压缩空气储能技术发展现状与应用前景

2018-01-29

0 引言

大规模开发可再生能源已成为全球范围的重要能源战略之一。较之常规能源,可再生能源的污染少、储量大,但其空间上的分散、时间上的不可控等局限对现有电力系统的运行安全和稳定构成了巨大挑战。传统电网的调度和控制模式已无法满足大规模的新能源开发与利用。如何高效、安全、经济地消纳并利用新能源是一个全球性技术难题。储能技术具有对功率和能量的时间迁移能力,应用于电力系统,将打破电能生产、输送与消费必须同步完成的传统模式。

历经二十多年的发展,储能技术的种类和性能也随着研究深入而越发成熟、多样化。依照介质的不同,储能技术可分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。每类储能技术各有其优缺点、运行特性和应用领域。各类储能技术特性对比见表1

现阶段已商业化或达到示范应用水平的电力储能技术中,适用于大规模储能的系统仅抽水储能和压缩空气储能。前者已获广泛应用,但受限于严格的地理地质条件和对环境的影响评价,进一步创新与研究颇有难度。

压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)装机容量仅次于抽水储能,运行维护方便、响应快、环境友好、综合效率高,是解决诸多问题的极佳选择。

本文主要介绍CAES 的基本原理、运行特性和系统分类,对国内外较成熟的系统进行分析与对比,概述了国内外学者与机构在过去近十年的一些研究工作,最后对CAES 未来可能遇到的挑战与发展前景进行了展望。

1 CAES 技术

1.1 CAES 的起源

1940 年之前,压缩空气已广泛使用于制造业,但其用途主要局限于能量载体或者流动载体。无论哪种用途,压缩空气均是通过消耗电能获得并在当地直接使用。以德国为例,目前每年要消耗16 TWh的电能来生产工业用压缩空气,在德国总电能消耗中占比达到了2.5%,但压缩空气从未被确立为一种适用于公用事业能源供应的媒介。与电、气、热这三种能源相比,压缩空气的劣势在于能量密度低、运输损失大。到1960 年,随着以核能为燃料的基荷发电技术引进,为节约能源,一个经济性的想法诞生了,即在基荷发电时将富裕的廉价电能转移到用电高峰时使用。实现这一想法的最初途径是建立抽水储能电站,然而依赖地形条件的抽水储能不适用于多山脉地区。1969 年,对储能大容量的渴求最终促使德国在北部山区开始建立世界上第一个CAES 电站,即Huntorf 电站。这片地域有着合适的地质构造和巨大的储气盐洞等天然优势。Huntorf1978 年投入运行后至今状况良好,它在技术上的种种突破与成就至今仍深远地影响着后继的压缩空气储能电站。

1.2 CAES 的基本原理

CAES 是指利用低谷电、弃风电、弃光电等电能将空气压缩,并将高压空气密封在地下盐穴、地下矿洞、油气井或高压容器中,在电网负荷高峰期释放压缩空气推动透平发电的储能方式。图1 为传统CAES 系统的原理。

它是基于燃气轮机技术提出的一种能量存储系统,但与燃气轮机工作原理明显不同的是压缩空气储能系统的压缩机和透平不同时工作。在储能时,压缩空气储能系统耗用电能将空气压缩并存于储气室中;在释能时,高压空气从储气室释放,进入燃气轮机中的燃烧室同燃料一起燃烧后,驱动透平发电。传统压缩空气储能系统一般包括6 个主要部件:

(1)压缩机,一般为多级压缩机带中间冷却装置;

(2)透平,为多级透平膨胀机带级间再热设备;

(3)燃烧室及换热器,用于燃料燃烧和回收余热等;

(4)储气装置,地下或者地上洞穴或压力容器;

(5)电动机/发电机,通过离合器分别和压缩机以及透平联接;

