新型壓縮空氣儲能及其技術(shù)發(fā)展

張文, 王龍軒, 叢曉明, 王鑫雨, 韋文玉, 白振宇, ZUHAIB UL HASSAN Lashari

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院, 西寧 810016; 2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室, 西寧 810016; 3.青海省地質(zhì)測繪地理信息院, 西寧 810025)

全球變暖是以二氧化碳為主的溫室氣體在全球范圍內(nèi)大量累積的結(jié)果。其中,燃燒化石燃料所造成的人為排放是大氣中碳含量激增的主要原因之一[1]。近20年,全球碳排放量增長了近50%;2020年,能源領(lǐng)域的溫室氣體排放總量達到了38.62 Gt二氧化碳當(dāng)量(CO2eq)的歷史最高水平,其中63%來自煤炭和石油的消耗[2]。傳統(tǒng)化石燃料的使用對環(huán)境的負面影響日益凸顯[3],國際能源形勢十分嚴峻。

在此背景下,中國積極實施“雙碳”戰(zhàn)略以響應(yīng)全球減碳環(huán)保行動[4]。中國風(fēng)電、光伏等低碳清潔的可再生能源(即綠電)在整體能源消費中的占比不斷提升[5]。此類新能源在發(fā)電應(yīng)用中也暴露出波動性、間歇性和不確定性[6-7]等問題。研究表明,儲能技術(shù)所具有的能量隨時間遷移能力[8]可為大規(guī)?？稍偕茉吹牟⒕W(wǎng)問題,提供有效的解決方案[9]。

儲能的目的是“將難以儲存的能量形式轉(zhuǎn)換成易于儲存的形式,以便在需要時恢復(fù)為原始形式”[10]。目前儲能技術(shù)發(fā)展快速、種類眾多,根據(jù)其所采用的核心技術(shù),主要可分為化學(xué)能儲能、機械能儲能和熱能儲能[11]。其中,化學(xué)能儲能技術(shù)主要包括鉛酸蓄電池[12]、金屬空氣電池、鎳鎘電池、鋰離子電池和鈉硫電池等[13];機械能儲能的主要技術(shù)有抽水儲能(pumped hydro storage,PHS)、飛輪儲能(flywheel energy storage,FES)和壓縮空氣儲能(compressed air energy storage,CAES)[14];熱能儲能技術(shù)則包括地?zé)醿δ?、太陽能儲能和熔鹽儲能等。

上述儲能技術(shù)各有優(yōu)劣。其中,CAES具有儲能容量大、周期長、系統(tǒng)效率高、運行壽命長、投資小等優(yōu)勢[15],且相對于其他儲能技術(shù)而言更具有商業(yè)化大規(guī)模運行的條件[16-17],發(fā)展前景廣闊,受到了科研工作者和業(yè)界的極大關(guān)注。

目前,中外針對CAES的研究進展主要集中在相關(guān)技術(shù)的改進優(yōu)化和規(guī)?；瘧?yīng)用兩個方面。就前者而言,萬明忠等[18]以湖北應(yīng)城CAES項目為研究對象,通過分析高精度三維地震勘探在鹽穴物探上的應(yīng)用實踐,指出該技術(shù)在鹽穴腔體分布識別方面的重要作用。朱榮強等[19]研究了洞室埋深及高跨比對圍巖穩(wěn)定性的影響,結(jié)論指出洞室高跨比保持在2.5～3.0時圍巖穩(wěn)定性最好。Jiang等[20]利用先導(dǎo)洞穴測試與數(shù)值模擬結(jié)合的方法,研究了花崗巖圍巖條件下纖維增強塑料密封層和混凝土襯砌的熱力學(xué)響應(yīng)和機械響應(yīng),實驗結(jié)果論證了該襯砌對圍巖變形量具有顯著的削弱作用。De等[21]研究了恒定傳熱系數(shù)、5～8 MPa運行工況下的儲氣庫密封層性能,結(jié)果表明,玻璃鋼和鋼材作為密封層時可以有效降低注采期間的儲庫溫差并削弱溫度效應(yīng)對圍巖的影響。在CAES的規(guī)?；瘧?yīng)用研究方面,孫曉霞等[22]系統(tǒng)地研究了CAES與風(fēng)能、光能、生物質(zhì)能以及氫能等可再生能源的耦合可行性。Xu等[23]通過搭建微型CAES試驗平臺,論證了微型CAES在分布式能源系統(tǒng)方面的適用性。Mazloum等[24]將勞動經(jīng)濟模型與熱力學(xué)模型、遺傳算法相結(jié)合,用以評估CAES系統(tǒng)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用的投資收益。Llamas等[25]研究了西班牙某盆地的沼氣資源與CAES結(jié)合的理論可行性,結(jié)論指出該技術(shù)在投入商業(yè)化運營后將帶來極大的生態(tài)和經(jīng)濟效益。

