整、夹层少、厚度大、物性好而大量采用了盐穴地下储气库，目前国外共有45座盐穴储气库在运行，占储气库总数的 11.7%[13]。

我国盐穴储气库建库地质条件以陆相层状盐岩为主，与国外盐丘建库相比，我国在建与拟建盐穴储气库多为层状盐层建库，含盐地层盐岩品位低、夹层多、水不溶物含量高，导致盐腔造腔速度慢、腔体形态难以控制、成腔效率低等问题 [14-15]。目前，我国唯一投入运行的盐穴储气库为金坛地下天然气储气库，楚州、平顶山、云应等盐穴天然气储气库目前处于可行性研究阶段。目前，江苏金坛正在建设一期为50 MW盐穴压缩空气储能电站示范项目。

盐穴储气库选址工作的核心任务是选出适合建库的盐岩地层。图1为我国盐矿分布图。因适合建设地下储气库的盐矿为岩盐地层，由图可知，我国岩盐矿藏主要分布在四川、重庆、湖北、江西、安徽、江苏、山东和广东局部地区；而光伏能和风能丰富的北方和西北地区，则缺少适宜与建设盐穴地下储气库的盐岩地层。如果选择盐岩洞穴作为地下储气库方案，那么上述地区都具有建设压缩空气储能电站的潜力。

硬岩地层具有岩体质量好、强度高、变形模量大等优点被作为地下储气库建库研究的候选地层[11]。岩穴储气库型式包括衬砌或非衬砌隧洞、竖井和洞室三种。岩穴储气库依靠围岩来承受内压，采用复合式衬砌或水力条件方式来保证气密性。适合于建造地下储气库的岩石类型有三类(Allen et al.1982a)[11]：（1）花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩类；（2）硅质、铁质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩类；（3）片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩类。从地质和结构的角度，复合式衬砌储气库的关键技术问题有三：一是上覆岩体在高内压作用下的地面隆起破坏；二是衬砌密封层的失效和气密性能丧失；三是洞室巷道堵头的剪切失稳破坏。针对上述问题，P. Perazzelli等[17]的研究指出在抗压强度5~60 MPa，内摩擦角30~40°的岩层中建设洞径为4m隧道式储气库只需要60~120 m的埋深便可拥有足够的安全系数。满足上述强度指标的硬岩岩石地层在我国分布十分广泛，特别是在光伏能和风能丰富的北方和西北地区以及南方沿海地区都有大量分布。

图2为花岗岩、玄武岩、石灰岩和砂岩等硬岩地层在我国的主要分布地区图。由图可知，花岗岩在我西部、北部、东北及东南地区分布广泛，玄武岩主要分布在内蒙、河北、黑龙江、辽宁，广东和海南等省的部分地区。除了新疆、西藏、内蒙、青海、黑龙江和吉林等省份分布较少外，石灰岩在我国其他省份都有大量分布。砂岩地层则主要集中在甘肃、河南、河北、山东、四川、重庆、湖南、湖北、安徽、江苏、广东、广西、云南等省份。

花岗岩、玄武岩和石灰岩都具有强度高和变形模量大的优点，是地下储气库的主要优选地层。由此可见，从岩层力学性质和分布的广泛性角度来看，在我国建设硬岩岩穴地下储气库的压气储能电站选址基本不存在工程地质条件方面问题，可以较为容易地找到适用于建设地下储气库的各种硬岩地层。

利用硬岩地层建设浅埋地下储气库在国内外均有研究[18]。例如韩国学者就石灰岩地层建设高压地下储气库的可行性进行了大量的理论与数值分析研究[19-21]。花岗岩在我国分布广泛，是压气储能浅埋地下岩穴储气库的理想岩层之一。为全面了解高内压条件下花岗岩洞穴稳定性、变形特性及建库可行性，中国电建中南勘测设计研究院有限公司和长沙理工大学联合在湖南平江抽水蓄能电站的勘探平硐内建造了国内第一个浅埋衬砌岩穴地下储气实验库。

