一种储能选址评价方法及系统

技术领域

本发明涉及水文地质勘察与新能源储能的交叉技术领域，特别是涉及一种一种储能选址评价方法及系统。

背景技术

风、光等可再生能源的利用是世界能源结构转型和实现减少二氧化碳总量的必然选择。国内外的风/光伏发电装机总量在近些年大幅度增加。但该类新能源发电具有间歇性和随机性，电力系统调峰能力不足，难以适应大规模并网消纳的要求，弃风、弃光和新能源供电安全稳定问题是制约新能源高效稳定利用的关键。

大规模储能技术是国际上公认的解决间歇性可再生能源如风能、太阳能等并网发电高效利用和解决弃风、弃光的关键。抽水蓄能和压缩空气储能(CAES)是国际上比较认可的两种大规模储能技术。压缩空气储能技术储能规模的关键在于储气库的选择，利用地下空间进行储能的压缩空气地质储能系统工作时间长，可以持续工作数小时，甚至可实现电能跨季度存储，其已经成为世界各国关注的重点。

现有的储能地选址方法，仅仅考虑热物理过程，没有对地质条件充分进行考虑，且对有含水层和无含水层的储能地都采用同一种选址方式，无法区分含水层的影响，选址时会产生较大的误差。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种能充分考虑地质条件的储能选址评价方法。

一种储能选址方法，包括以下步骤：

选择储能地，所述储能地的地下均存在含水层，确定所述储能地的若干一级指标和二级指标，利用层次分析法确定每个一级指标和二级指标对应的权重值信息；

对每个所述一级指标和二级指标分别赋予分值信息，结合每个一级指标和二级指标的权重值信息，利用多因子综合评价法，得到所述储能地的综合评价值，根据所述综合评价值判断所述储能地的适宜度。

另外，根据本发明提供的储能选址方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述储能地为地下咸水含水层孔隙介质储气库，所述储能地的埋深为400-1200米，孔隙介质渗透率在300豪达西以上，含水层孔隙度大于13％。

进一步地，所述一级指标包括储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素，所述储层性质因素对应的二级指标包括目标储层埋深、储层原生矿物类型、目标储层孔隙度、目标储层渗透率和目标储层结构，所述地质安全因素对应的二级指标包括盖层稳定性、盖层封闭性和场地稳定性，所述经济效益因素对应的二级指标包括地理位置、投资成本、储能规模和井筒腐蚀。

进一步地，所述利用层次分析法确定每个一级指标和二级指标对应的权重值信息的步骤包括：

利用层次分析法建立所述一级指标的综合评价矩阵，所述综合评价矩阵符合一致性检验，利用层次分析法分别计算所述储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素的权重值；

利用层次分析法分别建立所述储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素的判断矩阵，获得第一判断矩阵、第二判断矩阵和第三判断矩阵，通过第一判断矩阵分别计算所述目标储层埋深、储层原生矿物类型、目标储层孔隙度、目标储层渗透率和目标储层结构的权重值，通过第二判断矩阵分别计算盖层稳定性、盖层封闭性和场地稳定性的权重值，通过第三判断矩阵分别计算地理位置、投资成本、储能规模和井筒腐蚀的权重值，并计算每个二级指标占整体的权重值。

进一步地，所述一级指标的综合评价矩阵的建立，表示如下：

该矩阵的最大特征值为3.0536，一致性比率为0.0462，则所获得的储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素的权重值分别为0.5278、0.3325、0.1396。

进一步地，所述第一判断矩阵建立为

进一步地，所述利用多因子综合评价法，得到所述储能地的综合评价值的步骤包括：

将储能地的整体含水层孔隙介质储气库选址作为目标层，储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素作为准则层；

构建目标层的综合评价公式如下，

其中，Y为选址评价总得分，作为储能地的综合评价值，Ci为二级指标下各个单项指标的得分，得分按照表3中对各个指标定性评价的等级优、良、中、差分别取值10、8、6、4分，wi为各个二级指标对于上一级的权重，Bj为准则层各个指标对于目标层的影响权重，m1和nj分别为准则层和相应二级指标的数目。

