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壓縮空氣儲能技術研發現狀及應用前景
發布者:admin | 來源:高科技與產業化 | 0評論 | 10129查看 | 2018-07-16 10:19:19    
       儲能技術是解決可再生能源大規模接入、提高常規電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要,被稱為能源革命的支撐技術。壓縮空氣儲能系統具有規模大、效率高、成本低、環保等優點,被認為是最具發展潛力的大規模儲能技術之一。

  壓縮空氣儲能技術概述

  儲能技術可解決可再生能源大規模接入、提高常規電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要,被稱為能源革命的支撐技術。截至2016年底,我國儲能裝機為24.2GW,約占全國電力總裝機的1.5%,遠低于世界2.7%的平均水平。預計到2050年,我國儲能裝機將達到200GW以上,占發電總量的10%~15%,市場需求巨大而迫切。壓縮空氣儲能系統具有規模大、效率高、成本低、環保等優點,被認為是最具發展潛力的大規模儲能技術之一。

  目前,全球已有兩座大規模壓縮空氣儲能電站投入了商業運行。

  第一座是1978年投入商業運行的德國Huntorf電站(圖1)。機組采用兩級壓縮兩級膨脹,壓縮機功率為60MW,膨脹機功率為290MW(2007年擴容至321MW),壓縮空氣存儲在地下600米的廢棄礦洞中,總容積達3.1×105m3,壓力最高可達100bar。機組可連續充氣8小時,連續發電2小時。機組從靜止到滿負荷需要11分鐘,冷態啟動至滿負荷約需6分鐘,電站效率為42%。

  第二座是于1991年投入商業運行的美國McIntosh電站(圖2)。其儲氣洞穴在地下450米,總容積達5.6×105m3,儲氣壓力約為75bar。該電站壓縮機功率為50MW,膨脹機功率為110MW,可實現連續41小時充氣和26小時發電,機組從啟動到滿負荷約需9分鐘,系統效率為54%。另外,日本于2001年在北海道空知郡投運了上砂川町2MW壓縮空氣儲能示范項目。其余國家如瑞士、法國、英國、意大利、俄羅斯、以色列、芬蘭、南非和韓國等國家也在積極開發壓縮空氣儲能電站。

  以上商業電站均屬于傳統壓縮空氣儲能技術(圖3)。在用電低谷,壓縮機將空氣壓縮并存于儲氣室中,使電能轉化為空氣的內能存儲起來;在用電高峰,高壓空氣從儲氣室釋放,進入燃燒室同燃料一起燃燒,然后驅動透平發電。

  但傳統壓縮空氣儲能系統存在三個技術瓶頸,一是依賴天然氣等化石燃料提供熱源,不適合我國這類“缺油少氣”的國家;二是需要特殊地理條件建造大型儲氣室,如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等;三是系統效率較低(分別為42%、54%),需進一步提高。

  新型壓縮空氣儲能技術研發進展

  為解決傳統壓縮空氣儲能的技術瓶頸問題,近年來,國內外學者開展了新型壓縮空氣儲能技術研發工作,包括絕熱壓縮空氣儲能、蓄熱式壓縮空氣儲能及等溫壓縮空氣儲能(不使用燃料)、液態空氣儲能(不使用大型儲氣室)、超臨界壓縮空氣儲能(不使用大型儲氣室、不使用燃料)等。

  絕熱式壓縮空氣儲能

  絕熱式壓縮空氣儲能技術通過儲熱裝置回收壓縮熱并儲存,使壓縮及膨脹過程近似于絕熱過程,不必燃燒化石燃料,并且能保持較高的儲能密度及效率。其工作原理為:儲能時,通過壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態后,通過儲熱系統將壓縮熱儲存,空氣降溫并儲存在儲罐中。釋能時,將高壓空氣釋放,利用儲存的壓縮熱使空氣升溫,由高溫高壓空氣推動膨脹機做功發電。

  該系統回收了壓縮熱并且再利用,使系統效率得到了較大提高,同時去除了燃燒室,實現了零排放。但由于壓縮機級間不回收熱量、冷卻空氣,故壓縮過程能耗較高。由于壓縮機出口的空氣溫度高,對設備材料要求高。

