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壓縮空氣儲能發電應用及趨勢

發布日期:2018-01-10 作者: 點擊:


    壓縮空氣儲能作為一種理想的大規模儲能手段,提高了能量的綜合利用效率,在未來將具有廣闊的應用前景,為整個壓縮機行業帶來了一塊巨大而遙遠的蛋糕。


    一、大規模儲能的必要性


    眾所周知,隨著全球能源生產和消費的持續增長,化石能源日益枯竭,能源危機已成為世界范圍內面臨的共同難題,對人類的生存和發展構成了嚴重威脅。所以,各國都在積極研究和發展新能源技術,特別是太陽能、風能等可再生能源。由于風電、光伏等新能源發電具有波動性、不確定性,其大規模并網將對電網的安全和穩定運行帶來諸多挑戰。


壓縮空氣儲能.jpg



    壓縮空氣儲能(compressed air energy storage,CAES)對地理條件無特殊要求,建造成本和響應速度與抽水蓄能電站相當,使用壽命長,儲能容量大,是一種具有推廣應用前景的大規模儲能技術。


    二、壓縮空氣儲能基本原理


   壓縮空氣儲能系統可利用低谷電、棄風電、棄光電等對空氣進行壓縮,并將高壓空氣密封在地下鹽穴、地下礦洞、過期油氣井或新建儲氣室中,在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動透平機(氣輪機、渦輪機等)發電。按照運行原理,壓縮空氣儲能系統可以分為補燃式和非補燃式兩類。



壓縮空氣儲能系統.jpg



    儲能時,電機驅動壓縮機將空氣壓縮至高壓并存儲在儲氣室中;釋能時,儲氣室中的高壓空氣進入燃氣輪機,在燃燒室中與燃料混合燃燒,驅動燃氣輪機做功,從而帶動發電機對外輸出電能。補燃式CAES由于采用燃料補燃,存在污染排放問題,同時存在對天然氣等燃料的依賴。


    非補燃式CAES基于常規的補燃式CAES發展而來,通過采用回熱技術,將儲能時壓縮過程中所產生的壓縮熱收集并存儲,待系統釋能時加熱進入透平的高壓空氣。


    非補燃式CAES不僅消除了對燃料的依賴,實現了有害氣體零排放,同時還可以利用壓縮熱和透平的低溫排氣對外供暖和供冷,進而實現冷熱電三聯供,實現了能量的綜合利用,系統綜合效率較高。鑒于非補燃式CAES在環保、能量綜合利用等方面的優勢,目前已成為CAES的主流研究方向。


    三、壓縮空氣儲能的典型應用場景


    壓縮空氣儲能技術在電力系統中應用前景廣闊,典型應用場景包括如下幾個方面。


    1)削峰填谷。集中式的大型CAES電站的單機容量可達百兆瓦量級,發電時間可達數小時,可在電力系統負荷低谷時消納富余電力,在負荷高峰時向電網饋電,起到“削峰填谷”的作用,從而促進電力系統的經濟運行。


    2)消納新能源。分散式CAES電站的容量配置為幾兆瓦到幾十兆瓦,可與光伏電站、風電場、小水電站等配套建設,將間歇性的可再生能源儲存起來,在用電高峰期釋放,緩解當前的棄風、棄光和棄水困局。


    3)構建獨立電力系統。CAES還可用于沙漠、山區、海島等特殊場合的電力系統。該類地區對儲能系統的壽命、環保等方面有特殊需求。在此情況下,若配合風力發電、光伏發電、潮汐發電等清潔能源,結合非補燃CAES的冷熱電聯供特點,則有望構建低碳環保的冷熱電三聯供獨立電力系統。


    4)緊急備用電源。由于非補燃CAES技術不受外界電網、燃料供應等條件的限制,對于電網出現突發情況如冰災造成的斷網等,該技術的應用將能確保重要負荷單位如乐城娱乐官方网站機關、軍事設施、醫院等的正常運行。


    5)輔助功能。壓縮空氣儲能具有功率和電壓均可調節的同步發電系統,且響應迅速,其大量應用可以增加整個電力系統的旋轉備用和無功支撐能力,提高系統電能品質和安全穩定水平。