进一步地，所述根据所述综合评价值判断所述储能地的适宜度的步骤包括：

对评价值区间1-10划分为若干子区间，并赋予每个子区间适宜度信息；

根据所述综合评价值所落入的子区间，获得该子区间对应的适应度信息。

本发明的另一个目的在于提出一种储能选址系统，包括：

权重值计算模块，用于选择储能地，所述储能地的地下均存在含水层，确定所述储能地的若干一级指标和二级指标，利用层析法确定每个一级指标和二级指标对应的权重值信息；

适宜度计算模块，用于对每个所述一级指标和二级指标分别赋予分值信息，结合每个一级指标和二级指标的权重值信息，利用多因子综合评价法，得到所述储能地的综合评价值，根据所述综合评价值判断所述储能地的适宜度。

本发明的有益效果是：首次建立了含水层压缩空气储能的目标咸水含水层选址评价方法，并列举了需要考虑的重要因素，且对不同指标的合理阈值进行了界定，填补了该系统从理论到应用过程中重要的场地选址一环，解决了相关专业人员在寻找适宜场地时没有有效的依托于重要地质条件的评价方法的技术难题。此外，提供了场地选址的定量评价的计算方法，操作过程具有明显的可计量性，使得整体方法更加科学，为含水层压缩空气储能的实际应用提供了重要的科学技术选址方法。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明第一实施例的流程示意图；

图2是本发明储能地的剖视结构示意图；

图3是本发明第一实施例的储能地的顶面构造图

图4是本发明储能选址评价的层次结构图；

图5是本发明二级指标占整体权重的分布图；

图6是本发明第二实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

请参阅图1，本发明的第一实施例提出一种储能选址方法，包括以下步骤。

S1.选择储能地，所述储能地的地下均存在含水层，确定所述储能地的若干一级指标和二级指标，利用层次分析法确定每个一级指标和二级指标对应的权重值信息。

需要说明的是，储能地一般为设置在地下的空腔或含水层，在本实施例中，选择具有含水层的储能地。

请参阅图2，本实施例的储能地主要包括地面2和位于地面2下方的含水层5，地面2和含水层5之间还具有盖层3，在储能时，需人工设计一口工作井1，利用工作井1，压缩机可以将空气压缩进盖层3和含水层5之间，形成势能。因此，储能地的主要作用是可以通过电能驱动压缩机能设备，将空气注入储能地，从而转化为势能，解决了无法大量储存风能和太阳能的问题。当势能被再次释放时，通过发电机能再次将势能转化为电能。

在传统的选址方法中，仅仅通过热物理过程判断储能地的储能能力，难以判断具体地质状况，无法对地下含水层储气库进行评价。

为了满足储能条件，所述储能地为地下咸水含水层孔隙介质储气库，所述储能地的埋深为400-1200米，孔隙介质渗透率在300豪达西以上，含水层孔隙度大于13％。

需要说明的是，系统地下部分目标含水层，目标含水层需要足够大的高孔隙度和高渗透性的储气空间和自然封闭结构。系统运行时需要先注入一定量的缓冲气体后再开始进行循环注-停-采的过程。基于含水层压缩空气储能的含水层储气库需要考虑地上-地下结合的思路，在考虑储能和经济效益同时兼顾环境影响和安全。故在选址时，储气库应该具备：地下性质，目标含水层具有较好的“气封”性质，上覆盖层致密且连续稳定、含水层四周具备自然封闭边界，含水层储气能力大且注入性强，含水层的岩性或所含矿物不易发生氧化反应；同时兼顾地上安全、经济和环境问题。

在本实施例中，所述一级指标包括储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素，所述储层性质因素对应的二级指标包括目标储层埋深、储层原生矿物类型、目标储层孔隙度、目标储层渗透率和目标储层结构，所述地质安全因素对应的二级指标包括盖层稳定性、盖层封闭性和场地稳定性，所述经济效益因素对应的二级指标包括地理位置、投资成本、储能规模和井筒腐蚀，储能选址评价的层次如图4所示。

具体的，应用层次分析法(AHP)确定不同指标的权重值，为根据“1-9”标度法，可以通过不同因素对于整体效率的影响程度的理论研究和面向研究地下相似工程储气库专家进行问卷调查和咨询的两者结合方式，获得相应层级影响因素相对重要性比值，构建判断矩阵，并验证一致性条件，当一致性比率小于0.1时，即可认为该矩阵合格，并计算出相应的权重值。