(6)控制系统和辅助设备,包括控制系统、燃料罐、机械传动系统、管路和配件等。其中压缩机和透平是CAES 的核心部件,其性能对整个系统效率有着决定性的影响。

一般来说,CAES 的工作寿命在3040 年之间,具体取决于电站建设的机械水平。

1.3 CAES 的分类

20 世纪40 年代起,开展了大量的关于压缩空气储能技术的研究,压缩空气储能技术的类别也被细化出了多个方面。下面介绍两种主流分类方式。

1.3.1 按容量分类

根据CAES 存储容量大小将系统分为大型、小型和微型三种类型, 其单台机组规模分别为100MW 级,10 MW 级和10 kW 级。

(1)大型CAES,单机容量为100 MW;通常应用在CAES 电站中,主要部件包括压缩机、透平、燃烧室、储气室、电动机/发电机以及控制系统及辅助设备。大型CAES 的储气室容量及成本优势明显,主要包括天然的盐穴洞、硬岩层结构的矿井或洞穴、地下含水层、废弃的天然气储气室或者石油储气室等地下储气装置。

(2)小型CAES,单机容量为10 MW;其组成与大型CAES 类似。小型CAES 利用地面上的高压储气罐存储高压空气,突破了大型CAES 的选址限制,布局灵活性更强,可适应各种环境。小型CAES 可用作无间断电源或电力需求侧管理等,还可与新能源耦合。

(3)微型CAES,单机容量为10 kW;与小型CAES 相似,容量和体积更小。微型CAES 通常应用到特殊领域,例如控制、通信和军事领域等,作为备用电源,或应用于偏远孤立地区的微小型电网、以及压缩空气汽车动力等。

1.3.2 按热源分类

根据储气室出口处热源情况进行分类,可分为以燃料为热源的系统(diabatic compressed air energystorage D-CAES) 带储热的系统(adiabaticcompressed air energy storageA-CAES),以及无热源的系统(isothermal diabatic compressed air energystorageI-CAES)

1.3.2.1 D-CAES

D-CAES 也即传统压缩空气储能系统中,压缩空气与燃料混合燃烧,产生的高温高压燃气驱动膨胀机做功发电。作为最初的压缩空气储能技术,D-CAES 在技术和管理上已相当成熟,但D-CAES对天然气具有极强的依赖性,碳排放量高,同时在压缩过程中空气压缩热的排放也严重制约着储能效率。

德国Huntorf 压缩空气储能电站是典型的传统CAES,燃烧废气直接排向大气,废气仍然具有较高的温度,造成了热能的浪费。美国阿拉巴马州的McIntosh 压缩空气储能电站保持Huntorf 基本系统结构,并引入了回热器回收废气中的热能,对存储的压缩空气在进入燃烧室之前的压缩空气进行加热,从而提高了系统能效。两个电站的系统原理如图2 和图3 所示。

1.3.2.2 A-CAES

A-CAES 通过添加蓄热装置有效存储压缩热,无需其他的热源。圧缩热没有损失,而是最大限度地将其用作压缩空气回热,提高透平机做功的效率,通过绝热压缩、高温回热,实现了系统循环过程的能量平衡,无需外部燃料补燃。不过,为了保证系统有较高的存储温度,整个系统核心部件(如透平机械、储热器、换热器等)的设计难度和操作要求提高,系统成本也大幅增加。蓄热介质是A-CAES要重点突破的技术瓶颈。图4 A-CAES 基本原理图,压缩机和透平均可为多级压缩和膨胀。

1.3.2.3 I-CAES

等温压缩空气储能I-CAES 是指空气在压缩和膨胀的过程无限接近于等温过程,压缩热最小化甚至为零。由热力学理论可知:等温压缩过程消耗的压缩功最少,等温膨胀过程产生的膨胀功最多。满足等温压缩和等温膨胀的条件是压缩空气储能系统必须具备良好的热交换能力。在传统的活塞式压缩机中,由于活塞的高速往复运动,空气压缩产生的热量来不及通过缸壁向环境散热,因此近似为绝热过程。为了提高热效率,对压缩比较高的压缩机,有效换热是实现等温过程的关键,需要采用多级压缩缸的结构。目前实现等温压缩/膨胀的主要手段有两种:喷淋与液体活塞。图5 和图6 是两种结构的系统原理图。

