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压缩空气储能发电应用及趋势

发布日期:2018-01-10 作者: 点击:


    压缩空气储能作为一种理想的大规模储能手段,提高了能量的综合利用效率,在未来将具有广阔的应用前景,为整个压缩机行业带来了一块巨大而遥远的蛋糕。


    一、大规模储能的必要性


    众所周知,随着全球能源生产和消费的持续增长,化石能源日益枯竭,能源危机已成为世界范围内面临的共同难题,对人类的生存和发展构成了严重威胁。所以,各国都在积极研究和发展新能源技术,特别是太阳能、风能等可再生能源。由于风电、光伏等新能源发电具有波动性、不确定性,其大规模并网将对电网的安全和稳定运行带来诸多挑战。


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    压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)对地理条件无特殊要求,建造成本和响应速度与抽水蓄能电站相当,使用寿命长,储能容量大,是一种具有推广应用前景的大规模储能技术。


    二、压缩空气储能基本原理


   压缩空气储能系统可利用低谷电、弃风电、弃光电等对空气进行压缩,并将高压空气密封在地下盐穴、地下矿洞、过期油气井或新建储气室中,在电网负荷高峰期释放压缩空气推动透平机(气轮机、涡轮机等)发电。按照运行原理,压缩空气储能系统可以分为补燃式和非补燃式两类。



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    储能时,电机驱动压缩机将空气压缩至高压并存储在储气室中;释能时,储气室中的高压空气进入燃气轮机,在燃烧室中与燃料混合燃烧,驱动燃气轮机做功,从而带动发电机对外输出电能。补燃式CAES由于采用燃料补燃,存在污染排放问题,同时存在对天然气等燃料的依赖。


    非补燃式CAES基于常规的补燃式CAES发展而来,通过采用回热技术,将储能时压缩过程中所产生的压缩热收集并存储,待系统释能时加热进入透平的高压空气。


    非补燃式CAES不仅消除了对燃料的依赖,实现了有害气体零排放,同时还可以利用压缩热和透平的低温排气对外供暖和供冷,进而实现冷热电三联供,实现了能量的综合利用,系统综合效率较高。鉴于非补燃式CAES在环保、能量综合利用等方面的优势,目前已成为CAES的主流研究方向。


    三、压缩空气储能的典型应用场景


    压缩空气储能技术在电力系统中应用前景广阔,典型应用场景包括如下几个方面。


    1)削峰填谷。集中式的大型CAES电站的单机容量可达百兆瓦量级,发电时间可达数小时,可在电力系统负荷低谷时消纳富余电力,在负荷高峰时向电网馈电,起到“削峰填谷”的作用,从而促进电力系统的经济运行。


    2)消纳新能源。分散式CAES电站的容量配置为几兆瓦到几十兆瓦,可与光伏电站、风电场、小水电站等配套建设,将间歇性的可再生能源储存起来,在用电高峰期释放,缓解当前的弃风、弃光和弃水困局。


    3)构建独立电力系统。CAES还可用于沙漠、山区、海岛等特殊场合的电力系统。该类地区对储能系统的寿命、环保等方面有特殊需求。在此情况下,若配合风力发电、光伏发电、潮汐发电等清洁能源,结合非补燃CAES的冷热电联供特点,则有望构建低碳环保的冷热电三联供独立电力系统。


    4)紧急备用电源。由于非补燃CAES技术不受外界电网、燃料供应等条件的限制,对于电网出现突发情况如冰灾造成的断网等,该技术的应用将能确保重要负荷单位如政府机关、军事设施、医院等的正常运行。


    5)辅助功能。压缩空气储能具有功率和电压均可调节的同步发电系统,且响应迅速,其大量应用可以增加整个电力系统的旋转备用和无功支撑能力,提高系统电能品质和安全稳定水平。


    四、国内技术创新研究进展情况


    近年来,在国家电网公司的资助下,清华大学作为项目负责单位联合中科院理化所、中国电科院等单位开展了基于压缩热回馈的非补燃CAES研究,并于2014年底建成了世界第一个500kW非补燃CAES动态模拟系统(如图3所示)并成功实现了储能发电。



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    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,从而摒弃了欧美现有CAES商业电站天然气补燃的技术路线,实现储能发电全过程的高效转换和零排放。为了进一步提升系统储能效率、降低系统建设成本,使CAES满足不同应用场景的需求。近年来,清华大学在TICC-500的基础上,进一步开展了基于盐穴储气和压力容器储气的CAES电站工程设计研究、微型CAES系统研制、太阳能光热复合利用的非补燃CAES研究等工作,以期不断推动CAES技术的发展和工程应用。


    压缩子系统的作用是利用电能将空气压缩至高压,同时在压缩过程中产生高温的压缩热。其主要由压缩机本体、附属装置等组成。通过压缩子系统,可以将电能转换为高压空气的分子内势能和储热介质的热能,进而完成电能的转换。作为储能过程中的核心部件,压缩机具有流量大、压比高、背压变化大等特点。在TICC-500项目中,研发了基于双作用活塞和自卸荷技术的非稳态压缩系统,可以实现储能过程中的压缩机的高效运行。


    五、未来前景展望


   非补燃压缩空气储能具有容量大、效率高、成本低、寿命长的特点,系统运行过程中零碳排放,可以显著减少大规模弃风弃光,提升新能源消纳能力;其与供热供冷相结合可形成“冷-热-电”三联供系统,构成高效的储能系统;同时可为实现智能微电网和智能微电网群优化运行提供强大灵活的调节能力和手段。此外,非补燃压缩空气储能作为一种理想的大规模储能手段,实现了储能过程中的发电、供冷、供热相耦合,进而将智能微电网提升至智能微能源网的层次,提高了能量的综合利用效率,在未来将具有广阔的应用前景。


    从环境保护与效率角度考,如果将来大规模采用非补燃压缩空气储能及应用发电的话,对于压缩机行业来说,就又多了一个巨大的市场方向。只是谁能拿下这块巨大的蛋糕,现在还未可知。


六、山东中信能源压缩空气储能发电项目案例


   



青海大学空气压缩储能系统初期设计为空气压缩储能系统与太阳能高温集热系统耦合系统,太阳能高温集热系统为空气压缩储能系统提供空气加热增焓时的高温热源,发电效率较非补燃式非绝热式压缩空气储能系统提升20%左右;二期系统设计建设为以空气压缩储能系统为核心的微能源网系统:整个系统以压缩空气储能系统为核心,整合了太阳能光伏发电系统、塔式太阳能集热系统、槽式太阳能集热系统,实现了终端的供电、供热与制冷应用。该项目主要由清华大学主持设计,整个微能源网项目(包含一期、二期)由我方承建。


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    该项目主要是利用太阳能高温集热技术和低谷电力进行热能存储并发电,是实现智能互联电网“削峰平谷”的核心技术。

    其原理是采用太阳能高温集热器提供热能,将传热介质加热至200℃-350℃,然后与空气进行换热,换热后的空气经压缩机压缩后进行高压存储。在用电高峰时,高压空气推动透平发电机做功发电。

    清华大学研发设计,中信能源承建的太阳能压缩空气储能发电项目,是国内首次将太阳能高温集热技术用于压缩空气储能发电,并成功应用。为今后智能互联电网的建设将起到积极地推动作用。





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