含水层可以储存可再生热能吗？

能源行业脱碳需要增加可再生能源发电量。然而，增加可再生能源发电量也带来了一些挑战，例如生产和需求之间的不匹配。由于日照差异和天气趋势，可再生能源的产出随季节和年度变化，这意味着可能会出现发电量过剩或发电量不足的时期。

普林斯顿大学安德林格能源与环境中心副研究员阿玛拉辛哈格·T·佩雷拉 (Amarasinghage T. Perera) 表示，季节性供暖和制冷（通常是家庭最大的能源支出）通常与可再生能源发电模式不一致。例如，冬季供暖需求较高，但夏季可再生能源发电量较高。在这种情况下，重要的是在夏季储存额外的能源以满足冬季供暖需求，他补充道。这解释了为什么需要长期储能来支持可再生能源技术。

根据《应用能源》杂志最近发表的一项研究，地下水具有储存急需的可再生能源的潜力。参与这项研究的佩雷拉说，这种方法称为含水层热能储存 (ATES)，利用天然地下水或含水层长期储存热能，可用于辅助建筑物的供暖和制冷。

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在 ATES 系统中，有两个水井连接到同一个地下水库。在夏季，冷地下水被抽上来提供冷却，在地面加热，然后储存起来。在冬季，情况正好相反——温暖的地下水被抽上来提供加热，在地面冷却，然后储存起来。这个循环每季重复一次。

人们经常讨论储能与交通运输部门脱碳有关，即用电池和氢存储支持的车辆取代内燃机车辆。然而，对于电网存储而言，在电池中存储电荷所需的材料具有很高的能源成本，而氢存储会导致严重的能源损失。佩雷拉表示，更多的研究资金可以帮助确定热能存储技术的更广阔潜力。

“与传统的地下水热泵相比，提取之前注入地下的加热或冷却的地下水可以提高运行效率，”德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 应用地球科学研究所的研究员 Ruben Stemmle 表示，他没有参与这项研究。ATES 系统还可以储存工业过程、热电联产厂或太阳能热能产生的多余热量。他补充说，总的来说，它有助于弥补热能需求和供应之间的季节性不匹配。

斯坦勒说，长期季节性储存和对以前未使用的热源（如废热或多余的太阳能热能）进行需求驱动的利用，可以促进供暖和制冷行业的脱碳，并减少一次能源消耗。

根据这项研究，ATES 可以提高能源系统的灵活性，使其能够承受未来气候变化带来的可再生能源需求和发电量的波动。它可以防止电网在炎热或寒冷的月份增加额外负担，从而使城市能源基础设施更具弹性。

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由于许多地区（如主要地下水盆地和复杂的水文结构）都拥有大量地下水，ATES 的存储容量非常高。Stemmle 说，这使得 ATES 可以应用于区域供热和制冷或能源需求高的大型建筑群。他补充说，与燃气锅炉和压缩式制冷机等传统供热和制冷方式相比，它可以显著减少化石燃料的使用。

目前，仅荷兰就有 3,000 多个 ATES 系统。瑞典、丹麦和比利时也有部分 ATES 系统。虽然它们在美国尚未得到广泛应用，但将 ATES 添加到电网中可使石油产品的消耗量减少高达 40%。

斯特姆勒表示，为了增加 ATES 的部署，政策制定者可以支持 ATES 系统和相关技术（如热泵和供热网）的资助计划。他还强调了减少市场壁垒的重要性，这可以通过建立简单、快速的许可程序和统一的 ATES 运营监管框架来实现。部署此类热能存储系统有助于在未来实现更具气候变化适应力的电网。