喷淋式压缩空气储能的设计核心理念是用水雾吸收/释放热量。如图5 所示,在其缸盖上设有喷淋头,在压缩过程时,由喷淋头喷出的低温水雾对压缩空气进行充分冷却;在膨胀过程时,由喷淋头喷出的高温水雾对压缩空气进行充分加热,从而保证实现等温压缩和等温膨胀。水循环是由水泵完成的,其泵出的水通过外置蓄热装置进行热交换。

液体活塞式压缩空气储能的设计核心理念是以液柱代替刚性活塞。如图所示,储能过程中,电动机带动液压泵工作,将右侧活塞中的液体抽入储液()罐中,压缩储液()罐中的气体同时吸收压缩热量。此过程将电能转化为机械能,最终转化为空气势能。释能过程中,启动换向阀将左侧活塞液体导入右侧后释放压缩空气,经吸热膨胀驱动液压马达工作,带动同轴的发电机转动发电。此过程是储能过程的逆过程,将空气势能转化为机械能,最终转化为电能供用户使用。为了增大压缩空气与液体的换热面积,液体活塞缸中可能会填满内径很小的金属管,或者填满金属丝棉。

两种系统都存在同一问题,在压缩过程中,部分空气溶解于水中而没有存储到储气罐,造成了部分能量损失。在膨胀过程中,则有溶解于水中的部分空气会析出。

不同设计概念所带来系统参数的差别,使得这些CAES 系统在循环效率、能源密度、启动时间等指标上表现各异,见表2

2 CAES 的发展现状

2.1 现有示范电站及其现状

1949 年德国首次提出CAES 概念以来,目前世界上共有两座投入商业运营的大型CAES 电站,分别为德国Huntorf 电站和美国McIntosh 电站,目前均运行良好。鉴于上文已有介绍,不再赘言。此外,国内外也陆续发展和建立了许多创新性示范系统。

德国Huntorf 电站属于第一代CAES 系统。美国McIntosh 电站和日本上砂川町项目等添加回热装置来减少燃料供应与尾气排放的CAES 系统则属于第二代CAES 系统。第一代和第二代都属于传统压缩空气储能技术。以下则是针对为了摆脱常规压缩空气储能系统对大型储气装置以及化石燃料的依赖而研发的无燃气、无尾气的各种第三代CAES系统的介绍。

2010 年,德国莱茵集团、德国宇航中心和德国旭普林公司等共同启动了名为ADELE 的非补燃式先进绝热CAES 系统(advanced adiabatic compressedair energy storageAACAES)研究。根据其设计方案,系统采用绝热压缩技术,通过高温蓄热装置回收压缩热用于加热透平进口空气,提高气体的做功能力。但由于高温压缩机、高温蓄热装置具有一定的技术难度,目前该项目进展缓慢。

美国公司SustainX 2013 年完成了全球首个兆瓦级等温压缩空气储能系统并开始启用。该技术采用喷水雾的办法吸收压缩过程中产生的热量,以热水的形式被储存,在膨胀过程中回喷进入气缸。该专利技术通过改变气缸内的温度、压力等条件,使得空气在整个过程中几乎保持恒温。系统的使用期限为20 年,几乎全部由钢、水和空气组成。

近年来,我国也开始关注压缩空气储能技术,并取得了重大的进展和突破。目前国内还没有压缩空气储能电网的商业应用,但是已经建立了一些示范项目并成功地运作,大规模的商业化推广正在有条不紊地进展中。

中国科学院工程热物理研究在2009 年所提出超临界CAES 技术,综合了常规压缩空气储能和液化空气储能技术。系统采用高压蓄冷蓄热装置实现压缩热和低温冷能的回收与再利用,储能时,空气被压缩机压缩到超临界状态,在释放并存储压缩热后利用存储的冷能和节流阀膨胀机将其冷却液化,储于低温储罐中;释能时,液态空气加压至超临界压力并将其冷量储存在蓄冷回热器中,进一步吸收储存的压缩热后进入透平膨胀做功。储热过程与储热性能的关键参数,传热流体与储热介质之间的相间传热系数成为整个蓄冷蓄热装置设计研发过程的重点。依托于该项技术,压缩空气储能装置从kW级一直做到了现在的1.5MW

