壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電應(yīng)用及趨勢(shì)

    壓縮空氣儲(chǔ)能作為一種理想的大規(guī)模儲(chǔ)能手段，提高了能量的綜合利用效率，在未來(lái)將具有廣闊的應(yīng)用前景，為整個(gè)壓縮機(jī)行業(yè)帶來(lái)了一塊巨大而遙遠(yuǎn)的蛋糕。

    一、大規(guī)模儲(chǔ)能的必要性

    眾所周知，隨著全球能源生產(chǎn)和消費(fèi)的持續(xù)增長(zhǎng)，化石能源日益枯竭，能源危機(jī)已成為世界范圍內(nèi)面臨的共同難題，對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。所以，各國(guó)都在積極研究和發(fā)展新能源技術(shù)，特別是太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源。由于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電具有波動(dòng)性、不確定性，其大規(guī)模并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。

    壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)對(duì)地理?xiàng)l件無(wú)特殊要求，建造成本和響應(yīng)速度與抽水蓄能電站相當(dāng)，使用壽命長(zhǎng)，儲(chǔ)能容量大，是一種具有推廣應(yīng)用前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。

    二、壓縮空氣儲(chǔ)能基本原理

   壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可利用低谷電、棄風(fēng)電、棄光電等對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，并將高壓空氣密封在地下鹽穴、地下礦洞、過(guò)期油氣井或新建儲(chǔ)氣室中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)透平機(jī)（氣輪機(jī)、渦輪機(jī)等）發(fā)電。按照運(yùn)行原理，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩類。

    儲(chǔ)能時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮至高壓并存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣室中；釋能時(shí)，儲(chǔ)氣室中的高壓空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，在燃燒室中與燃料混合燃燒，驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能。補(bǔ)燃式CAES由于采用燃料補(bǔ)燃，存在污染排放問(wèn)題，同時(shí)存在對(duì)天然氣等燃料的依賴。

    非補(bǔ)燃式CAES基于常規(guī)的補(bǔ)燃式CAES發(fā)展而來(lái)，通過(guò)采用回?zé)峒夹g(shù)，將儲(chǔ)能時(shí)壓縮過(guò)程中所產(chǎn)生的壓縮熱收集并存儲(chǔ)，待系統(tǒng)釋能時(shí)加熱進(jìn)入透平的高壓空氣。

    非補(bǔ)燃式CAES不僅消除了對(duì)燃料的依賴，實(shí)現(xiàn)了有害氣體零排放，同時(shí)還可以利用壓縮熱和透平的低溫排氣對(duì)外供暖和供冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，實(shí)現(xiàn)了能量的綜合利用，系統(tǒng)綜合效率較高。鑒于非補(bǔ)燃式CAES在環(huán)保、能量綜合利用等方面的優(yōu)勢(shì)，目前已成為CAES的主流研究方向。

    三、壓縮空氣儲(chǔ)能的典型應(yīng)用場(chǎng)景

    壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括如下幾個(gè)方面。

    1）削峰填谷。集中式的大型CAES電站的單機(jī)容量可達(dá)百兆瓦量級(jí)，發(fā)電時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，可在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)消納富余電力，在負(fù)荷高峰時(shí)向電網(wǎng)饋電，起到“削峰填谷”的作用，從而促進(jìn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(fēng)電場(chǎng)、小水電站等配套建設(shè)，將間歇性的可再生能源儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰期釋放，緩解當(dāng)前的棄風(fēng)、棄光和棄水困局。

    3）構(gòu)建獨(dú)立電力系統(tǒng)。CAES還可用于沙漠、山區(qū)、海島等特殊場(chǎng)合的電力系統(tǒng)。該類地區(qū)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命、環(huán)保等方面有特殊需求。在此情況下，若配合風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等清潔能源，結(jié)合非補(bǔ)燃CAES的冷熱電聯(lián)供特點(diǎn)，則有望構(gòu)建低碳環(huán)保的冷熱電三聯(lián)供獨(dú)立電力系統(tǒng)。

    4）緊急備用電源。由于非補(bǔ)燃CAES技術(shù)不受外界電網(wǎng)、燃料供應(yīng)等條件的限制，對(duì)于電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)情況如冰災(zāi)造成的斷網(wǎng)等，該技術(shù)的應(yīng)用將能確保重要負(fù)荷單位如政府機(jī)關(guān)、軍事設(shè)施、醫(yī)院等的正常運(yùn)行。

    5）輔助功能。壓縮空氣儲(chǔ)能具有功率和電壓均可調(diào)節(jié)的同步發(fā)電系統(tǒng)，且響應(yīng)迅速，其大量應(yīng)用可以增加整個(gè)電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用和無(wú)功支撐能力，提高系統(tǒng)電能品質(zhì)和安全穩(wěn)定水平。