  德國RWE Power公司于2010年啟動ADELE項目,設計儲熱溫度600℃,設計儲氣壓力100bar,理論設計效率可達70%,該項目一直處于論證階段。

  蓄熱式壓縮空氣儲能

  蓄熱式壓縮空氣儲能又被稱作先進絕熱壓縮空氣儲能,其原理同絕熱壓縮空氣儲能類似,區別在于該系統在壓縮過程級間換熱及儲熱,絕熱壓縮空氣儲能在全部壓縮過程結束后儲熱。相較于絕熱壓縮空氣儲能,蓄熱式壓縮空氣儲能系統的儲熱溫度及儲能密度較低,但其壓縮機耗能減小,且對于壓縮機材料要求不高。該系統缺點在于增加了多級換熱及儲熱,系統初投資有所增加。

  中國科學院工程熱物理研究所于2013年在廊坊建成國內首套1.5MW蓄熱式壓縮空氣儲能示范系統,于2016年在貴州畢節建成國際首套10MW示范系統,效率達60.2%,是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統。

  等溫壓縮空氣儲能

  等溫壓縮空氣儲能系統是指通過一定措施(如活塞、噴淋、底部注氣等),通過比熱容大的液體(水或者油)提供近似恒定的溫度環境,增大氣液接觸面積和接觸時間,使空氣在壓縮和膨脹過程中無限接近于等溫過程,將熱損失降到最低,從而提高系統效率,其理論效率可達70%以上。此外,該技術不必提供外部熱源,還可以減少部件的熱應力。但該系統也存在一定問題,在壓縮過程中,部分空氣溶解于水中而沒有存儲到儲氣罐,造成部分能量損失。

  美國SustainX公司于2013年在美國New Hampshire州建成1.5MW/1.5MWh的示范系統。美國General Compression公司于2012年在美國Texas州建成2MW/500MWh示范系統。目前,上述兩家公司已經合并成立GCX能源公司,繼續開展壓縮空氣儲能技術開發工作。美國的Lightsail公司也開展等溫壓縮空氣儲能研發,目前正在加拿大Nova Scotia省建設500kW/3MWh示范項目。

  液態空氣儲能

  液態壓縮空氣儲能是將電能轉化為液態空氣的內能以實現能量存儲的技術。儲能時,利用富余電能驅動電動機將空氣壓縮、冷卻、液化后注入低溫儲罐儲存;發電時,液態空氣從儲罐中引出,加壓后送入蓄冷裝置將冷量儲存并使空氣升溫氣化,高壓氣態空氣通過換熱器進一步升溫后進入膨脹機做功發電。由于液態空氣的密度遠大于氣態空氣,其儲氣室容積可減少約20倍,大幅壓縮系統占地面積,綜合成本有下降的空間。但由于系統增加液化冷卻和氣化加熱過程,增加了額外損耗。

  英國Highview儲能公司于2010年建成350kW/2.5MWh液態空氣儲能示范系統并成功投運,目前正在開展5MW/15MWh示范電站建設。中科院工程熱物理所于2013年在廊坊建成1.5MW液態空氣儲能示范系統。其余機構如中科院理化技術研究所、智能電網研究院、東南大學、昆明理工大學等也開展了相關理論及實驗研究。

  超臨界壓縮空氣儲能

  2009年,中科院工程熱物理所在國際上原創性地提出超臨界壓縮空氣儲能技術。該技術利用超臨界狀態下的流體兼有液體和氣體的雙重優點,比如接近液體的較高的密度、比熱容和溶解度,良好的傳熱傳質特性;同時也具有類似氣體的粘度小、擴散系數大、滲透性好、互溶性強等優點。

  其工作原理是:1)儲能過程,利用富余電能通過壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態,通過儲熱系統回收壓縮熱后,利用儲冷系統存儲的冷能將空氣冷卻液化,并儲于低溫儲罐中;2)釋能過程,液態空氣加壓后,通過儲冷系統將冷量儲存,空氣吸熱至超臨界狀態,并吸收儲熱系統儲存的壓縮熱使空氣進一步升溫,通過膨脹機驅動電機發電。

  目前,該技術為中科院工程熱物理所的專利技術。中科院工程熱物理所于2011年在北京建成15kW原理樣機,并于2013年在廊坊建成1.5MW示范系統,系統效率達52.1%。目前,10MW級示范項目正在建設中。

       水下壓縮空氣儲能

  水下壓縮空氣儲能屬于等壓壓縮空氣儲能的一種,該技術將壓縮空氣存儲在水下(如海底和湖底),利用水的靜壓特性保持儲氣的壓力恒定,保證壓縮機出口及膨脹機入口壓力恒定,從而使壓縮機和膨脹機始終工作在額定工況附近,不需要通過減壓閥進行壓力調整,減少能量損耗,提高系統效率。該系統不需要在儲氣空間保持一定的最小氣壓,使得空氣壓縮能可利用比率更高。此外,該系統安全性相對較高,即使發生失效事故,造成的破壞與危害也較小。