上述學(xué)者分別從地質(zhì)條件、儲庫構(gòu)造以及運行工況等方面研究了CAES的技術(shù)發(fā)展,并針對其與可再生能源的大規(guī)模耦合等應(yīng)用問題,貢獻了大量寶貴的研究經(jīng)驗和理論成果。然而,已有的研究進展在對新型CAES及其相關(guān)技術(shù)理論方面尚為欠缺,且對中外新型CAES的最新應(yīng)用實例的研究有待進一步深入。

綜上所述,立足于全球能源現(xiàn)狀和中國能源戰(zhàn)略,闡述CAES及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷史,著重關(guān)注新型CAES的動態(tài)發(fā)展情況,并結(jié)合中外最新應(yīng)用實例,分析其優(yōu)缺之處和生態(tài)經(jīng)濟效益。最后,總結(jié)CAES的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢,并探討CAES當(dāng)下發(fā)展所面臨的難題與挑戰(zhàn)。旨在論證新型CAES作為綠電儲能新技術(shù)路徑的可行性,為中國可再生能源的存儲與轉(zhuǎn)換工作提供一定的理論依據(jù)。

1 傳統(tǒng)壓縮空氣儲能

1.1 壓縮空氣儲能(CAES)誕生背景

使用壓縮空氣作為儲能介質(zhì)進行能量存儲的基本想法可追溯到20世紀(jì)40年代。1949年,德國工程師Stal Laval獲得了利用空氣在地下儲氣硐室內(nèi)儲存電力的專利[26],CAES技術(shù)宣告問世。 CAES技術(shù)是在燃氣輪機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[27-29],它是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和長期儲能的動力存儲系統(tǒng),并可通過單個單元輸出超過100 MW的功率。主要目的就是解決大量廉價的非高峰時段電力遭到浪費,而高峰時段的電力需求量卻不斷增加的電能儲存和轉(zhuǎn)換的問題。

1.2 CAES技術(shù)及其工作原理

如圖1所示。CAES通過壓縮空氣單元將多余的電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的壓力能,每當(dāng)有電力需求時,即釋放儲存在油箱或其他存儲空間中的壓縮空氣,從而推動膨脹器工作以產(chǎn)生電力,實現(xiàn)能量在時間和空間上的轉(zhuǎn)移。

圖1 CAES電站工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of CAES power plant

傳統(tǒng)燃氣輪機技術(shù)是將空氣經(jīng)過壓縮機壓縮后,進入燃燒室同燃料一起燃燒加熱升溫,產(chǎn)生高溫高壓燃氣進入透平膨脹做功。一般燃氣輪機用渦輪軸輸出功率的1/2～2/3作為空壓機的驅(qū)動,期間燃氣輪機的壓縮機需消耗約60%的透平輸出功,導(dǎo)致其凈輸出功遠低于透平的輸出功[30]。CAES的不同之處在于壓縮機與膨脹機并不同時工作。壓縮機利用富余的電能將空氣壓縮儲存于儲氣裝置中,這個過程稱為儲能。在釋放能量的過程中,壓縮空氣從儲氣裝置進入燃燒室與固體氧化物等燃料一同燃燒,推動膨脹機組工作[31]。由于儲能和釋能工作錯時進行,后者并沒有壓縮機消耗透平的輸出功。因此,CAES產(chǎn)生的功率通常是燃氣輪機系統(tǒng)的2～3倍[32]。

2 新型壓縮空氣儲能研究進展

2.1 新型CAES的分類

CAES的分類標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年發(fā)展,目前主要以儲存容量和熱源為劃分依據(jù)。

按照儲存容量為依據(jù),CAES可分為大型CAES系統(tǒng)(100 MW級)、小型CAES系統(tǒng)(10 MW級)和微型CAES系統(tǒng)(10 kW級)。其中,大型CAES系統(tǒng)儲氣容量要求較高,調(diào)峰能力強,同時能與地?zé)崮?、太陽能、氫能等可再生能源相結(jié)合共同工作[33]。由于其主要使用大容積的儲氣室,如鹽穴[34]、礦硐[35]、枯竭油氣藏或含水儲層等[36]。因此,其受場地的影響也最大。小型CAES系統(tǒng)可采用人工高壓容器作為儲氣裝置,也可與光伏等可再生能源形成耦合系統(tǒng),靈活性強,適用于住宅等小型電網(wǎng)的供能[37]。微型CAES系統(tǒng)的單機發(fā)電能力較弱,所需儲氣容積也較小,一般可作為家庭備用電源或應(yīng)用于新型車載系統(tǒng)[38- 39]。

