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清华大学梅生伟:复合式压缩空气储能与分布式综合能源系统

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/7 14:49:42  我要投稿  

北极星储能网讯:”现在看综合能源系统,热能源子系统种种多能互动包括综合利用效率并不是很高,我们讲综合能源系统是分布式的、又是面对可再生能源的,分散性和再生性也影响我们的高效利用。所以我们发展这样一个负荷式的压缩空气储能系统,主要是针对分布式综合能源系统,到底有什么功能能这样做呢?两点,一个是多能联储、一个是多能联供,可以实现能源的自由交换和利用。”

——清华大学电机工程与应用电子技术系教授/中国可再生能源学会储能专委会副主任委员 梅生伟

8月7日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开,会议为大力推广风能、太阳能、储能创新技术,推动风光互补、太阳能+储能、风光储技术以及智能微电网、能源互联网技术在综合能源服务领域的应用;搭建风能、太阳能与储能产业科学技术、创新应用的交流与合作平台,推进风电、太阳能发电无补贴平价上网项目技术发展,推动储能技术进步和创新。

主旨报告环节,清华大学电机工程与应用电子技术系教授/中国可再生能源学会储能专委会副主任委员 梅生伟作了题为“复合式压缩空气储能与分布式综合能源系统”的报告。

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清华大学电机工程与应用电子技术系教授/中国可再生能源学会储能专委会副主任委员 梅生伟

分五个方面跟大家进行交流。

一个是能源发展环境,包括我国现在的消耗总量、能耗强度,都是能源变革必然的发展趋势,这里面必走之路就是发展清洁能源,清洁能源的占比。

我这里相当于一个二维的坐标,我们看能源电力系统的发展趋势,这是一个简要的总结,从传统的电网过渡到比如微电网,到今天讲的能源互联网,当然今天我涉及的是分布式的综合能源系统。从生产、消费、基础和能量传输四个环节,传统电网生产侧一次能源、负荷主要是交流负荷、基础是电力变压器、能量的传输电压。到了我们第二次网络形态,生产侧就变成一次+可再生能源,交流负荷病种。到了分布式综合能源,能源互联网,生产侧一次能源+可再生能源,传统的电力电子变压器到储能、综合能源系统,到最后能源互联网是讲多种形式的综合利用。储能在现在能源互联网形态里面作用非常突出。

我们搞智能电网建设,发、输、配、送四个环节都需要储能的支撑。现有的技术,一个是抽水蓄能,优点是大容量、长寿命、极电系统三四十年。现在受地形条件的约束,在我们国家尤其南方地区、西部地区已经饱和了,选址比较困难,像在青海一年日照时间是3300小时,蒸发量非常大,这是它发展的一个瓶颈电池储能相率高,但是受到寿命的影响。

有没有一个能够集合这两种技术综合优势的一种储能技术,我们就把目光集中在压缩空气储能,原理跟抽水蓄能很近,都是流体储能。简单讲就是,用压缩机把空气,比如说有低谷电的时候,我把你的空气压倒一个储气室里面去,发电的时候释放高压气体,驱动涡轮机发电。这样看当然取决于你的储气的这些条件,其他情况是这样的,整个过程应该是对环境包括寿命都跟抽水蓄能是相当的。我们看一下迄今为止三代压缩空气储能技术,第一代1978年,国外已经建设的商业运行的电站,以德国、美国为领先。第二代,先进压缩空气储能,今天主要讲第三代能源的综合利用。

1949年德国的工程师Stal Laval提出这样的技术原理,物理过程非常清晰,利用你的电能低谷电驱动压缩机,把空气压到储气室里面去,可以是高压容器、也可以是隧道。释放高压气体,燃烧天然气,最后带动发电机发电。这套技术可以视为带有储能的特殊的燃气轮机电站,效率比一般的电站大概高8%左右,但是大家看它的过程,因为再压缩过程中,不光电能的压力势能,还有一部分压缩热,这个热量也是惊人的,这块废弃掉。发电的时候温度从哪儿来,烧天然气,虽然有储能,但是它把压缩热废弃了,真正发电的时候又要用到天然气里面来,所以可以看带储能的特殊的电站,这是德国的这个技术原理。

两个最典型的,一个是1978年德国的Huntorf电站,一个是1991年美国的Mclntosh电站。这个是290兆瓦,效率42%,我们燃气轮机40%、35%左右,这个是高的,原因是压缩这块用了压缩空气,所以节约了一半的燃气消耗。但是你把它天然气这块扣掉的话,电换电的效率只有10%几,尽管如此,这个电站到现在还在运行,前年我还到现场去参观学习了,每次发电大概要耗10万立方米的天然气。美国有余热利用的空间,效率就上来了,能到55%左右。