  加拿大Hydrostor公司于2015年建成660kW實驗系統。英國諾丁漢大學研制了1.8米和直徑5米的儲氣包,并進行了實驗研究。其余如美國加州大學、佛羅里達大學、北卡羅來納大學、麻省理工大學、我國的中科院工程熱物理所、華北電力大學都進行了理論及實驗研究,目前尚無大規模示范項目建成。

  外部熱源補熱類壓縮空氣儲能

  壓縮空氣儲能系統可以利用外界熱源來提升空氣做功發電能力,提高系統整體效率。其可利用的熱源包括太陽能熱利用,工業企業如冶金、化工、水泥、玻璃等行業的余熱廢熱,核電等發電廠的余熱,生物質制取的沼氣、合成氣等。


  目前,應用較廣泛的是(shi)太(tai)陽能補(bu)熱(re)(re)型(xing)壓(ya)(ya)縮空(kong)氣儲能系統,該(gai)系統是(shi)利用太(tai)陽集熱(re)(re)裝置聚(ju)光形成溫度可達500℃以上的高溫熱(re)(re)源對壓(ya)(ya)縮空(kong)氣進行補(bu)熱(re)(re)升溫后,再推動(dong)透平(ping)膨脹(zhang)做功,從而提高系統運行效(xiao)率的儲能系統。


  美國(guo)普渡大學(xue)、英國(guo)華(hua)(hua)威大學(xue)、英國(guo)諾丁漢大學(xue)、伊朗德黑蘭大學(xue)、中科院工程熱物理(li)所(suo)、清華(hua)(hua)大學(xue)、華(hua)(hua)南理(li)工大學(xue)等機構也開展了相關研究。


  主要應用領域


  壓(ya)縮(suo)空(kong)氣儲能(neng)技(ji)術最早主要用(yong)于(yu)電(dian)力系(xi)(xi)統(tong)的(de)調峰和調頻,但隨著技(ji)術不斷發(fa)展和微(wei)小型(xing)壓(ya)縮(suo)空(kong)氣儲能(neng)技(ji)術的(de)出現,其應用(yong)越(yue)來越(yue)廣(guang)泛,在可再生(sheng)能(neng)源、分(fen)布式能(neng)源、汽車動(dong)力系(xi)(xi)統(tong)、UPS電(dian)源等方面都(dou)得到了應用(yong)。


  電力系統調峰


  目前,每(mei)日的用(yong)電(dian)(dian)(dian)負荷(he)是波動變化的,且峰(feng)谷差(cha)日趨增大。為了滿足(zu)要求,當前的發(fa)電(dian)(dian)(dian)裝(zhuang)機(ji)(ji)容(rong)量(liang)(liang)(liang)與(yu)電(dian)(dian)(dian)網容(rong)量(liang)(liang)(liang)需按最大需求建設,導致用(yong)電(dian)(dian)(dian)低(di)(di)谷時發(fa)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)組停(ting)機(ji)(ji)或低(di)(di)負荷(he)運行,以及(ji)電(dian)(dian)(dian)網容(rong)量(liang)(liang)(liang)的浪費。壓(ya)縮(suo)空氣儲能作為大規模容(rong)量(liang)(liang)(liang)型儲能技術,可將用(yong)電(dian)(dian)(dian)低(di)(di)谷多(duo)發(fa)出的電(dian)(dian)(dian)能儲存,在用(yong)電(dian)(dian)(dian)高峰(feng)釋放,實現電(dian)(dian)(dian)力系統(tong)(tong)削峰(feng)填谷,減(jian)少發(fa)電(dian)(dian)(dian)裝(zhuang)機(ji)(ji)及(ji)電(dian)(dian)(dian)網容(rong)量(liang)(liang)(liang),提升(sheng)電(dian)(dian)(dian)力系統(tong)(tong)效(xiao)率和經濟性(xing)。