按照熱源為依據(jù),CAES可分為非絕熱壓縮空氣儲能(diabatic compressed air energy storage,D-CAES)、絕熱壓縮空氣儲能(adiabatic compressed air energy storage,A-CAES)和等溫非絕熱壓縮空氣儲能(isothermal diabatic compressed air energy storage,I-CAES)等。

2.2 非絕熱壓縮空氣儲能(D-CAES)

如圖2所示。D-CAES的組成一般包括:①壓縮機系統(tǒng),通常為中間冷卻的多級壓縮設(shè)備;②膨脹機系統(tǒng),通常為中間再熱的多級膨脹裝置;③儲氣室或儲氣設(shè)備系統(tǒng),例如高壓容器或者天然洞室;④燃燒室和換熱系統(tǒng),分別負責(zé)燃燒和熱回收工作;⑤發(fā)電機系統(tǒng);⑥控制系統(tǒng)及相應(yīng)的輔助設(shè)備,如控制站、儀表、閥門等[40-41]。

圖2 D-CAES工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working principle of D-CAES

D-CAES的工作原理可概述為:壓縮空氣與燃料混合燃燒所產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動膨脹機工作,期間包括壓縮時的冷卻和膨脹時的再加熱過程。它通過削減壓縮機組的能耗,并在壓縮空氣從儲氣室進入燃燒室后,利用燃料進一步提高溫度,從而提升壓縮空氣的焓值并提高其做功能力,以達到提高循環(huán)效率的目的。

雖然D-CAES技術(shù)的燃料效率不高,且往返效率僅為40%[32]。但其可提供更長的儲能時間以更好地滿足調(diào)峰供電需求,仍是部分CAES電站建設(shè)時所著重考慮的技術(shù)之一。

2022年12月,Corre Energy公司宣布與荷蘭公用事業(yè)公司Eneco就位于Zuidwending的CAES項目展開全部產(chǎn)能的合作。該項目位于荷蘭東北部格羅寧根省的Zuidwending小鎮(zhèn),基于D-CAES技術(shù)并采用地下鹽穴作為儲氣容器(圖3[42])。項目擬于2023年開工,計劃于2026年投產(chǎn)使用。

圖3 荷蘭Zuidwending的CAES項目原理示意圖[42]Fig.3 Schematic diagram of CAES project in Zuidwending, Netherlands[42]

Zuidwending項目具備220 MW的壓縮容量,并分配給四臺55 MW的壓縮機以保持其在工作中的靈活性。壓縮階段,該項目采用了空氣和水混合冷卻塔技術(shù)以維持洞穴內(nèi)的氣溫在約50 ℃,保證設(shè)施處于穩(wěn)定和安全的理想溫度。發(fā)電階段,該項目使用兩臺總?cè)萘繛?20 MW的渦輪膨脹機做功,期間采用氫氣再次加熱空氣[42]。

該項目擬儲存4 GW·h的電能,可滿足158 000戶家庭的用電需求。項目旨在提高荷蘭可再生能源的消耗占比,并助力實現(xiàn)該國家2035年的氣候中和目標(biāo)。這個高度創(chuàng)新的項目有望在整個歐洲實現(xiàn)一種全新的、100%可再生的大規(guī)模儲能技術(shù)。

2.3 絕熱壓縮空氣儲能(A-CAES)

A-CAES是將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量存儲在儲熱裝置中以用于提高壓縮空氣在能量釋放階段的溫度,其工作原理如圖4所示。

圖4 A-CAES工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the working principle of A-CAES

在理想的A-CAES循環(huán)過程中,儲存壓力和儲存溫度對循環(huán)效率沒有影響,實現(xiàn)了循環(huán)過程中的能量平衡,即無需再依賴外部輸入燃料。由于其儲熱裝置、換熱裝置、膨脹機等重要部件長時間工作在高溫條件下,其耐久性和穩(wěn)定性要求也相對較高[43],意味著所用設(shè)備必須滿足相當(dāng)大的材料要求。此外,由于熱壓縮空氣的密度相對較低,需要采取相應(yīng)的措施以防止熱量損耗,這些技術(shù)條件表明,A-CAES具有較高的初始投入成本。

