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中国科学院季伟:大规模空气储能技术发展现状和未来展望

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/8 11:36:27  我要投稿  

北极星储能网讯:空气储能技术未来的发展方向可能是作为一个能源基站,吸收弃风电,启光伏电,低谷电和中低温余热,根据需求灵活地选择把电反馈到电网中,还是提供冷、热、气。我们在前期500kW压缩空气储能和100 kW液态空气储能技术的积累下,正在筹建10MW/100MWh的液态空气储能系统。未来我们在规划一个百兆瓦级的液态空气储能系统,实现冷热电三联供。

——中国科学院理化技术研究所助理研究员季伟

8月7日-8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。在8月8日分论坛三“机械储能”中,中国科学院理化技术研究所助理研究员季伟作“大规模空气储能技术发展现状和未来展望”报告。

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中国科学院理化技术研究所助理研究员季伟

各位老师上午好!下面由我代表周远院士为大家汇报一下大规模空气储能技术的发展现状及未来展望。我的报告分三部分介绍,分别是大规模空气储能技术的发展现状,理化所空气储能技术研究进展以及空气储能技术的未来展望。

储能技术解决的主要问题有三个,即增强可再生能源的消纳,提高电网性能,构建能源互联网。现在的储能方式多种多样,主要可分为物理储能和化学储能。其中,可以得到大规模应用的是抽水蓄能、电池储能和压缩空气储能。抽水蓄能会受到地理条件和气候的限制,需要具有一定高度的地势差,而且在北方气温特别低的地区,冬天水可能会结冰。电池储能发展的势头很好,但面临的主要难题是安全性,寿命和环保问题,未来将会受到严峻的挑战。

我们研究的是空气储能技术,它有两条技术路线。一是压缩空气储能,它的优点就是发电功率比较大,但缺点就是储能密度比较低,需要很大的的空气存储空间,而且储气室压力会产生很大波动。二是液态空气储能技术,它是把空气液化,具有比较高的储能密度,不受地理条件限制,可以实现液态空气的低温常压存储,压力稳定。压缩空气储能技术的原理并不复杂,即在储能阶段,利用间歇性可再生能源或电网夜间低谷电驱动压缩机压缩空气,将电能以高压空气的形式储存在储气室中,同时存储压缩热;在释能阶段,高压空气经过节流阀稳压后,通过不同预热方式加热,产生高压高温气体驱动空气透平旋转做功,带动发电机发电并网。

压缩空气储能技术多种多样,主要可划分为三种类型,即外热源型、绝热型和等温型。外热源型指的是压缩热由冷却水带走,透平进气靠外热源预热;绝热型指的是压缩热由蓄热介质存储,用于预热透平进气,系统不用引入外热源;等温型是一种理想的形式,结合喷射水雾技术,实现近等温压缩和膨胀。

目前等温型的技术不成熟,下面主要介绍外热源型和绝热型。我们选取了典型的案例来回顾压缩空气储能技术的发展历程。

早在20世纪40年代,国外学者就提出了压缩空气储能的概念,当时储能没有那么大的需求,所以这个技术没有得到快速的发展。到了20世纪60年代,由于大型核电和火电的兴起,电网具有削峰填谷的需求,很多国家开始研发这种技术。1978年德国Huntorf建造了世界首座290 MW的压缩空气储能电站,1991年美国Mcintosh建造了世界第二座110 MW的压缩空气储能电站。2003年法国阿尔斯通公司为了避免化石燃料的使用,提出了先进绝热压缩空气储能系统,通过存储高温圧缩热,实现了电能的绿色存储。2010年美国ESPC公司提出燃气轮机和压缩空气储能联合循环。