  可再生能源


  可(ke)再(zai)(zai)(zai)生能源(yuan)(yuan)如風能、太陽能均具有間(jian)(jian)歇性、不(bu)穩定(ding)性,直接發(fa)電并網(wang)對電網(wang)沖擊(ji)很大(da),故(gu)棄(qi)風、棄(qi)光(guang)(guang)現(xian)(xian)象嚴重。壓縮空氣儲(chu)(chu)能技(ji)術(shu)可(ke)將間(jian)(jian)斷、不(bu)穩定(ding)、不(bu)可(ke)控(kong)的可(ke)再(zai)(zai)(zai)生能源(yuan)(yuan)發(fa)電儲(chu)(chu)存起來(lai),再(zai)(zai)(zai)按(an)照(zhao)需求平(ping)穩、可(ke)控(kong)的釋(shi)放,具有平(ping)滑波動、跟蹤(zong)調度輸出、調峰調頻等功能,實(shi)現(xian)(xian)可(ke)再(zai)(zai)(zai)生能源(yuan)(yuan)電力大(da)規模并網(wang),有效解決棄(qi)風、棄(qi)光(guang)(guang)問題(ti)。


  分布式能源系統


  分(fen)布(bu)式能(neng)源系(xi)(xi)統(tong)(tong)和微(wei)電網(wang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)是(shi)未來高(gao)效、低(di)碳、高(gao)安全性能(neng)源系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)主要發展趨(qu)勢(shi)之一(yi)。但分(fen)布(bu)式能(neng)源系(xi)(xi)統(tong)(tong)相較于(yu)大電網(wang),具有(you)(you)負荷波動(dong)(dong)大、系(xi)(xi)統(tong)(tong)調節能(neng)力差、故障率高(gao)等缺點。壓縮(suo)空氣(qi)儲(chu)能(neng)可作為(wei)負荷平衡裝置(zhi)及備用電源,有(you)(you)效解決(jue)上述(shu)問題,提高(gao)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)供電可靠性、穩定性,并(bing)可實現黑啟動(dong)(dong)及孤網(wang)運行。由(you)于(yu)壓縮(suo)空氣(qi)儲(chu)能(neng)技術過(guo)程中產生熱量,可以和制(zhi)冷(leng)(leng)、制(zhi)熱系(xi)(xi)統(tong)(tong)相結合,實現分(fen)布(bu)式能(neng)源系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)熱電聯產,具有(you)(you)很好的(de)(de)(de)應用前景。


  電力系統調頻


  壓縮空氣(qi)儲能電(dian)(dian)(dian)站(zhan)可以和(he)其(qi)他如(ru)燃(ran)氣(qi)輪機電(dian)(dian)(dian)站(zhan)、火電(dian)(dian)(dian)站(zhan)或抽水蓄能電(dian)(dian)(dian)站(zhan)一樣(yang)起到電(dian)(dian)(dian)力系(xi)統(tong)調頻的(de)作用。當壓縮空氣(qi)儲能電(dian)(dian)(dian)站(zhan)與其(qi)他儲能技(ji)術如(ru)超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容、飛輪儲能、化(hua)學電(dian)(dian)(dian)池(chi)等(deng)相結合時(shi),調頻速度會更快更有效。


  其他應用


  壓縮空(kong)(kong)氣(qi)(qi)儲(chu)能在其他領域也(ye)有較廣泛的應(ying)用,可(ke)以為汽車(che)、高爾(er)夫球(qiu)車(che)等(deng)移動(dong)設(she)(she)備提(ti)供(gong)動(dong)力(li);也(ye)可(ke)以作(zuo)為不間(jian)斷電(dian)(dian)源(UPS),為數據(ju)機(ji)房(fang)、精密儀器(qi)制造(zao)、醫療設(she)(she)施、國(guo)防(fang)設(she)(she)施等(deng)關鍵部件提(ti)供(gong)保障(zhang)性電(dian)(dian)源;系統經膨脹機(ji)做功發電(dian)(dian)后釋放的空(kong)(kong)氣(qi)(qi)由于溫度低(di)且經過(guo)了凈(jing)化,還可(ke)用于空(kong)(kong)調系統為建筑提(ti)供(gong)新風和冷量。


  挑戰及機遇


  技術性能需要進一步提升


  雖然新型(xing)壓縮(suo)空(kong)氣儲能(neng)技(ji)(ji)術(shu)發展速度較快,但各項技(ji)(ji)術(shu)性能(neng)仍(reng)需進(jin)一步(bu)提升,尚不能(neng)完全(quan)滿足(zu)大規模推廣的(de)要求。目前,新型(xing)壓縮(suo)空(kong)氣儲能(neng)最高效率為(wei)60%左(zuo)右,距離高效電(dian)池儲能(neng)技(ji)(ji)術(shu)的(de)效率(80%以(yi)上)還有一定(ding)差距;其系(xi)統(tong)最大規模為(wei)10MW,尚未達到傳統(tong)壓縮(suo)空(kong)氣儲能(neng)百兆瓦規模;其系(xi)統(tong)單位成本約為(wei)6000~10000元/kW暨(ji)1500~2500元/kWh,仍(reng)有足(zu)夠(gou)的(de)下降空(kong)間。