2011清华大学就提出非补燃压缩空气储能技术原理,这个原理其实并不是新的东西,只不过现在换热技术、材料技术的改进使得这个原理可行。基本过程是,利用弃风弃光的低谷电驱动压缩机,将空气压载一个高压储气室里,再利用换热器,压缩的过程会有大量的压缩热,利用换热器把压缩热存到热罐里,完成了电能到压力势能和压缩电能的解耦,比如100个气压温度可能到600度,把这个取出来存到储热器里。发电的时候释放高压气体,经过我储热系统的加热,形成高温高压的空气,像当年的超临界、超超临界两大要素,一个高压、一个高温。整个这个原理如果做成的话,当时就讲有三大优点,一个是典型的冷热电三联供,因为使用的是空气动力学,末端的温度是可以调节的,比如一般我们可以把它调到5度左右、2度左右,在发电的同时末端可以自动的输入能量。压缩热,这个热罐里面存的热,高端的热,比如300度的热拿去发电,剩下100多度的热可以拿去供热,这个情况大家可以看,热能和高压气体实际上是一个典型的冷热电三联联系统。整个过程介质就是空气,没有任何化学反应,是零排放的。第三个,不管是压缩、膨胀还是换热设备,都是由我们国家现在常规的产品,它的寿命又是机电设备30年到40年没问题,所以长寿命、完全清洁、高安全、高效率储能技术。在国家电网支持下来,在安徽芜湖建成了一个500千瓦的电站,用的是上海锅炉厂,电换电效率是40%,德国那个是42%,德国那个是烧天然气的,这个没有烧半个立方的天然气但是电换电到40%,家我的冷到热到72%。根据这个电站,2017年国家能源局申报国家储能示范项目,前年5月份获批,这个电站生产现在已经形成的,大概有22万立方米,我们这个发电机组60兆瓦,原理非常简单,就是重复我们芜湖实验电站的技术路线,把高压空气140个大气压压缩到里面,同时用换热器把压缩热存到导热油罐里面,这样电能就接入存储,发电的时候释放高压空气,再经过油罐加热,也是300度的空气,确保发电。这个效率是65.1%,因为是使用了巨大的地下空间,大家看到这个优势是非常明显的,一个是地热,往地下每深入300米温度要升高3度,出来以后空气本身就带60度的热量,这个体积非常大,是22立方米,我们现在使用的压差才10公斤的压差,等于完全是稳家运行,所以保障了高效。像刚才芜湖这个系统用的罐子,很快,因为容积有限,损失很大,保障这个效率,这个预计明年发电,现在华能有建设二期的规划,因为江苏常州这个地方地下资源分布是非常丰富的。

回到主题来,进一步看我们讲的综合能源系统,实际上电网、热网跟天然气这些子系统相互耦合,现在看综合能源系统,热能源子系统种种多能互动包括综合利用效率并不是很高,我们讲综合能源系统是分布式的、又是面对可再生能源的,分散性和再生性也影响我们的高效利用。所以我们发展这样一个负荷式的压缩空气储能系统,主要是针对分布式综合能源系统,到底有什么功能能这样做呢?两点,一个是多能联储、一个是多能联供,可以实现能源的自由交换和利用。2016年我们清华和青海大学提出复合式的压缩空气储能,基本思路也是非常简单,原来一想压缩空气储能就是站在电的角度,输入都是低谷电,比如说弃风弃光这些电,但是现在也可以直接把太阳能,比如说热能可以输入进去,因为我这个系统是有两个储能系统,一个是储气,还有一个是储热,蓄气系统和储热系统构成了两大能量存储系统。需要发电的时候,比如高压空气经过需热系统的加热可以输出电力,末端还可以输出能量。但是热罐本身也可以梯级供应,比如高温蒸汽、高温冷水也可以梯度供热,也可以搞吸收式的势能。输入已经从传统的第二代的电扩展到多种输入,输出不光是冷热电,也有电的梯级输出。这个原理进一步扩展,输入从传统的低谷弃风弃光其他电能以外,还有扩展输入,比如我的潮汐集热气,有一个热罐、有一个气罐,高压空气在气罐里,压缩热能,还有刚才扩展输入的这些比如说潮湿的集热、光热,可以放到我的热罐里。这两个高压空气经过热罐的加入,通过膨胀可以发电,但是我本身某些场合,下面会讲到,也要用我的高压空气,我这个高压空气直接释放,也可以用在工业的用途。

我这个热罐除了高品质的热拿去发热以外,扩展输出,高温的蒸汽热损可以搞吸收式的势能,从电的角度它的功能调峰、调频、调向、备用、无功补偿等等。所以输入、输出,输入的通道大大扩展,输出的产品大大的丰富。

进一步我们设计了这样一个方案,电也就是说分布式风、光、低谷电可以输入进去,余热、太阳能、光热,我这里搞了一个梯级的蓄热器,我可以有导热油、可以有水,从你压缩的过程,压缩热可以放到我的蓄热器里面,又是压力势能和压缩热能,与其他这些热能的存储。输出的时候,高品位的热,经过加热空气以后可以世界发电,末端的空气可以供暖,中品位的热、低品位的热,也可以利用,冷热电,我这样一个系统,有电、热、冷三个字网络、子系统。

这里大家可以看,如果设计这么一个储能系统的话,它可以实现多能联供,也可以灵活扩展,联合外部的热院,可以联系外部的势能,比如可以搞冷藏,包括能量的系统,电能本来就是电站的基本功能。应用的场景,可以梯级的供热,也可以80度热水,商业、居民的需求。总之就是一个复合式压缩空气储能的基本思路。