具体的，一级指标的综合评价矩阵(B层)的建立，表示如下：

其中，该矩阵的最大特征值为3.0536，一致性比率为0.0462，则所获得的储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素的权重值分别为0.5278、0.3325、0.1396。

更进一步地，所述第一判断矩阵B1建立为

更进一步地，所述第二判断矩阵B2建立为

更进一步地，所述第三判断矩阵B3建立为

再根据以上权重值，计算每个二级指标占整体的权重值分别为0.0380、0.0323、0.0549、0.1584、0.2442、0.1089、0.1372、0.0864、0.0649、0.0187、0.0457、0.0103，分布如图5所示。

S2.对每个所述一级指标和二级指标分别赋予分值信息，结合每个一级指标和二级指标的权重值信息，利用多因子综合评价法，得到所述储能地的综合评价值，根据所述综合评价值判断所述储能地的适宜度。

对每个指标赋予分值信息，如表1所示。

表1

具体的，所述利用多因子综合评价法，得到所述储能地的综合评价值的步骤包括：

S21.将储能地的整体含水层孔隙介质储气库选址作为目标层，储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素作为准则层；

S22.构建目标层的综合评价公式如下，

其中，Y为选址评价总得分，作为储能地的综合评价值，Ci为二级指标下各个单项指标的得分，得分按照表3中对各个指标定性评价的等级优、良、中、差分别取值10、8、6、4分，wi为各个二级指标对于上一级的权重，Bj为准则层各个指标对于目标层的影响权重，m1和nj分别为准则层和相应二级指标的数目。

更进一步地，所述根据所述综合评价值判断所述储能地的适宜度的步骤包括：

S23.对评价值区间1-10划分为若干子区间，并赋予每个子区间适宜度信息；

S24.根据所述综合评价值所落入的子区间，获得该子区间对应的适应度信息。

在本实施例中，子区间的划分如表2所示。

表2

为了更好地说明本发明，本实施例储能地选择河北省大城县的大5区块(D5)的二叠系上部石盒子组砂岩含水层，以该地区为例说明本发明。

D5区块位于冀中坳陷大城凸起东侧的里坦凹陷，基底发育中生界、上古生界石炭系-二叠系砂泥岩地层及下古生界的奥陶系石灰岩地层。区域内共有两口钻井，出于石油勘探的目的，首口探井与1975年开始钻探，井深3280m，区块内地质和地震资料较为详细。

请参阅图3，该区块整体呈现背斜形态，被东北向和西北向两组规模较小的断层切割，形成断背斜。其中目标含水层二叠系砂岩圈闭面积约为12km2，闭合幅度为150m，构造高点埋深约为2285m。

另外，含水层深度位于2325m-2510m，其中有效厚度为106m，储层岩石类型主要为长石砂岩，岩屑石英砂岩次之。D5区二叠系含水层的孔隙度和渗透率较低，平均值分别9.2％和5.52md，目标含水层的地层水平均矿化度为4624.8mg/L，为NaHCO3型水。目标含水层的盖层主要为二叠系石千峰组灰色泥岩与紫红色泥岩，呈块状构造，为曲流河相洪泛平原亚相沉积。通过地震和钻井资料可以发现目标含水层的盖层厚度约为125m，且盖层在横向上分布连续，平面分布较广。

应当指出的是，通过对19个盖层代表性岩样的孔隙度和渗透率测试，发现其孔隙度范围为5.28％-26.29％，垂向渗透率和水平渗透率平均为1.0×10-3md和1.7×10-3md，盖层属于中低孔、特低渗盖层。

此外，本实施例还提取了11块盖层岩心和3块隔层岩心进行突破压力测试发现，饱和水时突破压力平均为34.31MPa，突破压力较高，具有良好的封闭性。在分析盖层的力学可塑性时发现，由于盖层矿物中蒙脱石和伊-蒙混层体积分数较高，故盖层具有很强的可塑性，能够抵制盖层变形中次生裂缝的发育。