2015年中科院理化所和清华大学联合研制了500 kW压缩空气储能示范平台。这是德国Huntorf电站的全景图,它需要一个31万立方米的地下盐洞。这是美国Mcintosh电站的实物图,它相比德国的电站最大的改进在于采用了透平高温尾气回热技术,提高了系统的循环效率。美国ESPC燃气轮机—压缩空气储能联合循环的装机功率300 MW,循环效率55-60%;透平进气吸收另一台燃气轮机高温排气余热,提高了燃气轮机的热效率并减少了储能电站化石燃料的燃烧,增大了压缩空气储能的储能功率,可以实现对电网的灵活调峰。欧洲阿尔斯通公司提出了先进绝热压缩空气储能系统,通过两级压缩把空气压到65公斤,排气温度高达580摄氏度,这对压缩机的材料和结构设计会产生非常大的挑战。同时580度的热量需要采取特殊的蓄热器,这种蓄热器目前技术不成熟。这是我们单位在2015年和清华大学一起共建的500kW压缩空气储能示范平台,压缩热存储温度120度。

压缩空气储能技术发展了这么多年,最大的难题之一就是压缩空气的存储技术。大功率储能电站和电网结合的时候,压缩空气的存储量是巨大的。压缩空气目前的主要存储方式是采用地下的岩穴。岩穴的储气量大,但放气过程中气体压力越来越低,为了保持恒定的压力,需要采用节流阀来稳压。有的学者提出了恒压存储的方式,但其结构复杂,尚无应用。为了解决空气存储的难题,很多学者提出低温液态空气储能技术,它本质上是林德液化循环和朗肯动力循环的结合。它的工作原理是在储能阶段,利用间歇性可再生能源或电网夜间低谷电驱动压缩机压缩空气,高压空气经蓄冷器预冷后节流液化,将电能以常压低温液态空气形式储存,同时存储压缩热;在释能阶段,液态空气经低温泵增压后,通过蓄冷器储存冷量并气化,经不同预热方式加热,产生高压高温气体驱动空气透平旋转做功,带动发电机发电并网。它的储气占地面积是空气储能的1/15,对储能应用的灵活性有很大的帮助。

世界第一座液态空气储能示范工程是英国的伯明翰大学和Highview公司完成的,装机功率350 kW/2.5 MWh,他们现在在建的是5MW时和15MWh的示范工程,规划在英国做250MWh的系统。我们所在廊坊园区建了100kW/100kWh的液态空气储能系统。每一代压缩空气储能技术都有各自的特点,目前几家单位研究的主要都是第三代、第四代压缩空气储能技术,都不用化石燃料,主要是靠压缩热预热。目前中科院工程热物理所和理化所,清华大学在压缩空气储能方面做的研究比较多,英国HIghview公司,我们所和工热所在液态空气储能方面做的研究比较多。

下面是我们所在空气储能技术方面取得的一些研究进展。我们建造了国际首套非补燃绝热型压缩空气储能系统,成功研发了国内首台高速多级回热式空气透平,建立了非稳态压缩系统,高效压缩热存储/利用系统,非稳态透平发电系统。我们通过结合风电和太阳能光热,构建了新型风-光-压缩空气储能系统研究,包括风电存储单元、ORC单元、透平发电单元和光热存储单元。我们建造了国际首套基于液相工质蓄冷的液态空气储能系统,系统核心指标—蓄冷效率达世界领先水平。

空气储能技术未来的发展方向可能是作为一个能源基站,吸收弃风电,启光伏电,低谷电和中低温余热,根据需求灵活地选择把电反馈到电网中,还是提供冷、热、气。我们在前期500kW压缩空气储能和100 kW液态空气储能技术的积累下,正在筹建10MW/100MWh的液态空气储能系统。未来我们在规划一个百兆瓦级的液态空气储能系统,实现冷热电三联供。

总之,我们认为各项储能技术都有各自的优缺点,没有哪一种储能技术可以完全解决未来电网将面临的问题,我们希望未来各种储能技术可以进行有机的结合,灵活实现调峰、调频等功能。

谢谢大家!

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