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100MW先进压缩空气储能系统及其在发电侧的应用——中国科学院热物理研究所储能研究中心纪律

北极星储能网  来源:北极星储能网    2021/6/8 17:47:02  我要投稿  

北极星储能网讯:“2020年12月底,全球的储能装机是191.1GW,占电力总装机的2.7%。到2050年,全球储能装机达到800GW以上,占电力总装机的10%-15%。”中国科学院热物理研究所储能研究中心纪律在第六届(2021)国际储能技术大会上发言。直播专题:SNEC第十五届(2021)国际太阳能光伏与智慧能源(上海)大会

纪律:下面有请我们100MW先进压缩空气储能的技术,简单提一下大背景,双碳背景下,习总书记最早是在2020年9月份联合国大会上专门提出来双碳的目标,随后又高频次的多次提到了,我印象当中有12次提到双碳的目标,这也是表达了我们中国作为一个大国的责任和担当。

双碳的目标首当其冲的是能源领域,我们现在是在能源革命的过程中,像可再生能源,要逐步的去替代传统的化石能源,成为主流能源。但可再生能源大发展的话,因为它本身自己有先天不足,有间歇性、不稳定性,不是人为可控的,所以需要调节手段,储能就是非常重要的调节手段,可以促进可再生能源大规模的开发利用。

国际上非常知名的经济学者杰里米·里夫金提出了《第三次工业革命》这本书,里面包括用五大支柱产业,分别是可再生资源、分布式微网、储能、智能电网、新能源和新能源汽车,这五大支柱产业都需要储能技术作为重要的支撑,它现在也被我们公认的,是一个能源革命的重要支撑技术。

我们国家十四五规划里面也多次提到了大规模发展储能,特别是提到了电化学储能、压缩空气储能,以及飞轮储能的发展。李克强总理在国际能源委的会议上也提到了,我们要集中能量,在可再生能源开发利用,特别是新能源并网和储能等一系列技术上取得突破,抢占能源科技竞争的制高点,所以未来储能也是我们国家非常重视的一个战略性新兴产业。

具体来说,储能在我们电力系统的发、输、配、用多个环节都有它的应用,现在也被称作是电力行业的第六价值链,也是电力系统未来发展的一个新的业态。

储能整体的市场,2020年12月底,全球的储能装机是191.1GW,占电力总装机的2.7%。到2050年,全球储能装机达到800GW以上,占电力总装机的10%-15%。我们国家截止到2020年12月,我国储能项目累计装机35.6GW,月战电力装机1.6%,储能是未来的蓝海,空间也是非常大的。

接下来介绍一下压缩空气储能技术,典型的大规模长时的物理型的储能技术,它的基本原理就是我们现在有余电、废电,电不可利用的时候,通过电动机、驱动压缩机,把空气压缩成高压的气动空气储存,等于将电能转化为机械能,转化为空气的内能储存了,有点类似于抽水蓄能,抽水蓄能是转化为水的势能,我们是转化为空气的内能。在需要放电的时候,将高压空气释放,驱动我们的膨胀机转动,由膨胀机带动发电机去发电,发电过程跟我们传统的火电、水电是类似的,只不过做工介质不一样,是比较成熟可靠的。

它的特点首先是规模大,单机可以做到100兆瓦以上,再有一个,是典型的适合长时间储存的,它的储存时间一般我们建议是4个小时以上,基本是对标抽水蓄能的。核心原因是压缩空气储能它的功率设备和容量设备是分体的,容量越大,只是增加储罐的成本,部分设备的成本,所以总成本是抛物线增长的过程,单位成本是持续下降的。

再有,建设和运行成本比较低,目前基本到百兆瓦量级可以做到1000-1200元每千瓦时,这是一个初投资。设计寿命是在30年以上,一般检修维护做的好,能到30-50年。还有储能周期是不受限制的,只要不跑气漏气,它可以实现日调节,也可以实现周,甚至月度的能量储存,它日损耗率非常低。再有,因为整个过程是不消耗任何化石燃料的,没有任何污染物排放,清洁无污染。

压缩空气储能它比较适合长时大规模,它的功能主要是像调峰,调频是一次调频做不了,是可以做二次调频。它可以做调向,对于电力系统电压的调节是非常利好的。再有,可以做一些旋转备用,应急响应的一些功能。

美国能源部在2020年12月份出了一个针对电网储能技术和性能分析的报告,其中把压缩空气储能基本是4个小时以上的储能容量,单位成本从美国角度判断是单位成本最低的,对大规模尝试储能,是未来比较有潜力的新型的技术。

做这种新型压缩空气储能,目前全球各个国家都在发展,做到兆瓦级以上的,目前已经实现兆瓦级以上应用的,英国有Highview,加拿大有一家公司,美国有一家公司。所以新型压缩空气储能这个领域,我们目前已经走在了世界的前列。

