能源是世界发展和经济增长的最基本的驱动力。传统化石能源大规模的开发和利用导致了能源短缺、资源争夺、环境污染、全球气候变暖等一系列资源和环境问题,大力发展节能高效、低碳环保的可再生能源已经成为世界各国能源发展战略的重要选择与必然趋势。然而,由于可再生能源固有的间歇性和不稳定性等特点限制了其在发电并网中的应用,导致出现了大量的“弃风”、“弃光”现象。大规模电力储能技术被认为是解决可再生能源出力波动性和不稳定性的主要措施之一。目前世界上已有的电力储能技术中,压缩空气储能系统是非常契合可再生能源利用的大规模储能技术。然而,压缩空气储能系统存在储能密度低以及大规模储气受地理条件限制等问题,结合当前对含水层压缩空气储能技术和地表储气罐压缩二氧化碳储能系统的研究,本文提出了一种深部含水层压缩二氧化碳储能系统方案,并对该系统运行过程中地下储能部分的水动力与热力学行为进行详细的数值模拟研究。研究的主要内容和结论如下:(1)建立了深部含水层压缩二氧化碳储能系统概念模型。研究并提出了深部含水层压缩二氧化碳储能系统的运行方案,分析了二氧化碳-水-热在含水层中运动过程及在井筒中流动过程的原理与控制方程,简要介绍了数值模拟软件TOUGH2、T2Well及其子模块ECO2N和EOS3的功能。(2)建立了深部含水层压缩二氧化碳储能系统地下储能部分的三维数值模型,并开展了热力学分析研究。采用T2Well/ECO2N程序对系统初始气囊建立阶段和后续储-释能循环阶段进行了数值模拟计算,分析了系统运行过程中的井筒-含水层压力温度响应、气体饱和度变化、能量效率变化以及总应力增量变化。分析结果表明:由于大量CO2抽注以及含水层进气值影响和相对渗透率变化等,系统运行过程中井筒和含水层会出现较大的压力循环变化;由于注入超临界二氧化碳温度低于赋存环境温度,注入含水层的二氧化碳会受到周围地层中地温热量补给,整个系统具有良好的储能效率;系统运行过程中的能量损失主要是高压二氧化碳在含水层中的扩散损失和压力向含水层中的消散;在设计的注入速率下,含水层总应力增量变化不会对盖层的安全稳定产生影响。(3)通过数值模拟详细地研究了含水层性质和运行参数对整个系统运行的影响。分析了不同范围的含水层埋深、厚度、孔隙度、渗透率和井筒贯穿含水层深度、储能规模等因素对整个系统运行过程中水气流动规律以及能量效率变化的影响。分析结果表明:应综合考虑地表设备和地下储能效率要求,选择合理的含水层埋深;在井筒均贯穿含水层的条件下,含水层厚度越大越有利于系统的安全稳定运行;含水层孔隙度越大,单位含水层空间内储存的气体量越多,储能效果越好;过高和过低的含水层渗透率都不利于系统的运行,存在最佳的含水层渗透率范围既能保证大规模的抽采,又具有较高的储能效率;对于选定的含水层,井筒在含水层中的射开深度越深越能更好发挥含水层经济效益;在保证系统安全稳定运行前提下,更大循环注采速率能够获得更多的地热能量的补充,能够获得更高的储能效率和更大的储能规模。(4)采用相同的模型和地层井筒参数进行深部含水层压缩空气储能系统数值模拟研究,将模拟结果与深部含水层压缩二氧化碳储能系统模拟结果进行对比研究。分析了两种系统运行过程中的井筒-含水层压力温度响应、气体饱和度变化、能量效率变化差异。分析结果表明:由于大量气体抽注以及含水层进气值影响和相对渗透率变化等,CCESA系统和CAESA系统运行过程中井筒和含水层会出现较大的压力变化,但CAESA系统运行过程中压力变化范围更大;由于注入超临界二氧化碳温度低于地层温度,热量流的方向会从周围地层向靠近井筒附近的二氧化碳传递,而注入空气温度高于地层温度,热量流的方向则从井筒向周围地层扩散;相同运行时间内,CAESA系统中空气在含水层中的横向扩散距离要远大于CCESA系统中二氧化碳的横向扩散距离;CAESA系统和CCESA系统运行过程中的能量损失均主要是高压气体在含水层中的扩散损失和压力向含水层中的消散,但CAESA系统在含水层中的损失要远高于CCESA系统,而且CCESA系统会受到周围地层中地温热量的补给,所以CCESA系统的储能效率要远优于CAESA系统。