提示
地下空间支撑下的电力能源系统：构想、挑战与展望
秦博宇，李恒毅，张哲，王召健，钱七虎
（西安交通大学）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.211314
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研究背景为应对日益严峻的气候变化问题，中国提出了碳达峰与碳中和的战略目标，为国家气候治理与能源低碳转型描绘了宏伟蓝图。碳源减排与碳汇增容是实现“双碳”目标的两个重要途径，在降低大气内CO2等温室气体浓度、缓解全球气候变化方面具备一定潜力。然而，各类减排增汇措施在技术原理、应用环境、设备配套等方面存在缺陷和制约，其低碳效益的进一步提升面临挑战：1）大规模、安全稳定的多相态物质存储与设备运行空间匮乏；2）发挥生态碳汇功能的地表生态空间有限；3）推动资源合理配置的市场体系尚未健全完善。因此，亟需转换发展思路，寻求突破当前减排增汇技术瓶颈的途径。
地下空间作为一类具有广阔开发前景的国土空间资源，已在储能、碳封存等领域得到了一定应用，依托其特殊的安全、稳定、密闭等地质特性，地下空间可为各类减排增汇措施提供稳定充足的空间支撑，对实现“双碳”目标具有重要意义。
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论文所解决的问题及意义首先，以地下空间的功能特性为依据分析地下空间对各类减排增汇措施的支撑作用；其次，根据地下空间的减排增汇潜力，将现有减排增汇技术与地下空间相耦合，提出地下空间支撑下的电力能源系统构想，为“双碳”目标的达成提供一种能源低碳开发利用新模式；最后，分析地下空间支撑下的电力能源系统的综合运行效益，展望发展前景，以期为我国“双碳”目标的实现提供新的解决方案与思路。
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论文重点内容（1） 地下空间的减排增汇潜力
地下空间的封闭性与稳定性可助力多相态物质规模化存储，在CO2的永久地下封存、压缩空气储能系统的规划建设、制氢储能系统的规模化开发等方面具备应用潜力；同时，依托地下空间的防护性，可将电力能源系统设备建设于地下，隔绝气象灾害对系统设备的侵袭，提升系统在极端自然灾害下的安全稳定运行能力；地下空间开发可节约地表生态空间，进行森林、湿地等陆地碳汇项目建设，从而加强对大气中CO2的吸收固定；针对蕴藏丰富的地热资源，可因地制宜通过地下空间开发就近利用，与电力能源系统内部各类异质、同质能源耦合协调，提升能源综合利用效率。
（2） 地下空间支撑下的电力能源系统构想
基于地下空间的减排增汇潜力，将地下空间与电力能源系统充分融合，提出地下空间支撑下的电力能源系统框架，如图1所示。根据各类减排增汇资源的基本属性与功能机理，将系统划分为能源层与市场层。
能源层为促进可再生能源消纳、提升能源综合利用效率的关键环节。依托地下空间实现对风电、光伏、地热能等多类能源的层次化开发利用，供给地下物流、地下交通等地下多元负荷需求。同时，对生产消费产生的CO2进行捕集、地下封存以及资源化利用，促进减排增汇。市场层以“双碳”目标驱动的电–碳市场为调控功能主体，为能源层的低碳高效运行提供减排认证、投资引导及价格补贴，从而促进资源的合理配置以及系统运行效益的进一步提升。
图1 地下空间支撑下的电力能源系统框架
（3） 地下空间支撑下的电力能源系统效益分析
将地下空间与能源领域、市场层面的减排增汇手段充分融合，在各自推动社会低碳转型的同时，相互依托、形成合力，共同促进地下空间支撑下的电力能源系统在低碳、经济、社会效益上的进一步提升，如图2所示。
图2 地下空间支撑下的电力能源系统效益
（4） 地下空间支撑下的电力能源系统关键问题与研究展望
实现所提电力能源系统的低碳高效运行是一项极具挑战的工作，需在相关关键技术领域实现突破：1）“双碳”目标驱动的电-碳市场架构；2）地下空间支撑下的电力能源系统综合效益量化评估体系；3）地下空间多元能源-物质融合系统低碳协同规划理论；4）地下空间支撑下的电力能源系统动态耦合机理；5）地下空间多元能源-物质融合系统动态安全调控与优化运行控制理论；6）地下空间支撑下的电力能源系统示范与推广应用。
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结论“双碳”目标的提出，为我国的气候治理与碳减排描绘了宏伟蓝图。本文面向“双碳”目标提出了一种整合地下空间与多类减排增汇手段的低碳转型构想。通过发挥地下空间的减排增汇功能，为国家气候治理提供了一类系统化的解决方案，以蠡测海，抛砖引玉，以期引起学术界与工程界对地下空间碳减排潜力的重视，进一步探索地下空间与其他减排增汇手段的协同模式，助力“双碳”目标的达成。
引文信息
秦博宇，李恒毅，张哲，等.地下空间支撑下的电力能源系统：构想、挑战与展望[J].中国电机工程学报，2022，42(4): 1321-1331
QIN Boyu, LI Hengyi, ZHANG Zhe, et al. Underground Space Supported Electric Energy Systems: Conceptions, Challenges, and Prospects. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(4): 1321-1331
作者简介
钱七虎（1937），男，教授，博士生导师，中国工程院首届院士，2018年国家最高科学技术奖获得者，一等功臣，长期致力于我国防护工程领域科研、教学与人才培养，建立了我国现代防护工程理论体系，解决了核武器空中、触地、钻地爆炸以及新型钻地弹侵彻爆炸工程防护中的系列关键技术难题，为我国防护工程各个时期的建设发展作出了突出贡献。
秦博宇（1989），男，通信作者，博士，副教授，博士生导师，长期从事电力系统运行与控制、可再生能源发电、低碳电力系统等领域研究工作，主持国家自然科学基金2项，承担和参与多项国家重点研发计划项目、中国工程院战略研究与咨询项目、国家电网公司总部及网省公司科技项目等。获陕西省高等学校科学技术研究优秀成果奖二等奖，在国内外重要期刊和会议上发表学术论文60余篇，其中SCI论文40余篇，申请发明专利20余项，其中授权10余项，qinboyu@xjtu.edu.cn。
王召健（1991），男，博士，助理教授，长期从事电力和能源系统的分布式优化、控制、博弈等研究，主持自然科学基金1项，荣获上海市青年学者“晨光计划”。已发表SCI/EI论文40余篇，其中第一/通信作者SCI期刊论文12篇，1篇为ESI高被引论文，获授权中国发明专利9项，国际专利1项。现担任IEEE Systems Journal，IET Renewable Power Generation期刊编委，wangzhaojian@sjtu.edu.cn。
责任编辑：乔宝榆
审核：朱腾翌
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发表于 2022-4-4 08:29:07