2012 7 月,国家电网公司设立重大科技专项,由清华大学牵头,联合中国电力科学研究院、中国科学院理化技术研究所首期建设500 kW 非补燃式压缩空气储能示范系统。该系统基于多温区高效回热技术储存压缩热并用其加热透平进口高压空气,实现储能发电全过程的高效转换和零排放。该系统的关键设备均为常规成熟的工业产品,具有技术可靠、成本较低、使用寿命长等优点。下一步团队将不断提升非补燃式压缩空气储能发电效率,并参与建设可平抑大型风电场和光伏电站间歇式发电的百兆瓦级大型压缩空气储能发电系统。

2016 年国家电网公司研究了压缩空气储能示范工程实施方案,明确了建设规模、组织形式等。工程将依托张北风光储输二期工程建设,通过能量型规模化储能技术,提高新能源消纳水平,发挥风光储输工程的示范作用。张北的示范项目建成后,将成为世界上储能容量最大的压缩空气储能系统。系统能量密度可达约100 Wh/L,是传统压缩空气储能系统能量密度的20 倍以上。

随着技术的进步以及电网对大规模储能需求的日益迫切,再加上压缩空气储能电站的建设成本及发电成本均低于抽水蓄能电站,预计它的应用规模将很快超过抽水蓄能电站。

一些典型CAES 系统的技术参数情况见表3

2.2 国内外研究现状及动态

除了对CAES 的全系统研究,其他相关探索也从未间断,一直有新的科研成果出现。

在对压缩空气储能技术的系统组件以及储能效率的研究方面。

Penberton D 等设计了地上储气装置,可以承受8.3 MPa 以上的压力,可满足小型CAES 系统对储气设备的要求。Pimm 等设计了能够吸附于海底的编织容器,将它放置在水下一定深度,作为水下压缩空气储能系统的定压储气室。

Pickard 等对AA-CAES 进行了?分析,评估了系统的循环效率。结论是这种系统在技术上可行,并且效率达到50%甚至更多。

在对压缩空气储能技术的仿真模型研究方面。褚晓广等对基于涡旋机的CAES 系统进行了动态仿真,仿真结果表明涡旋压缩机腔室间压差小,泄漏损耗小,全效率高,适合在CAES 系统中应用。Kushinir 等基于数学模型研究了地下CAES 系统的热力学特性,并且通过系统的充放电周期验证模型的准确性。实验数据表明,洞穴壁的热交换对气室储能密度影响显著。

在对压缩空气储能的控制策略方面。Saadat 等设计了一个非线性控制器,并且观察到在他们提出的的CAES 系统中,该控制器能与储能子系统的结构相互配合,满足不同子系统的物理需求。

Latha 等研究了电力系统的多种操作工况,讨论了用电高峰期使用CAES 系统带来的情况改善;还研发了一种能够适应不同载荷需求的空气流量调节器,从而达到了维持微电网稳定性的目的。

在对压缩空气储能的经济性分析方面。刘文毅等对微型CAES 的容量效益、环保效益和能量转化效益等静态效益进行了建模评估,以装机容量为800 kW 的分布式微型系统为例,计算得出总静态效益为679.53 万元/a,静态效益明显。

Safaei 等评估了管道长度对D-CAES 经济性的影响,位于压缩机与储气室的管长决定了管道耗材成本以及使用的天然气种类。最后得到的结论是,建设结构更为紧凑的D-CAES要比传统压缩空气储能系统消耗的管道更少,因而也更为经济。

3 CAES 的挑战与前景展望

CAES 的综合效益高,应用范围广泛,研究性强,优势明显。在过去的几十年中,CAES 的推广应用程度却一直略低于抽水储能系统,这是因为它在技术、经济、政策等方面还存在亟待解决的限制与障碍。

