中鹽金壇建壓縮空氣儲能電站，儲能領(lǐng)域“前沿中的前沿”

鄭明陽 賴 杰

（作者單位：中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司）

位于江蘇省常州市金壇區(qū)的鹽穴壓縮空氣儲能項目是國家級試驗示范項目，是儲能領(lǐng)域“前沿中的前沿”。2018年12月25日，該項目在金壇奠基。

金壇鹽盆是我國東部地區(qū)綜合指標(biāo)最佳的大型鹽礦，中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司（以下簡稱“中鹽金壇公司”）自2007年與中石油合作建設(shè)第一座鹽穴天然氣儲氣庫以來，一直堅持鹽穴的綜合利用開發(fā)。目前，金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目是繼天然氣儲氣庫后又一個鹽穴再利用方式。

空氣也能用來儲能發(fā)電

鹽穴壓縮空氣儲能電站是儲能電站的形式之一。其類似于目前常見的抽水蓄能電站。抽水蓄能電站在夜間用電低谷時，用電將水抽上大壩；白天用電高峰時再將水釋放發(fā)電。鹽穴壓縮空氣儲能電站則將大壩換成了鹽穴，將水換成了空氣。

水可以儲能發(fā)電，空氣也能用來儲能發(fā)電。鹽穴壓縮空氣儲能技術(shù)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)實現(xiàn)能量的存儲轉(zhuǎn)化。通過這種新型技術(shù)，可從電網(wǎng)吸納用電低谷時的 “過剩電能”——電動機驅(qū)動多級壓縮機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勢能的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能的儲存。在此過程中，各級壓縮機同時產(chǎn)生壓縮熱，通過間冷器換熱回收這部分壓縮熱并儲存在蓄熱介質(zhì)中，蘊含熱量的蓄熱介質(zhì)則儲存在熱罐中。

用電高峰到來之時，釋放空氣進(jìn)入透平膨脹機即可做功發(fā)電返回電網(wǎng)，完成空氣壓力勢能到電能的轉(zhuǎn)換。在此過程中，來自熱罐的高溫蓄熱介質(zhì)通入各級膨脹機的級前換熱器，加熱各級膨脹機進(jìn)口空氣，釋放完熱量的蓄熱介質(zhì)儲存到冷罐中。

鹽穴壓縮空氣儲能電站這種工作模式可大幅改善發(fā)電用電的時空結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電力供需的“削峰填谷”。

清華大學(xué)教授梅生偉介紹說：“目前，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站采用非補燃先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)，其電電儲能效率達(dá)到60%以上，除供電外還能夠?qū)崿F(xiàn)供熱和供冷，能量綜合效率可達(dá)85%。而隨著技術(shù)研發(fā)的推進(jìn)，未來系統(tǒng)的儲能效率會進(jìn)一步提升，有望突破70%?！?/p>

清華大學(xué)電機系薛小代博士細(xì)數(shù)了鹽穴壓縮空氣儲能在容量、壽命、成本和環(huán)保上的各種優(yōu)勢。鹽穴壓縮空氣儲能采用空氣作為清潔的儲能介質(zhì)，是無燃燒的純機械物理儲能裝置，具有清潔環(huán)保的特性。它前期的生產(chǎn)和后期的報廢都不會產(chǎn)生任何排放和污染。壓縮空氣儲能電站配置的鹽穴儲氣庫容量大，使其單機容量就可以做到二三十萬千瓦，能夠更好地發(fā)揮儲能作用。壓縮空氣儲能電站的運行壽命長。德國亨托夫（Huntorf）補燃壓縮空氣儲能電站自1978年建立至今已運行40 余年，且仍在正常運營。金壇壓縮空氣儲能電站的設(shè)計壽命就是四十年以上。壓縮空氣儲能還具有特殊功能特性，其除了依靠電機運轉(zhuǎn)發(fā)電之外，還對電網(wǎng)有無功支撐、調(diào)相的作用，另外也可以供冷和供熱。

建設(shè)鹽穴空氣儲能項目的挑戰(zhàn)

