鹽穴壓縮空氣儲能技術(shù)應(yīng)用探討

◎ 國興君 馬華興

1.鹽穴利用概況

鹽穴是巖鹽礦利用水溶開采方式開采后形成的地下空腔，具有體積巨大且密封良好的特點。由于巖鹽具有非常低的滲透性及良好的蠕變行為，能夠適應(yīng)儲存壓力的變化；其力學(xué)性能穩(wěn)定，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；對構(gòu)造裂縫或裂隙能夠自行關(guān)閉和密封，能夠保證儲存洞穴的密封性。巖鹽的上述物理化學(xué)特性，使得鹽穴能夠提供一個巨大而安全的地下空間，用于儲存那些不溶解鹽的物質(zhì)，主要用于儲存石油、天然氣以及相關(guān)產(chǎn)品。

目前世界上利用鹽穴改造的儲存庫主要集中在美國、法國、德國、加拿大等歐美國家。自上世紀(jì)六十年代起，國外一些鹽穴儲氣庫即投入運行，目前世界上在役的鹽穴儲氣庫已經(jīng)超過40座。在利用鹽穴儲存石油方面，美國走在世界前列，其所有石油戰(zhàn)略儲備庫全部采用鹽穴庫，歐洲的德、法等國也多為鹽穴庫。利用鹽穴壓縮空氣儲能方面的研究和應(yīng)用，德國起步較早。在上世紀(jì)七十年代，德國亨托夫電站即投入運營，是世界上第一座商業(yè)運營的鹽穴壓縮空氣儲能電站。

鹽穴作為一種不可再生資源，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值，市場前景廣闊。中國雖然有豐富的巖鹽資源，但由于受整體技術(shù)水平及重視程度的影響，在鹽穴利用方面的研究起步較晚，目前已被利用的鹽穴數(shù)量并不多，僅有中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司等少數(shù)企業(yè)涉足鹽穴利用的研究。

2.鹽穴壓縮空氣儲能項目背景

儲能技術(shù)能夠調(diào)節(jié)能量供求在時間、空間、強(qiáng)度和形態(tài)上的不匹配，為電網(wǎng)運行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)，可以顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的消納水平，促進(jìn)能源生產(chǎn)消費開放共享和靈活交易，是智能電網(wǎng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。

為促進(jìn)儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家及地方給予了許多政策支持。2017年4月，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，其中將“先進(jìn)儲能技術(shù)創(chuàng)新”列為中國未來15年的15項關(guān)鍵創(chuàng)新任務(wù)之一。國家發(fā)改委等五部委《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確了促進(jìn)我國儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的保障措施等。國家能源局下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償（市場）機(jī)制試點工作的通知》，鼓勵發(fā)電企業(yè)、售電企業(yè)、電力用戶、電儲能企業(yè)等投資建設(shè)電儲能設(shè)施。各地政府也陸續(xù)出臺了許多政策支持儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如山西能監(jiān)辦發(fā)布了《關(guān)于鼓勵電儲能參與山西省調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)有關(guān)事項的通知》，鼓勵電儲能參與調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)交易，提高電網(wǎng)整體調(diào)節(jié)性能；國網(wǎng)江蘇發(fā)布了《用戶側(cè)儲能并網(wǎng)管理規(guī)定(試行)》，為進(jìn)一步支持用戶側(cè)儲能系統(tǒng)加快發(fā)展提供具體支持等。

隨著儲能技術(shù)需求的不斷增加以及政策對儲能行業(yè)的支持力度不斷加大，研究機(jī)構(gòu)預(yù)測未來四年內(nèi)國內(nèi)儲能市場規(guī)模將逾65GW，儲能行業(yè)將迎來蓬勃發(fā)展。2018年，山東新舊動能轉(zhuǎn)換綜合試驗區(qū)建設(shè)總體方案獲國務(wù)院批復(fù),標(biāo)志著山東新舊動能轉(zhuǎn)換綜合試驗區(qū)建設(shè)正式成為國家戰(zhàn)略，利用鹽穴壓縮空氣儲能成為能源領(lǐng)域投資新方向。面對新形勢新要求，山東肥城精制鹽廠有限公司采取外引內(nèi)聯(lián)的方式，將鹽穴儲氣與壓縮空氣儲能技術(shù)有機(jī)結(jié)合，推動鹽業(yè)這一傳統(tǒng)行業(yè)跨越式發(fā)展，爭取實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。

3.項目概況及技術(shù)方案

山東肥城精制鹽廠有限公司是山東省鹽業(yè)集團(tuán)有限公司下屬企業(yè)，公司巖鹽礦區(qū)位于泰安市大汶口盆地東向鹽礦。該礦位于東經(jīng) 116°53′-117°09′，北緯 35°58′-36°06′，礦床屬于古代內(nèi)陸湖相沉積巖礦床，構(gòu)造上位于魯西隆起區(qū)汶蒙凹陷西端，礦區(qū)總面積36.44km2。公司目前擁有廢棄鹽穴2處，在用的連通礦井9對。公司擬利用廢棄鹽穴與某世界500強(qiáng)全資子公司探討合作事宜，投資3億元建設(shè)鹽穴壓縮空氣儲能項目，項目規(guī)劃總建設(shè)規(guī)模為25MW/200MWh。項目建成后，峰時日用量33000kWh，谷時日發(fā)電量20000kWh。項目建成后可以為地方電網(wǎng)提供調(diào)峰服務(wù)，以及提供200MWh的備用容量以及黑啟動容量。項目一期擬建設(shè)10MW/80MWh。

