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压缩空气储能是最具发展潜力储能技术之一

作者:中国储能网 来源:中国储能网 时间:2016-09-23 11:02:49

近代经济的快速发展,得益于化石能源如石油、天然气、煤炭等的广泛使用。然而据科学推算,化石能源将在21世纪上半叶迅速接近枯竭:石油储量将在2050年左右耗尽,天然气最多还可以用65年,煤的储量多些,但最多也就再供应不足200年。化石能源的短缺和供给的中断,必将深刻影响经济的发展,影响世界局势。事实上近10多年来,世界许多地区的冲突和战争都是因争夺能源而引发的。

中国储能网讯:近 代经济的快速发展,得益于化石能源如石油、天然气、煤炭等的广泛使用。然而据科学推算,化石能源将在21世纪上半叶迅速接近枯竭:石油储量将在2050年 左右耗尽,天然气最多还可以用65年,煤的储量多些,但最多也就再供应不足200年。化石能源的短缺和供给的中断,必将深刻影响经济的发展,影响世界局 势。事实上近10多年来,世界许多地区的冲突和战争都是因争夺能源而引发的。

为 了有效应对化石能源耗尽所带来的能源危机,许多国家都在寻求化石能源的替代品,如风能、核能、太阳能以及生物燃料等。然而,不论是不可再生的还是可再生的 能源,很大一部分都必须转化为电能加以利用。因此从历史发展的趋势来看,特别是随着化石能源的耗尽,未来能源最主要的形式将是电能。

然 而电能却有一个非常不利的缺点:不便储存。在整个电网内,用户消耗的电能任何时候都等于电网内发电厂在同一时刻生产的电能,发电厂的发电量要随用户用电量 的变化而变化。由于用户在用电高峰与用电低谷间的用电需求差别很大,往往会导致发电厂生产的电能,在用电高峰时不能满足用户的需求,而在用电低谷时大量的 富裕电量又不能得到有效利用。以上海近几年的统计数据为例,为解决全市每年约200小时的高峰用电负荷,仅对电网一项的投资每年就超过200亿元之多,而 为此形成的输配电能力的年平均利用率却不到2%,造成了很大的浪费。如果能建立起大容量的电力储能装置,将对电能的合理利用起到“削峰填谷”的作用。通过 储存电网夜间用电低谷时充足的富余电能,然后到白天用电高峰时反馈输出进行平抑,这样可以大大提高发电设备的利用效率,并节约巨额投资。

储能

正 是由于电力储能装置对提高能源利用率有着重要的意义,因此发达国家早就开始了针对储能技术的研究。目前,世界上的储能技术归纳起来主要有物理储能(如抽水 蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池等)和电磁储能(如超导储能、超级电容储能等)这三大类。由于化 学储能存在成本高、容量小、且对环境有污染等问题,目前尚不适宜开展大规模的工业化应用;而电磁储能开展研究的时间还不长,技术还不够成熟。因此,物理储 能作为一种相对成熟也是实际应用较早的储能方式,在工业应用领域占主导地位。

在 各种物理储能技术中,抽水蓄能在规模上最大(可达上千兆瓦)、技术上也最成熟,但是它对地势有着特殊的要求:最好是在面积较小的范围内有着较大的水位高度 落差。抽水蓄能对地理条件要求苛刻,并且对水源、道路交通都有特定的要求,如果不能利用已有的自然条件加以改造,完全通过人工兴建将得不偿失。

一 个典型的抽水蓄能电站占地上千亩,需要修建上下两个水库以及包括引水管、导流管、引水渠、盘山公路等在内的配套设施,还会面临泥石流、山体滑坡、坝体开 裂、管道破损等潜在的安全风险。即使在正常的使用过程中,也会面临着水源的蒸发与流失,如果没有合适的天然水源作为补充,将为此支付不菲的水资源成本。再 加上水的粘度大,泵水所需耗费的功率高,因此抽水蓄

能电站的能量转换效率一般也就在70%左右。然而,尽管抽水蓄能存在着如此多的局限性,但其仍然凭借技术上的成熟性在全球范围内得到了广泛应用。

除 了抽水蓄能外,能够实现大规模工业应用的储能方式就是压缩空气储能(单机规模在百兆瓦级别)。压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将富余电能用于驱动空气压 缩机压缩空气,将空气高压密封在山洞、报废矿井、过期油气井、沉降的海底储气罐或地面储气罐中,在电网负荷高峰期释放压缩空气推动燃汽轮机发电的储能方 式。1949年,压缩空气储能的第一个专利在美国问世;1978年,第一台商业运行的压缩空气储能机组在德国诞生。目前国际上已有两座长时间运行的压缩空 气储能电站,分别位于德国和美国。由于具有效率高、寿命长、响应速度快等特点,压缩空气储能是目前最具发展潜力的储能技术之一。

压缩空气储能

压缩空气储能的两大优势使其能够成为一种重要的储能手段。首先,压缩空气储能在装机容量上可达上百兆瓦,规模仅次于抽水蓄能,便于开展大规模的商业化应用;其次,压缩空气储能在技术上较为成熟,并且其技术发展前景也较为广阔。