金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目是中國創(chuàng)造的優(yōu)秀代表。由于這是國際率先采用非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)的壓縮空氣儲能電站，項目團隊沒有相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗可以借鑒，只能自行研發(fā)。中鹽金壇公司副總工程師王國華介紹道：“由于項目采用了非補燃技術(shù)，與目前國外的兩座補燃壓縮空氣儲能電站有技術(shù)上的差異，我們也只能借鑒參考一小部分，幾乎所有技術(shù)都要從零開始進(jìn)行研發(fā)、創(chuàng)新。”據(jù)了解，目前項目所有的核心系統(tǒng)都是項目團隊創(chuàng)新攻關(guān)的成果。薛小代表示：“在項目的核心系統(tǒng)，如空氣的高效高溫壓縮技術(shù)、大流量空氣的高效傳熱技術(shù)、空氣高效膨脹技術(shù)、空氣大容量注采器、電力調(diào)度控制技術(shù)等，我們都擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，大概有五十余項發(fā)明專利?！?/p>

項目團隊還遇到了地下工程的問題。中鹽在項目建設(shè)過程中，中鹽金壇公司總經(jīng)理管國興說：“地下建設(shè)鹽穴儲氣庫大家都沒有經(jīng)驗，不知道怎么做。需要各種各樣的資料去論證。專家過來論證的時候，有兩大問題，第一個，地下造腔工藝復(fù)雜、難度高；第二個，建腔會出來大量的鹵水，消化平衡鹵水怎么解決？”

金壇鹽盆的鹽穴平均深度達(dá)一千多米，開采只能通過一口管道井，操作起來十分困難。王國華解釋說：“在造腔過程中，首先需要不斷監(jiān)測腔室情況。中鹽金壇和德國搜空聲納鹽穴測量公司合作使用聲吶探測來看清地下的情況。另外還需要根據(jù)不同的存儲需求塑造可承受不同壓力的不同形狀的鹽穴。鹽穴壓縮空氣儲能電站需要利用鉆井、造腔等工藝將鹽穴塑造成“梨形”的儲氣庫。自2007年以來，中鹽金壇就已建成三大鹽穴天然氣儲氣庫群，現(xiàn)在公司的鹽穴造腔工藝在國內(nèi)屬于一流的，甚至是處于引領(lǐng)地位的?！?/p>

對于造腔過程中的鹵水問題，中鹽金壇本身即能消化平衡鹵水。管國興說：“中鹽金壇可以消化建腔過程中采出的鹵水，將其作為真空制鹽的原料。”

對于壓縮空氣儲能這一新型的技術(shù)，目前國家沒有現(xiàn)成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有運營機制和價格機制可以參照。對此，王國華表示：“現(xiàn)在我們正在著手準(zhǔn)備起草非補燃壓縮空氣儲能電站的全套相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這也是國家試驗示范項目給我們的一個重要任務(wù)，以便后期壓縮空氣儲能電站的快速推廣?！?/p>

鹽穴儲能前景廣闊

鹽穴是地下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)，如石油、天然氣以及相關(guān)產(chǎn)品，空氣、氫氣，甚至核廢料等。

“中鹽金壇一直引領(lǐng)我國鹽行業(yè)的發(fā)展，在鹽穴天然氣儲氣庫、做鹽穴壓縮空氣儲能方面，我們都是國內(nèi)第一個做的?！蓖鯂A說。同時中鹽金壇還在積極開發(fā)鹽穴戰(zhàn)略儲備石油庫和液化天然氣儲存庫，并積極研發(fā)鹽穴電池儲能技術(shù)、和氫氣儲存庫技術(shù)。