该实验库位于平江抽水蓄能电站地下厂房勘探平硐(PD4)内。勘探平硐内围岩主要由花岗岩和花岗片麻岩组成，部分洞段花岗伟晶岩脉较发育，洞室围岩结构面整体发育较弱。

图3给出了实验库的几何尺寸及试验系统组成。实验库埋深约110 m，长5 m，内径2.9 m。实验库围岩为完整性好的花岗岩，其实测抗压强度在78~130 MPa之间，弹性模量在47~50 GPa之间。储气库内设置混凝土衬砌（图3），其作用一是为密封层施工提供平滑的表面；二是将密封层传来的高压压力传递给围岩。衬砌表面设置密封层。在实验库进口端部设置堵头承担高压压缩空气（设计最大压力10.0 MPa）的推力。

     现场压气储能试验始于2018年7月31日8:00，终于2018年8月10日22:40。试验共进行11次循环。试验最大压力达到9.7 MPa，试验时间在8月4日；试验过程最长储气时间约7小时，试验时间在8月9日。储气库内压缩空气压力在围岩中几乎引起了同步变形。通过分析洞顶和边墙围岩(衬砌与围岩接触部位)的位移变化全过程的完整实测数据，实验成果表明：当地下岩穴储气库建造在围岩质量好的岩层中时，围岩变形量小，变形影响范围都有限，洞室结构安全性好，因此，在花岗岩地层中建设浅埋地下岩穴储气库是完全可行的。

压气储能电站地下储气库的最大运行压力一般为7~10 MPa，部分电站的最高运行压力可达20 MPa。因此，运行压力大是地下岩穴储气库的显著特点之一。同时，压气储能电站一般采用一天内完成一个充气储能和放气发电的日循环运行方式，因此作为储气装置的地下储气库所承受的荷载变化频率高，储气库围岩及密封层结构的疲劳损伤效应强。为保证储气库密封结构的安全可靠性，地下储气库围岩变形及密封结构层开裂控制标准也较高，其目的是防止岩体过大变形对密封层结构开裂性能的影响，进而确保地下储气库的密封性。由此可见，压气储能电站能否成功建设的关键在于拟建电站地区是否存在适合于建造地下储气洞室的地层。尽管地下硬岩型岩穴储气库的修建造价比盐穴储气库高，但是盐穴储气库的建设需要存在盐层厚度大、且分布稳定的盐丘或盐层。这种特殊地质构造在我国仅仅存在于少数地方，在光伏能和风能丰富或用电需求量大而需建压气储能电站的地区则往往缺乏这类盐岩地质构造。为此，下文以广东省为例，从光伏能、风能以及广东地区的地层特点出发，探索压气储能电站地下岩穴储气库的选址方法。

压气蓄能电站建设的主要目的：一是调节电力峰谷，二是改善电力品质。调节电力峰谷是为了缓解电力市场昼夜谷峰差异，调节电网在时空上的用电平衡。改善电力品质主要是为了提高风力发电和光伏发电等间歇性电源的不稳定性质，同时还存储大量电网供电高峰时段的弃风弃光电力。压气储能电站的建设目的是决定储气库区域选址的首要因素，而地下储气库的受力特征则决定其能否成功选址的关键因素。总体上，影响储气库选址的主要因素包括：

1)是否是电力负荷中心或存在峰、谷用电量差；

2)是否分布有光伏或风力能源等间歇性能源；

3)区域地震、地质构造史及构造运动情况；

4)工程地质及水文地质条件；

5)是否存在可利用废弃洞穴；

6)交通条件。

岩穴地下储气库工程选址需满足安全可靠性、技术可行性、经济合理性三大基本原则。在遵循岩穴地下储气库选点原则的同时，岩穴地下储气库选址规划还需重点考虑以下几点：

1) 储气库应尽量靠近电力使用负荷中心。储气库靠近负荷中心可以保证电站具有便利的接、送电条件。同时还需满足选点所在地峰谷用电量差别大，有富余电能供给且电价差别明显。

2) 储气库应尽量靠近间歇性电力供给地区。当压气蓄能电站系统与新型可再生能源如风电、光伏发电等相结合时，则应根据可再生能源所在位置确定选点位置，选点应尽可能靠近风电场、光伏发电厂，以降低电能传输损耗。