有了这个以后就可以打造分布式的综合能源系统,就是以它作为能源路由器,因为我主要用到的是空气介质,所以我叫它清洁能源路由器,可以集成光、风、余热、太阳能等等,建设分布式的综合能源系统。可以看见余热、太阳能、风能,到储能系统,到电,到复合,这样一个综合的丰富式的。

进一步,比如说我在某一个配电网侧搞这么一个系统,光伏、风电包括铅酸的输入都在里面,这样可以调控这个区域内的所有清洁能源,实现不同成员的生产、存储、转化、消纳,提升能源的综合利用率。

我们给青海某个企业设计了附近一个矿山要搞一个分布式的综合能源系统,这个矿山规模很大,要建立采矿厂及配套选矿,主要能源来自风电和光伏,因为是波动性的,所以要搞储能。这个地方要实现供热、光伏供气,压缩空气,多种能源的供应。在强系州气候条件比较有特点,有一点是光照时间比较长,附近处有一个110线路接入,目标实现绿色低碳他们叫绿色矿山,整个系统要搞一个智慧调度的控制系统。

看我们给他提供的产品,一点符合市场做到着,你可以是非、可以是太阳能,底下搞空气源、土壤源、污染源的热泵,这个是热。

上面这条线主要是电,从哪儿来呢?可以是风和光,多余的可以存储下来,不足的时候再发出去,还可以搞定制电力可以搞交流或者直流,负荷等于是定制。你这个矿山要有高压的空气,从我的储气库里直接可以拉出管道出来,可以搞吸收式的热泵,可以搞冷网。主要是他的供热的这个系统,热网、热水网,从这里看,从电到气、到冷、到热,相当于满足了这样一个偏远地区矿山对多种能源的需求。这是性能设计的结构图,冷热电、电源侧风光的情况下,要搞一个智慧能源网的中心,这是设计的能量参数,风光都是20兆瓦,我们这个是5兆瓦。

进一步跟青海省网公司做的一个规划,它是一个示范区,30平方公里,各种能源的需求,这是它复合的,冷热电。我们在这里跟它做一个5兆瓦4个小时,只发电的清洁能源应用企业,把他的光伏节省起来。这里是这样的,低谷电储能8个小时,80度的热水、210度的高压蒸汽,旁边有一个乳胶厂,对高压蒸汽的需求24小时,冷热电综合效率大概50%,不光输入电,还输入热,有一个梯级的蓄热器、储气库,刚才讲高品位的拿去发电,剩下的工业蒸汽又是一个冷热电综合。

刚才讲给合作单位做的工程项目设计,我这几年在青海大学从事对口支援工作,因为学校省里面对我们也很支持,我们就先干起来,尽管还有很多东西要改进。首先建了一个100千瓦的压缩空气储能系统,拿这个系统集成了一个校园的微能源网,芜湖的系统用钢罐,生产、运输都很不容易,这个是西气东输的管线钢管,这个是很好的实践,安全方面都没有问题,我这里有一个重大,改进,芜湖的用的是水,我这里用的是导电油。大家看这个效率,电与电的效率是51%,加上冷和热,这个系统的效率已经到80%,依托这个系统,刚才我们复合式的,比如搞到塔式的集热、槽式的集热,吸收势能,就搞到人工的这样一个环境。

大家看我在青海大学1万7千平米,但是现在有16个子系统,这些系统中有微电网、有多功能电网,有我们全光伏发电,有热气流发电,还有物理光伏等等,组成三个子网综合的综合能源系统,谁把它结合再一块,就是压缩空间储能系统。比如这个吸热口可以是一个制热源,把这个结合起来,就构成了和复合系统比热罐更承受热,冷热电三联供。

现在我有外部的输入,我有槽式集热、塔式,加上我这个系统本身的压缩热,除了我的储气罐以外,管一热这块,我有续热水箱,有蒸汽发生器,可以做饭等等。

进一步看,我们这样一个系统搞了一个人工环境,这个也是针对边远地区的,我们边防的哨所、学校,一般都是独立的社区,他们最大的问题还不是供电,一年的供暖气差不多要10业月,功软是他最大的问题,他要烧路子,你给他供电,现在青海电网要收回他的电路投资,要发展分布式的综合能源分布系统,最主要的就是梯级的供热。我们这个系统做了一个人工的环境,这是各种热的梯级利用。刚才讲320度的热拿去饭店,150度增其可以做饭,80度的热可以供暖、消毒,40度可以洗澡。这个系统已经累计运行了10天,超过了1000小时,这个热水、蒸汽、冷水,能源效率达到80%左右,这是校园里面一个工程的前期的实践,工作还要进一步成熟。

简单总结一下,第三代复合式的压缩空气,可以理解成小型综合能源系统,具有生产、存储等等。一般电力系统功能可以实现耦合多种能源实现多能联动、多能互补,提高能源的综合利用率。面向负荷侧,比如我们边缘地区对热积极的利用,他可以满足多样化的的用能需求,尤其在边远地区、海岛、分散的社区,可能是值得推广的解决方案。

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