鹽礦企業(yè)采完鹽之后，會留下閑置的鹽穴。而鹽礦企業(yè)需要對這些鹽穴進(jìn)行定期檢測，并對地下保持一定的壓力，防止鹽穴變形和相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害。將鹽穴開發(fā)利用，也是一種維護(hù)措施，而且有利于鹽礦企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。王國華解釋說：“鹽穴開采是在一個鹽丘里面，用水溶法把鹽融化，再把鹵水抽出來，形成一個空洞，再把空洞注滿水，所以相應(yīng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有被破壞。鹽穴的再利用其實就是一種修復(fù)措施。而且鹽穴開采利用，早在上世紀(jì)50年代歐美國家就已經(jīng)開始，沒有出現(xiàn)過問題?！?/p>

重慶大學(xué)姜德義教授也曾在第四屆鹽穴利用國際研討會報告中指出，我國鹽礦資源豐富，已探明的礦區(qū)約150 處，井礦鹽總儲量約7 萬億噸， 井礦鹽年產(chǎn)量近5000 萬噸，累計形成地下鹽穴空間超過2.5 億方。現(xiàn)有記錄的鹽穴約1500 個，僅江蘇淮安、河南平頂山等地有鹽穴老腔500 余個，大部分充滿鹵水，處于廢棄閑置狀態(tài)，且主要集中分布在我國中東部地區(qū)，與我國主要的油氣消費區(qū)重疊。利用鹽穴作為能源儲備具有廣闊前景，如果能充分利用這些鹽穴，將為我國能源儲備提供大規(guī)模寶貴空間。

儲能是能源革命的重要技術(shù)支撐

“未來的能源系統(tǒng)主要以清潔能源為主，儲能就成為支撐未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵，在未來的發(fā)電、用電、輸電和配電這幾個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。未來的能源系統(tǒng)是離不開儲能的?！毖π〈赋觯瑑δ苁悄茉锤锩闹匾夹g(shù)支撐。

在國家能源局印發(fā)的《2018年能源工作指導(dǎo)意見》中，要求加快先進(jìn)儲能技術(shù)示范項目建設(shè)，推動先進(jìn)儲能技術(shù)應(yīng)用。出臺關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見，切實提高電力系統(tǒng)調(diào)峰和消納清潔能源的能力。扎實儲能技術(shù)試點等示范項目建設(shè)，在試點基礎(chǔ)上積極推廣應(yīng)用。表明了儲能是我國未來能源發(fā)展方向之一，以及國家對儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持。

電的存儲是比較麻煩的，尤其是這種大規(guī)模的電力存儲技術(shù)更是復(fù)雜。薛小代表示，目前發(fā)展儲能技術(shù)，主要是應(yīng)對我國電網(wǎng)的幾個需求。一是大電網(wǎng)的削峰填谷。二是新能源的消納：風(fēng)電、光伏發(fā)電具有波動性，直接消納的話會對電網(wǎng)造成沖擊；儲能技術(shù)相當(dāng)于給電網(wǎng)加了一個適配器，很好的緩解了這種沖擊。三是未來智能電網(wǎng)的靈活性：不管是分布式的還是集中式的，都需要儲能來靈活處理，以支撐未來智能電網(wǎng)的發(fā)展。

對為應(yīng)對國家能源工作儲能技術(shù)的發(fā)展需求，金壇將被江蘇省規(guī)劃為大型的儲能調(diào)控基地。而金壇鹽穴空氣儲能項目正是儲能調(diào)控基地走出的第一步。

管國興指出：“目前我國儲氣罐技術(shù)很完備，但是地面儲氣罐不可能做得很大。壓縮空氣儲能電站和地下鹽穴相結(jié)合又是另外一條發(fā)展路。地下鹽穴儲氣空間特別大，鹽穴壓縮空氣儲能電站的規(guī)模也可以跟著做得很大，鹽穴儲能潛力非常大?！?/p>

王國華表示，我國目前的儲能產(chǎn)業(yè)主要依賴抽水蓄能電站，產(chǎn)業(yè)單一，急需大規(guī)模儲能新技術(shù)。而鹽穴壓縮空氣儲能項目的出現(xiàn)突破了這一困境。鹽穴壓縮空氣儲能項目的建設(shè)還能促進(jìn)儲能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如大規(guī)模壓縮機技術(shù)、空氣透平技術(shù)等。