  迫切需要開展大規模系統的技術攻關


  大規(gui)模化是(shi)壓縮(suo)空氣儲(chu)能(neng)(neng)技術(shu)的(de)(de)發展趨勢(shi),也(ye)是(shi)其(qi)降低成本和提升性能(neng)(neng)的(de)(de)主要(yao)途徑。現(xian)已實現(xian)應(ying)用的(de)(de)新型壓縮(suo)空氣儲(chu)能(neng)(neng)技術(shu)規(gui)模偏小(1-10MW),還不能(neng)(neng)滿足(zu)對儲(chu)能(neng)(neng)規(gui)模和經濟性的(de)(de)要(yao)求。因此,迫切(qie)需要(yao)啟動(dong)更大規(gui)模(100MW級(ji))的(de)(de)新型壓縮(suo)空氣儲(chu)能(neng)(neng)技術(shu)研(yan)發。


  研發力量尚顯不足


  由(you)于壓縮空氣儲能技(ji)術是(shi)一(yi)個多學科(ke)交叉的(de)(de)(de)系(xi)統工(gong)程且單臺機組規(gui)模大(da),其(qi)技(ji)術研發(fa)門(men)檻較(jiao)高,需(xu)(xu)要組建(jian)大(da)規(gui)模的(de)(de)(de)研發(fa)團隊和大(da)量的(de)(de)(de)資金投入,故(gu)目(mu)(mu)前從事該(gai)技(ji)術研發(fa)的(de)(de)(de)機構、團隊相對(dui)較(jiao)少;由(you)于系(xi)統內部件繁多,需(xu)(xu)要建(jian)設大(da)量的(de)(de)(de)部件及系(xi)統實驗平臺以完成關(guan)鍵技(ji)術攻關(guan),目(mu)(mu)前全球范(fan)圍已建(jian)成的(de)(de)(de)高水(shui)平研發(fa)平臺較(jiao)少,未給予足夠的(de)(de)(de)研發(fa)條件支撐(cheng)。


  示范和應用亟需加強


  新型壓縮空氣(qi)儲(chu)(chu)能(neng)技術(shu)的(de)示范(fan)系(xi)統(tong)數(shu)量少(shao),規模(mo)小(xiao),不能(neng)滿足技術(shu)發展的(de)示范(fan)需求,迫(po)切需要各國(guo)政府、企業(ye)加(jia)強政策引導、加(jia)大(da)資金支持。目(mu)前(qian)大(da)部(bu)分國(guo)家(jia)尚未形成系(xi)統(tong)的(de)電(dian)價補償和激(ji)勵政策,全球商(shang)業(ye)運行的(de)電(dian)站(zhan)較少(shao),一定程度上(shang)影響了壓縮空氣(qi)儲(chu)(chu)能(neng)技術(shu)的(de)推廣和應(ying)用。


  隨著各國電價(jia)政(zheng)(zheng)策的逐漸完善,大(da)規模(mo)壓縮(suo)空氣(qi)儲能示范項目(mu)的陸續(xu)建成,壓縮(suo)空氣(qi)儲能產(chan)業已(yi)經(jing)進入(ru)了發(fa)展(zhan)的快車道。相(xiang)信(xin)在(zai)良好(hao)的政(zheng)(zheng)策環(huan)境下(xia),在(zai)產(chan)業鏈上下(xia)游的大(da)力支持下(xia),在(zai)科研(yan)機構持續(xu)不斷的技術(shu)革新下(xia),壓縮(suo)空氣(qi)儲能技術(shu)一定會持續(xu)健康發(fa)展(zhan),快速實現大(da)規模(mo)應(ying)用。


  (該文研究獲得(de)了國(guo)(guo)家重點研發計(ji)(ji)劃(hua)(2017YFB0903602)、國(guo)(guo)家自然科學(xue)(xue)基金(51676181)、中國(guo)(guo)科學(xue)(xue)院前(qian)沿科學(xue)(xue)重點研究項(xiang)目(QYZDB-SSW-JSC023)、北京市(shi)科技計(ji)(ji)劃(hua)項(xiang)目(D161100004616001;D161100004616002)的資助。)

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