(1)技术挑战。CAES 技术成熟度还有待提高,特别是关键材料、核心技术。目前还缺少高效CAES系统所应具备的机械设备,尤其是高温绝热部分。另外,探究地下CAS 时所必须面对的地理条件限制与环境的不确定性,建设与维护合适的地下储气室,也是一大技术阻碍。

(2)经济挑战。与关键技术、能源效率以及应用场合密切联系的建设和维护成本将成为各种CAES发展程度的重点考量因素。此外,发电厂常规设备组合发电与大量光伏并网在一定程度上缩小了降低了电量峰谷差,从而降低了发电与储能相结合的电厂经济效益,尤其是以CAES 为首的负荷平衡储能技术。

(3)市场挑战。储能技术的发展离不开高效的市场机制。CAES 要想在智能电网和能源互联网中推广应用,就需要适当的激励、合理的策与法规还有完善的市场交易机制。能源定价机制和政策是支持能源产业可持续发展的重要因素。

尽管存在挑战,CAES 仍然以蓬勃的生命力持续发展,并得到国内外学者以及政府的高度重视。CAES 逐渐成为国家能源利用及环保领域的研发热点,被认为是最有发展前景的大规模电力储能技术之一。今年5 月份,国家发展改革委、国家能源局印发了《能源技术革命创新行动计划(20162030)》,其中,储能技术作为能源互联网和可再生能源产业发展的关键技术被列为中国未来15 年的关键创新任务之一。

CAES 技术最初主要用于电网的调峰和调频,但是随着该技术的发展,未来大规模电力电网系统、微能源网、可再生能源、分布式能源、UPS 电源等领域中都将出现CAES 的身影。未来一段时间内,CAES 的应用与研究将集中在以下几个方向。

(1)发展中小型CAES 系统。新近的经济型CAES 电厂规模将比以往的已建成电厂要小,这得益于I-CAES 技术的快速发展。目前,模块化的试验电厂正在运作之中,功率高达数兆瓦。中小型建设规模更容易克服技术发展过程中的经济障碍,投资成本小且市场回报率高。

(2)CAES 与可再生能源发电并网。CAES 系统在未来会与更多的新能源相结合,以改善新能源的运行状况,缓解新能源接入与传统电网之间的矛盾。CAES 系统与其他能源系统的耦合方式也将成为关于CAES 系统的研究热点之一。

(3)CAES 与分布式能源耦合。CAES 与其他系统联合循环以及热、电、冷多联供等方式都可以大幅度提高能源利用效率,解决发电侧供应单一()与用户侧需求多样(电、冷、热)的矛盾,是未来研究的发展趋势。

(4)优化配合。CAES 系统元件多,配合复杂。未来的工作中,各部件的最优配合,提高系统效率显得尤为重要。新型工作模式设计中,更需要将优化配合摆在首位。

虽然目前投运的压缩空气储能电站只有两座,但全球处于规划、建设阶段的压缩空气储能项目的累计装机量约为3.6 GW,投运后,压缩空气储能的装机量将大幅增加;另外新型压缩空气储能技术的日臻完善和产业化也将逐步突破地质条件对压缩空气技术发展的限制,推动压缩空气储能的应用;风电等可再生能源的快速增长也将给适合应用于大规模风场的压缩空气储能技术带来更多的机会。

4 结语

CAES 是一种有助于电力系统升级、能源结构优化以及电能生产消费变革的重要支撑性技术。针对这项具有巨大潜力的电力储能技术,本文主要通过对CAES 的综述,介绍了CAES 的概念起源、系统原理、一般性分类等基本情况,并且在对国内外最新发展状况及其研究进展的分析上,指出了CAES 面临的现实挑战,如何突破相关技术瓶颈将成为CAES 近期的研究重点,同时展望了CAES 在未来电网中的应用前景。希望政府、工业、学者与研究机构通力合作,通过进一步研究和示范工程使其尽早、及时地得到推广与应用。

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