3)储气库应选择在区域地质构造稳定，且无区域性的断裂带的地区，且拟建储气库区域地震烈度不宜大于8度。

4)储气库应尽量选择在工程地条件好的地区。地层构造简单、岩层厚度大且产状平缓、构造裂隙间距大、组数少。围岩质量高，变形能力小及强度高(I、II类围岩)。避免在岩溶发育、采空区、有害气体及地热异常的地层。

5）储气库应具有良好的水文地条件好的地区。采用水封方式密封高压气体的储气库位置应具有丰富、稳定的地下水源。选择衬砌密封的地下储气库则需要布置在地下水相对贫乏的地区。

6）岩穴地下储气库应优选考虑存在可利用废弃洞穴地区，降低建库工程造价。

7) 储气库宜选在交通条件便利的地区。良好的交通条件便于建筑材料，机组设备的运输，为电站建设奠定良好的外部基础。

压气储能电站的规划大体分为两种类型：一是电力峰谷调节型；二是电力品质改善型。由于适合于建设硬岩洞穴型储气库的岩层类型多，在广东地区分布广泛，因此，当根据电力负荷调节需要建设电力峰谷调节型压气储能电站时，在技术角度上，地下储气库选址基本不存在地质条件限制因素，如果埋深足够大，总能找到适合建库的地层。然而，从经济角度看，适合建设储气库的岩层埋深过大在经济上将不具可行性，毕竟储能电站建设的首要任务是获取必要的经济效益。压气储能电站地面设施占地规模相对较小，因此，电站规划选址一般可不考虑该因素的影响。地下储气库选址规划流程如图4所示。

如图4所示，压气储能电站地下岩穴储气库规划选址流程如下：首先，根据电网调峰的需求或间隙性电力组成情况论证建设储能电站的必要性；其次，分析区域电网中的电力负荷中心等级或可利用间隙性光伏能和风能的分布和容量大小，初步确定压气储能电站区域性规划选址；第三，进行规划选址区域内废弃矿井调查与可利用性评价；第四，确定压气储能电站场地下储气库类型；第五，电站场址区域地质条件评价，筛选出远离大断裂、地质构造活动带及地震烈度低的候选场址；第六，候选场址地层工程地质及水文地质条件评价；第七，根据储能电站地面设施布局地形要求和交通运输条件，进一步具体化地下储气库的候选地址，确定可行规划选址；最后，综合评价可行规划选址的各项经济及技术指标，按优先等级确定岩穴地下储气库建设的具体场址。

1）调峰型储能电站储气库规划选址示例

广州市是广东地区最大电力负荷中心之一，在市区内基本不具备抽水蓄能电站条件，压气储能电站是唯一可行的100 MW级大规模储能电站。根据现有的地质调查成果，广州市内没有发现可以建造盐岩洞穴和含水层地下储气库的合适地层，也没有可利用的大型废气矿井，因此新建岩穴地下储气库是现阶段的唯一选择。由广州市硬岩地层分布图5可知，广州市行政区划内的萝岗、增城和新兴等地广泛分布有埋藏较浅花岗岩和砂岩地层，这两种地层是新建地下岩穴储气库的理想地层。从区域地质构造角度上，上述三地均无大的断裂带通过，地震烈度为7度区。因此，上述三地是广州市100 MW级大规模储能电站选址的首选。

2）电力品质改善型储气库区域性规划选址示例

首先，依据间歇性能源的分布初步确定压气储能电站的需求规划选址。广东风能蕴藏量丰富，粤西北及沿海一带及岛屿风速大，风力发电可装机容量达 600 万千瓦[18]。年均风速大于8 m/s区域主要分布图6所示。广东省也是中国光资源最丰富的地区之一，年太阳总辐射量在4200~5400 MJ/㎡之间，全省年平均日照时数1745.8 h, 年均日照小时数大于>2700 h分布区域图8所示。作为改善电力品质的压气储能电站规划布局，应尽可能多种间歇性能源的综合利用。通过对比分析后可知：广东省内年均日照小时数大于>2700 h分布区域，且年均风速大于8 m/s地区主要有：韶关西南部、韶关南部、韶关、广州东北部、清远西北、茂名东北，湛江中部、潮州东南部等地区。这些地区都属于压气储能电站布局的优先优选地区。