中国科学院热物理是从2005年就开展压缩空气储能相关技术的研究,我们走过了从技术研究,关键技术突破,到示范,到产业化一个全过程,我们是从千瓦级起步,做到10千瓦,到2013年国际首套的1.5兆瓦,2016年的10兆瓦,到现在的100兆瓦,是一步一个台阶的。我们团队是开展压缩储能全套关键技术研究,具有完全的自主知识产权,没有任何技术受制于人或者依托外面单位的,这是我们最核心的竞争力。

压缩空气储能的核心技术主要三个方面,一个是热功转化的部件,压缩机、膨胀机的设计。因为压缩过程是产生压缩热的,如果需要热化储存,需要冷,所以中间热、冷都要循环利用,我们有储冷、储热的换热器。第三方面就是整个系统的集成优化和控制,因为它是一个系统工程,是一个系统的电站,多学科交叉,多过程的耦合。

2013年,我们在河北廊坊建成的1.5兆瓦的系统,建电效率是52.1%,也是拿到了北京市科技进步一等奖。2016年在贵州毕节建了国际首套的10兆瓦系统,建电效率是60.2%,目前已经是全球压缩空气储能里面系统效率最高的了。

我们目前正在做的是百兆瓦系统的研发,做百兆瓦的初衷,动力发动装置,规模越大,单位成本越低,效率越高,跟我们火力发电是类似的。百兆瓦相对于十兆瓦,基本效率能提高10%,单位成本下降30%,经济性会更好。我们第一个百兆瓦的示范项目是在河北张家口,2018年立项,它是国家可再生能源示范区的示范项目,它是100MW的压缩空气储能,匹配了500MW的光伏,300MW的风电,在2018年的时候立项。

整个项目规模100MW,400兆瓦时,充满电能充40万度电,发电功率是100WM能连续发4个小时。这个项目我们选址是在张北的庙滩云计算产业园区内,整个运行一个是可以配他可再生能源,发电上网,同时也可以给张家口的云散中心做供电。

整个百兆瓦的系统2017年完成了整个系统的设计,设计效率是70.4%。2018年开始不间断研制,我们压缩机、膨胀机,包括蓄冷蓄热换热器,在去年9月份、10月份陆续完成了加工和测试,部分设备已经运到了张家口项目现场。

百兆瓦的工作也是受到了国家各部委的关注,其中,在2019年行动计划里面,第二条就是国家发改委牵头要推进百兆瓦压缩空气储能示范验证,同时在2019年,百兆瓦压缩空气储能也列入了国家工信部首套重大技术装备的推广指导名录,可以享受国家政策。

压缩空气储能它最大的优势就是规模大了以后经济性会比较好,所以目前我们单位投资的成本应该是在1000-1250元每千瓦时,基本上按照现有的定价政策算了一下,回收期是在5-9年。因为压缩空气储能它全是机械设备,设计寿命是在30年以上,所以它是一个典型的出投资比较大,但未来长期稳定的收益,全生命周期来看,它的绝对值的收入还是很高的能源电站的投入。单纯从出投资的回收期还并不能完全体现出它的优势,压缩空气储能最大优势是寿命比较长,所以我们也做过一个全生命周期度电成本的分析,考虑到它的出投资,考虑到它全生命周期运行维护成本,再考虑到折现率,我们按照6%的利率算30年,每年运行330天,每发一度电的成本大概是两毛左右。这个度电成本跟抽水蓄能已经基本相当了,比其他的技术还相对来说要便宜一些。

接下来压缩空气储能的发展思路还是要往大规模长时去努力,今年已经启动了单机300兆瓦的系统研发,等于是要提高整个系统的规模。因为压缩空气储能它核心还是要做长时大规模的储能,它对标的更多的还是抽水蓄能,某种意义上和飞轮等一些其他储能技术是优势互补的关系。第二个,要继续提高系统性能。目前我们是在60%-70%的系统效率,我们希望逼近75%。再进一步提高工程方面控制优化的程度,智能化的程度。第三个,进一步降低成本。目前因为压缩空气储能全是机械设备,我们还没有实现大规模的量产,规模化生产以后,机械设备降成本的空间还是很大的,对未来我们的目标是进一步要把投资初投资的成本降到600块钱,甚至进一步做到500块钱每千瓦时,度电成本能够下降到一毛到两毛的范围。第四个,继续加强技术应用及产业化,由产业化公司进一步去完成产品定型,规模化生产,做整个未来市场的推广。

我想分享的内容这么多,大家感兴趣的话欢迎进一步交流,谢谢大家。

(发言为北极星储能网根据速记整理,未经本人审核)

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