压 缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术,其原理是将燃气轮机的压缩机和透平分开。在储能时,用电能驱动压缩机将空气压缩并存于储气容器内;在释能时,高 压空气从储气室释放,进入燃烧室助燃,燃气膨胀驱动涡轮做功发电。压缩空气储能的能源转化效率较高,一般在75%左右,其中德国一座装机容量为29万千瓦 的压缩空气储

能电站,其能源转化效率高达77%,如果再采用一些先进的技术(如超导热管技术等),其效率能进一步提升到80%以上。

由 于技术成熟、规模较大,压缩空气储能的成本较低。以兴建一座200万千瓦的电站为例,如果采用抽水蓄能的方式,其投资额约为70到100亿元人民币,而如 果采用压缩空气储能的方式,其投资额仅为50~60亿元人民币。即使与其他形式的储能电站相比,压缩空气储能仍然是成本最低的一种储能方式。同时压缩空气 储能电站的建设周期也较短,一般仅需3到5年的时间,而建设一座同样规格的抽水蓄能电站则需要5到8年。如果在使用的过程中注意维护,压缩空气储能电站的 寿命也可达四五十年,接近抽水蓄能的50年,是寿命最长的一种储能方式。

除 了自身的能源转化效率较高、建设成本低之外,压缩空气储能电站的经济效益也十分明显。一方面,通过压缩空气储能电站的峰谷调节功能来满足用电高峰时的需 求,可避免兴建火力发电站带来的投资与浪费(这种火电站仅在用电高峰时开机而平时都处在停机状态)。另一方面,以我国各地现有的“峰谷电价”来看,平均起 来峰期电价是谷期电价的2到3倍。因此,如果在用电谷期将富余的电能通过压缩空气储能的方式收集起来,在用电峰期的时候再释放出去,即使其效率仅按75% 来计算,相对于谷期电价来说仍有50%~100%的收益率。

压缩空气储能的应用

除了将富余的电能储存再利用,实现常规的“削峰平谷”之外,压缩空气储能技术还特别适用于解决风力发电和

太 阳能发电的随机性、间隙性和波动性等问题,可以实现其发电的平滑输出。经测算,如果风力发电装机占电网容量比例达20%以上时,则电网的调峰能力和安全运 行将面临巨大的挑战。压缩空气储能尤其适用于大规模风场,因为两者有着天然的结合优势:风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转,减少了中间转换成电的环 节,从而提高效率,而且存储的能量经过再次发电可以达到稳定的输出,从而为风能的大规模并网发电找到了另一条途径。

而随着压缩空气储能技术的不断发展,其应用领域也在不断的扩展,特别是伴随着压缩空气储能装置的小型化,其在城市内的应用前景也不断扩大。

首 先,压缩空气储能装置可以作为楼宇大厦的应急电源。传统的应急电源一般是采用柴油发电机或蓄电池的方式。前者需要一定的启动时间,且设备容易老化损坏、可 维护性差;而后者的容量有限,无法实现长时间的供电。随着压缩空气储能装置的小型化发展,使其作为应急电源成为了一种可能。相对于前两者,压缩空气储能装 置的启动时间短、能量密度高,能够快速持续的供电,是一种非常有效的应急电源。而且其寿命长、维护方便,只需定期检测压缩空气量是否能够满足要求,在压缩 空气量有所不足的时候,利用电网低谷时期的电力驱动空气压缩机适当进行补充即可。

其次,随着技术的发展,单个压缩空气储能装置的容量进一步扩大,其作为分布式电源的前景也更加明朗。并且由于空气在压缩与膨胀的过程中总是分别伴随着热量的释放与吸收,因此未来的建筑中可以通过一个压缩空气储能装置来同时实现供电和温度调节的功能,

从另一个渠道来实现零排放的绿色建筑。

除 了在电厂和建筑物上的应用之外,目前,国外已经开始探索基于压缩空气储能的混合动力车的研制,这种混合动力车不需要蓄电池或电动机,而是通过发动机活塞压 缩空气来储存能量。在短距离或低速情况下,仅通过压缩空气来驱动汽车,当车速提高后,通过调整发动机的负荷(要么通过活塞压缩空气来增加负荷,要么用压缩 空气驱动活塞来减小负荷)使其在最佳效率的状态下运转。实验的结果表明,这种基于压缩空气储能的混合动力车与当今的油电混合动力车节省的燃料相当,但成本 却比后者低得多。另据报道,也有国外的研究机构开展了直接用储存起来的压缩空气驱动膨胀机做功作为汽车动力的试验,目前已经达到时速50公里,可行驶90 公里的效果。

结束语

压缩空气储能具有广阔的市场前景和社会效益,然而直到最近两三年它才在我国成为研究和开发的热点。虽然国内的有关高校和研究院所也已开展了相关方面的研究工作,但主要还是集中在理论研究和小型实验层面。

空气,与我们航空人有着不解之缘;燃气轮机,也是航空发动机衍生发展的重要领域。压缩空气储能与航空工业的技术同源、产品相关,航空工业完全可以开展相关技术的研究与工程应用探索,在压缩空气储能技术领域书写出航空人的浓墨重彩。

(作者系中航工业经济技术研究院院长)

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