其次，依据地震条件论证压气储能电站按需求确定的规划选址可行性。广东省地震烈度主要划分为八度（0.20g）、强七度（0.15g）、七度（0.10g）和六度（0.05g）等4个区域。八度区主要分布在徐闻南部和潮汕地区的东部，占广东省土地面积约1.72%；强七度区主要分布在徐闻北部、阳江南部和潮汕中东部，占广东省土地面积约3.73%；七度区主要分布在广东省沿海一带，覆盖了汕头、潮州、惠州、深圳、东莞、广州、中山、珠海、茂名、湛江等城市的全部或部分，形成一条从东至西连续分布的0.10g沿海条带区，占广东省土地面积约26.47%；六度区主要分布在0.10g沿海条带区以北的全部区域，占广东省土地面积约68.08%。按照拟建储气库区域地震烈度不宜大于8度的原则，广东省98%以上的地区建设地下储气库均不受地震条件的影响。在上述根据风能和光伏能分布综合确定的规划选址中，由于潮州东南部地区地震烈度在八度或八度以上，因此该区不适宜建设压气储能电站地下储气库。

第三，依据区域宏观地质条件进一步论证需求规划选址的可行性。广东地区岩浆岩、变质岩和碳酸岩等岩性组广泛分布，包括各期侵入岩和喷出岩，多为坚硬—较坚硬层状、块状岩体，干抗压强度 47.66~181.03 MPa。各种砂岩等变质岩抗压强度12.7-265.0 MPa之间。灰岩、白云质灰岩等碳酸岩为坚硬-较坚硬层状岩体，抗压强度一般在61.6~123.2 MPa之间，岩溶发育弱-中等。广东地区广泛分布的硬岩岩组及其良好的抗压强度，为新建岩穴地下储气库提供了很好的工程地质条件。在满足地质构造和地震烈度要求的候选规划选址中，韶关西南部、韶关南部、韶关、广州东北部、清远西北、茂名东北，湛江中部均分布有大量浅埋和地表出露的花岗岩或砂岩等硬岩地层，如图7。因此，这些候选规划区域选址都是可行的。

第四，依据间歇性能源的装机规模及能源分布几何中心位置确定电站的可行规划选址。结合间歇性风能和光伏能电站的规划和实际装机规模大小，按间歇性能源的分布几何中心位置确定电站的初选规划选址。按几何中心位置确定电站的初选规划选址可以减小电力传输线路距离，最大程度提高电站效益。

第五，依据场地地质勘探成果，最终确定地下储气库的位置。压气储能电站规划选址确定后，应对可行的拟选场址进行地质勘探，然后结合工程及水文地质条件的勘探成果，确定地下储气库的具体位置。

地下储气库选型选址问题是压气储能电站建设规划需要解决的首要问题之一。尽管大规模压气储能电站建设规划选址的范围与抽水蓄能电站相比要广泛得多，但是从技术经济合理性角度来看，地下储气库类型和位置的确定仍然受到诸多因素的影响。获得的一些认识如下：

1）对比分析了压气储能四种地下储气库类型的优缺点，结合我国地层分布条件，提出了盐岩和硬岩洞穴是我国现阶段建设大规模压气储能电站的优选地下储气库类型。

2）对我国境内各种硬岩地层分布的研究表明，大规模压气储能电站地下储气库建设所需的硬岩在我国分布范围广泛，电站规划选址较容易。

3）平江压气储能地下岩穴储气实验库的现场试验成果表明，花岗岩地层中采用浅埋地下储气库的方式在安全及技术上是可行的。

4）分析归纳了压气储能电站地下储气库选址的影响因素，提出了地下储气库选址的具体原则和规划选址流程，并以广东省为例进行了压气储能电站规划选址的示范研究，提出了适合于建设压气储能电站地下储气库的区域选址建议。

参考文献：略，详见原文。