    四、國內技術創新研究進展情況


    近年來,在國家電網公司的資助下,清華大學作為項目負責單位聯合中科院理化所、中國電科院等單位開展了基于壓縮熱回饋的非補燃CAES研究,并于2014年底建成了世界第一個500kW非補燃CAES動態模擬系統(如圖3所示)并成功實現了儲能發電。



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    該系統基于多溫區高效回熱技術儲存壓縮熱并用其加熱透平進口高壓空氣,從而摒棄了歐美現有CAES商業電站天然氣補燃的技術路線,實現儲能發電全過程的高效轉換和零排放。為了進一步提升系統儲能效率、降低系統建設成本,使CAES滿足不同應用場景的需求。近年來,清華大學在TICC-500的基礎上,進一步開展了基于鹽穴儲氣和壓力容器儲氣的CAES電站工程設計研究、微型CAES系統研制、太陽能光熱復合利用的非補燃CAES研究等工作,以期不斷推動CAES技術的發展和工程應用。


    壓縮子系統的作用是利用電能將空氣壓縮至高壓,同時在壓縮過程中產生高溫的壓縮熱。其主要由壓縮機本體、附屬裝置等組成。通過壓縮子系統,可以將電能轉換為高壓空氣的分子內勢能和儲熱介質的熱能,進而完成電能的轉換。作為儲能過程中的核心部件,壓縮機具有流量大、壓比高、背壓變化大等特點。在TICC-500項目中,研發了基于雙作用活塞和自卸荷技術的非穩態壓縮系統,可以實現儲能過程中的壓縮機的高效運行。


    五、未來前景展望


   非補燃壓縮空氣儲能具有容量大、效率高、成本低、壽命長的特點,系統運行過程中零碳排放,可以顯著減少大規模棄風棄光,提升新能源消納能力;其與供熱供冷相結合可形成“冷-熱-電”三聯供系統,構成高效的儲能系統;同時可為實現智能微電網和智能微電網群優化運行提供強大靈活的調節能力和手段。此外,非補燃壓縮空氣儲能作為一種理想的大規模儲能手段,實現了儲能過程中的發電、供冷、供熱相耦合,進而將智能微電網提升至智能微能源網的層次,提高了能量的綜合利用效率,在未來將具有廣闊的應用前景。


    從環境保護與效率角度考,如果將來大規模采用非補燃壓縮空氣儲能及應用發電的話,對于壓縮機行業來說,就又多了一個巨大的市場方向。只是誰能拿下這塊巨大的蛋糕,現在還未可知。


六、山東中信能源壓縮空氣儲能發電項目案例


   



青海大學空氣壓縮儲能系統初期設計為空氣壓縮儲能系統與太陽能高溫集熱系統耦合系統,太陽能高溫集熱系統為空氣壓縮儲能系統提供空氣加熱增焓時的高溫熱源,發電效率較非補燃式非絕熱式壓縮空氣儲能系統提升20%左右;二期系統設計建設為以空氣壓縮儲能系統為核心的微能源網系統:整個系統以壓縮空氣儲能系統為核心,整合了太陽能光伏發電系統、塔式太陽能集熱系統、槽式太陽能集熱系統,實現了終端的供電、供熱與制冷應用。該項目主要由清華大學主持設計,整個微能源網項目(包含一期、二期)由我方承建。


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    該項目主要是利用太陽能高溫集熱技術和低谷電力進行熱能存儲并發電,是實現智能互聯電網“削峰平谷”的核心技術。

    其原理是采用太陽能高溫集熱器提供熱能,將傳熱介質加熱至200℃-350℃,然后與空氣進行換熱,換熱后的空氣經壓縮機壓縮后進行高壓存儲。在用電高峰時,高壓空氣推動透平發電機做功發電。

    清華大學研發設計,中信能源承建的太陽能壓縮空氣儲能發電項目,是國內首次將太陽能高溫集熱技術用于壓縮空氣儲能發電,并成功應用。為今后智能互聯電網的建設將起到積極地推動作用。





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