    四、國(guó)內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新研究進(jìn)展情況

    近年來(lái)，在國(guó)家電網(wǎng)公司的資助下，清華大學(xué)作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位聯(lián)合中科院理化所、中國(guó)電科院等單位開(kāi)展了基于壓縮熱回饋的非補(bǔ)燃CAES研究，并于2014年底建成了世界第一個(gè)500kW非補(bǔ)燃CAES動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)（如圖3所示）并成功實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能發(fā)電。

    該系統(tǒng)基于多溫區(qū)高效回?zé)峒夹g(shù)儲(chǔ)存壓縮熱并用其加熱透平進(jìn)口高壓空氣，從而摒棄了歐美現(xiàn)有CAES商業(yè)電站天然氣補(bǔ)燃的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能發(fā)電全過(guò)程的高效轉(zhuǎn)換和零排放。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)儲(chǔ)能效率、降低系統(tǒng)建設(shè)成本，使CAES滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。近年來(lái)，清華大學(xué)在TICC-500的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了基于鹽穴儲(chǔ)氣和壓力容器儲(chǔ)氣的CAES電站工程設(shè)計(jì)研究、微型CAES系統(tǒng)研制、太陽(yáng)能光熱復(fù)合利用的非補(bǔ)燃CAES研究等工作，以期不斷推動(dòng)CAES技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用。

    壓縮子系統(tǒng)的作用是利用電能將空氣壓縮至高壓，同時(shí)在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生高溫的壓縮熱。其主要由壓縮機(jī)本體、附屬裝置等組成。通過(guò)壓縮子系統(tǒng)，可以將電能轉(zhuǎn)換為高壓空氣的分子內(nèi)勢(shì)能和儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱能，進(jìn)而完成電能的轉(zhuǎn)換。作為儲(chǔ)能過(guò)程中的核心部件，壓縮機(jī)具有流量大、壓比高、背壓變化大等特點(diǎn)。在TICC-500項(xiàng)目中，研發(fā)了基于雙作用活塞和自卸荷技術(shù)的非穩(wěn)態(tài)壓縮系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能過(guò)程中的壓縮機(jī)的高效運(yùn)行。

    五、未來(lái)前景展望

   非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能具有容量大、效率高、成本低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中零碳排放，可以顯著減少大規(guī)模棄風(fēng)棄光，提升新能源消納能力；其與供熱供冷相結(jié)合可形成“冷-熱-電”三聯(lián)供系統(tǒng)，構(gòu)成高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)；同時(shí)可為實(shí)現(xiàn)智能微電網(wǎng)和智能微電網(wǎng)群優(yōu)化運(yùn)行提供強(qiáng)大靈活的調(diào)節(jié)能力和手段。此外，非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能作為一種理想的大規(guī)模儲(chǔ)能手段，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能過(guò)程中的發(fā)電、供冷、供熱相耦合，進(jìn)而將智能微電網(wǎng)提升至智能微能源網(wǎng)的層次，提高了能量的綜合利用效率，在未來(lái)將具有廣闊的應(yīng)用前景。

    從環(huán)境保護(hù)與效率角度考，如果將來(lái)大規(guī)模采用非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能及應(yīng)用發(fā)電的話，對(duì)于壓縮機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)，就又多了一個(gè)巨大的市場(chǎng)方向。只是誰(shuí)能拿下這塊巨大的蛋糕，現(xiàn)在還未可知。

六、山東中信能源壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目案例

青海大學(xué)空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)初期設(shè)計(jì)為空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)與太陽(yáng)能高溫集熱系統(tǒng)耦合系統(tǒng)，太陽(yáng)能高溫集熱系統(tǒng)為空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)提供空氣加熱增焓時(shí)的高溫?zé)嵩?，發(fā)電效率較非補(bǔ)燃式非絕熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)提升20%左右；二期系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)為以空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)為核心的微能源網(wǎng)系統(tǒng)：整個(gè)系統(tǒng)以壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為核心，整合了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、塔式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了終端的供電、供熱與制冷應(yīng)用。該項(xiàng)目主要由清華大學(xué)主持設(shè)計(jì)，整個(gè)微能源網(wǎng)項(xiàng)目（包含一期、二期）由我方承建。

    該項(xiàng)目主要是利用太陽(yáng)能高溫集熱技術(shù)和低谷電力進(jìn)行熱能存儲(chǔ)并發(fā)電，是實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)電網(wǎng)“削峰平谷”的核心技術(shù)。

    其原理是采用太陽(yáng)能高溫集熱器提供熱能，將傳熱介質(zhì)加熱至200℃-350℃，然后與空氣進(jìn)行換熱，換熱后的空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)行高壓存儲(chǔ)。在用電高峰時(shí)，高壓空氣推動(dòng)透平發(fā)電機(jī)做功發(fā)電。

    清華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)，中信能源承建的太陽(yáng)能壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)首次將太陽(yáng)能高溫集熱技術(shù)用于壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電，并成功應(yīng)用。為今后智能互聯(lián)電網(wǎng)的建設(shè)將起到積極地推動(dòng)作用。