更进一步地，在对于D5区块目标的场地的稳定分析中，发现该地区属于弱震区，近些年来未发生过地震、洪涝等灾害，场地稳定性良好。

另外，D5区块位于我国华北平原，该地区的风能资源较为丰富。国家电投在该地区所处的河北省大城县也正在开展200MW的风电项目，含水层压缩空气储能的建设能够很好的为该地区和附近城市提供良好的电力输送。该地区具有良好的地面基础设施和较为完善的地质和勘探资料，能够大幅度的降低建立含水层压缩空气储能电站的成本，且能够很好的促进地区的环境友好型能源产业的发展。

根据当前的资料，采用本实施例的方法获得各指标的评分如表3所示。

表3

利用前述多因子综合评价计算方法，得到实施例1中的候选场址综合评价得分为7.10，根据表2，可以看出该区块属于较适宜等级，能够满足建立含水层压缩空气储能系统的基本条件。

应当指出的是，综合分析该候选区域的主要问题为：

含水层孔隙度和渗透率较低，可以采用水力压裂的手段对目标含水层区域进行改造，从而增加含水层的渗透率和孔隙度进而提高含水层压缩空气储能的效率；

含水层埋深较大，D5区域的目标含水层埋深在2000m以上，可能会增加地表发电设备的配置要求，从而增加总的经济成本。

另外，该候选区域的主要优势在在于：

含水层结构为背斜结构，具有很好的圈闭压缩空气的条件，防止气体扩散和能量损失；

具有良好力学性质和封闭性的盖层以及场地具有较强的稳定性，能够稳定安全的运行；

具有丰富的风力资源和风电装机现状，具有较为详细的地质勘察资料和良好用电需求，提高了该地区建设含水层压缩空气储能的经济效益。

本发明的优势在于，首次建立了含水层压缩空气储能的目标咸水含水层选址评价方法，并列举了需要考虑的重要因素，且对不同指标的合理阈值进行了界定，填补了该系统从理论到应用过程中重要的场地选址一环，解决了相关专业人员在寻找适宜场地时没有有效的依托于重要地质条件的评价方法的技术难题。此外，提供了场地选址的定量评价的计算方法，操作过程具有明显的可计量性，使得整体方法更加科学，为含水层压缩空气储能的实际应用提供了重要的科学技术选址方法。

请参阅图6，本发明的第二实施例提出一种储能选址系统，包括：

权重值计算模块，用于选择储能地，所述储能地的地下均存在含水层，确定所述储能地的若干一级指标和二级指标，利用层次分析法确定每个一级指标和二级指标对应的权重值信息；

适宜度计算模块，用于对每个所述一级指标和二级指标分别赋予分值信息，结合每个一级指标和二级指标的权重值信息，利用多因子综合评价法，得到所述储能地的综合评价值，根据所述综合评价值判断所述储能地的适宜度。

具体的，所述利用层次分析法确定每个一级指标和二级指标对应的权重值信息的步骤包括：

利用层次分析法建立所述一级指标的综合评价矩阵，所述综合评价矩阵符合一致性检验，利用层次分析法分别计算所述储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素的权重值；

利用层次分析法分别建立所述储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素的判断矩阵，获得第一判断矩阵、第二判断矩阵和第三判断矩阵，通过第一判断矩阵分别计算所述目标储层埋深、储层原生矿物类型、目标储层孔隙度、目标储层渗透率和目标储层结构的权重值，通过第二判断矩阵分别计算盖层稳定性、盖层封闭性和场地稳定性的权重值，通过第三判断矩阵分别计算地理位置、投资成本、储能规模和井筒腐蚀的权重值，并计算每个二级指标占整体的权重值。

更进一步地，所述利用多因子综合评价法，得到所述储能地的综合评价值的步骤包括：

将储能地的整体含水层孔隙介质储气库选址作为目标层，储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素作为准则层；

构建目标层的综合评价公式如下，

其中，Y为选址评价总得分，作为储能地的综合评价值，Ci为二级指标下各个单项指标的得分，得分按照表3中对各个指标定性评价的等级优、良、中、差分别取值10、8、6、4分，wi为各个二级指标对于上一级的权重，Bj为准则层各个指标对于目标层的影响权重，m1和nj分别为准则层和相应二级指标的数目。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。