3.1 項目技術(shù)方案

3.1.1 工藝流程

儲能時，電動機(jī)驅(qū)動多級壓縮機(jī)將空氣壓縮至高壓并儲存至地下鹽穴中，完成電能到空氣壓力能的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能的儲存。在此過程中，各級壓縮機(jī)的壓縮熱通過間冷器換熱回收并儲存在蓄熱介質(zhì)中，回收熱量后的蓄熱介質(zhì)儲存在熱罐中。

當(dāng)釋能時，壓縮空氣從地下鹽穴中釋放并通過節(jié)流閥將壓力降至膨脹機(jī)進(jìn)口壓力，隨后通入多級透平膨脹做功，完成空氣壓力能到電能的轉(zhuǎn)換。在此過程中，來自熱罐的蓄熱介質(zhì)通入各級膨脹機(jī)的級前換熱器，加熱各級膨脹機(jī)進(jìn)口空氣，釋放完熱量的蓄熱介質(zhì)儲存到冷罐中。

該壓縮空氣儲能技術(shù)，儲能和發(fā)電均利用空氣進(jìn)行，能量轉(zhuǎn)換過程中沒有燃燒或電化學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了零碳排放、100%環(huán)保。系統(tǒng)儲能采用常規(guī)的電動機(jī)，發(fā)電采用常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組的發(fā)電形式及運行特點與常規(guī)火力發(fā)電廠相似，系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)于常規(guī)的火力發(fā)電廠和抽水蓄能電站，有益于改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和功率平衡，尤其適于與新能源項目配套或吸納新能源的多余電力。此外，該系統(tǒng)為純機(jī)械系統(tǒng)，壽命長；主要設(shè)備均為常用類型工業(yè)設(shè)備，經(jīng)試驗驗證，可靠性高；系統(tǒng)無高溫部件，維護(hù)成本低。

3.1.2 裝機(jī)方案

根據(jù)公司可用鹽穴技術(shù)參數(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運行情況及結(jié)合負(fù)荷消納情況，擬建設(shè)規(guī)模為壓縮空氣儲能系統(tǒng)25MW/200MWh。壓縮機(jī)總功率45000kW（10kV），膨脹發(fā)電機(jī)發(fā)電功率25000kW。該系統(tǒng)在谷電時段，壓縮機(jī)運行約8h，進(jìn)行充電。在峰電及尖峰時段，膨脹發(fā)電機(jī)運行8h，進(jìn)行放電。項目年運行天數(shù)330天，年耗電量11000×104kWh，年發(fā)電量6600×104kWh。項目可以為地方電網(wǎng)提供調(diào)峰服務(wù)，以及提供200MWh的備用容量以及黑啟動容量。

3.1.3 電氣方案

項目廠址位于XX鎮(zhèn)，負(fù)荷消納區(qū)位該鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)內(nèi)。該鎮(zhèn)電網(wǎng)以220kV和35kV為主，220kV變電站一座容量為2×180000kVA，35kV變電站兩座。該鎮(zhèn)相鄰電網(wǎng)目前情況為距500kV某站10KM，距110kV某站6KM，110kV某站7KM。境內(nèi)共有過境線路500 kV線路兩條、220kV 2條。

（圖 壓縮空氣儲能與電力系統(tǒng)耦合示意圖）

接入系統(tǒng)設(shè)想方案：壓縮空氣儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的耦合如圖1所示，35kV經(jīng)1臺雙繞組變壓器降壓到10kV，接入儲能電站10kV母線。壓縮空氣儲能電站的電源電壓分為10kV和0.4kV兩個等級，采用1臺10/0.4kV變壓器將10kV降壓到0.4kV，作為系統(tǒng)自用電的電源。10kV電壓母線接入壓縮機(jī)的四極同步電機(jī)，平均功率16.8MW，啟動方式采用變頻啟動。10kV電壓母線還要接入透平發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的有功功率為10MW，并網(wǎng)電壓為10kV、頻率50HZ。

4.投資收益

4.1 投資估算

根據(jù)工程投資概算，25MW/200MWh壓縮空氣儲能系統(tǒng)工程總投資3億元，其中設(shè)備投資2.5億元。

4.2 總成本費用估算

每年發(fā)電成本約6660萬元，主要包括折舊費、修理費、職工工資及福利費、勞保統(tǒng)籌費、住房基金、材料費、保險費、利息支出、攤銷費、電網(wǎng)租賃費及其它費用。

每年發(fā)電經(jīng)營成本約4550萬元，其中不包括折舊費、攤銷費和利息支出的全部費用。過網(wǎng)費參照國家能源局《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》（發(fā)改能源【2017】1901號）的規(guī)定估算。

4.3 發(fā)電收入

暫不計電網(wǎng)輔助服務(wù)盈利。測算的發(fā)電收入主要為利用電網(wǎng)峰谷電價差，協(xié)助削峰填谷所得。系統(tǒng)每天運行一個周期，谷電儲能、尖峰時段及高峰時段釋能，年發(fā)電收入6300萬元。

4.4 盈利能力分析

本項目每年收益約1730萬元，靜態(tài)投資回收期為15.44年，總投資利潤率為6.48%，財務(wù)內(nèi)部收益率為4.96%。

5.目前制約項目建設(shè)存在的困難

由于山東省谷電價格較高，使得儲能項目成本高，制約了項目給企業(yè)提供更低的用電電價，導(dǎo)致為企業(yè)節(jié)約的用電費用有限（每年節(jié)約電費僅約200萬元），以及項目投資收益指標(biāo)不理想，需要向國家電網(wǎng)公司爭取一些政策支持。如能夠爭取到更優(yōu)惠的低谷電價或電網(wǎng)容量電價，或購買周邊棄風(fēng)電量進(jìn)行儲存，將顯著提升項目收益率。