2022年8月,加拿大公用事業(yè)級儲能設(shè)施開發(fā)商Hydrostor宣布將于美國加利福尼亞州克恩縣建設(shè)一座A-CAES電站——Willow Rock儲能中心。該項目擬將加州不斷增長的太陽能和風(fēng)能資源,直接轉(zhuǎn)化為洛杉磯地區(qū)和整個加州電網(wǎng)所需的可靠峰值電力容量,無需消耗化石燃料。Willow Rock儲能中心的A-CAES電站將提供高達500 MW/4 000 MW·h的電力容量,建成運營后將對該區(qū)域帶來超過5億美元的直接或間接的經(jīng)濟和社會效益。

此外,為了克服非絕熱CAES裝置在充電期間壓縮所產(chǎn)生的熱量被排放出去、發(fā)電期間需要燃燒熱來替代的缺陷,歐盟開展了一項名為先進絕熱壓縮空氣儲能(advanced adiabatic compressed air energy storage,AA-CAES)的研究任務(wù)[44]。AA-CAES系統(tǒng)在膨脹模式下運行時,通過集成熱能儲存子系統(tǒng),壓縮空氣中存儲的能量并轉(zhuǎn)換成電力輸出,省略了燃燒過程。假設(shè)壓縮階段所需電力來自零碳能源,那么AA-CAES系統(tǒng)的碳排放即為零。該系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是換熱器,其負責(zé)完成將壓縮機中的冷卻空氣和每個渦輪的進氣空氣加熱的過程。這些換熱器從高溫壓縮空氣中吸收熱量,并將其熱能儲存起來以供后續(xù)再加熱空氣膨脹時使用。

AA-CAES系統(tǒng)的總往返效率高于傳統(tǒng)CAES技術(shù)[32],引起了綠電儲能研究的極大關(guān)注。2017年5月,中國國家能源局批準(zhǔn)“中鹽金壇鹽穴壓縮空氣智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)國家示范項目”立項,該項目采用清華大學(xué)盧強院士和梅生偉教授團隊所研發(fā)的基于AA-CAES的非補燃CAES技術(shù),是中國首座50 MW級AA-CAES國家級儲能示范項目。

2.4 等溫非絕熱壓縮空氣儲能(I-CAES)

I-CAES技術(shù)是通過使用特定的控溫手段使空氣在壓縮及膨脹過程中的溫度維持在一定范圍內(nèi)的新型儲能技術(shù)[45]。依據(jù)熱力學(xué)理論,等溫壓縮過程中消耗的壓縮功最小,等溫膨脹過程中產(chǎn)生的膨脹功最大[46]。故I-CAES系統(tǒng)的主要目的是防止壓縮機在充電期間的溫度升高和膨脹裝置在釋能期間的溫度下降。因此,I-CAES系統(tǒng)采用多級壓縮筒和膨脹筒以加強熱交換,保持系統(tǒng)運行過程中的等溫特性。

2019年,美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)基于I-CAES技術(shù)原理,發(fā)明了一項名為地面集成多元儲能系統(tǒng)(ground-level integrated diverse energy storage,GLIDES)新型高效儲能系統(tǒng)[47]。

如圖5所示,GLIEDS系統(tǒng)包括:常壓液體存儲儲層、預(yù)加壓的壓力容器、壓縮氣體(如空氣、氮氣、二氧化碳等)、泵機或電機和水輪機或發(fā)電機[48]。為達到儲能的目的,液體被泵機泵出儲層并進入壓力容器,直至電力耗盡或達到最大許用壓力。同時為了回收儲存的能量,在高水頭的水通過水輪機(如Pelton水輪機或液壓馬達)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機并釋放電能。在此過程中使用的液體被返回到常壓液體儲液器,并在下一次充液過程中重復(fù)使用。此外,如果有低品質(zhì)的廢熱可用,如從空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器、太陽能熱水接收器、聯(lián)合產(chǎn)電系統(tǒng)、地?zé)峋u輪機或煙囪排放的廢熱,則其可以用于進一步提高氣體壓力,以增加產(chǎn)電量。

圖5 GLIDES系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the working principle of the GLIDES system

原型測量數(shù)據(jù)及熱力學(xué)分析表明,在電網(wǎng)規(guī)模上,這項變革性技術(shù)將顯著優(yōu)于鉛酸電池,在存儲成本低于鉛酸電池1/2(180～400美元/kW·h)的情況下,提供高達80%的往返效率[49]。盡管像GLIDES系統(tǒng)這樣的I-CAES技術(shù)在住宅和商業(yè)建筑中的應(yīng)用仍處于開發(fā)階段,但其在小規(guī)模建筑方面的應(yīng)用正受到越來越多來自業(yè)界的關(guān)注。

3 壓縮空氣儲能研究的新領(lǐng)域

近年來,為適應(yīng)特定條件下的綠電儲能需要,在CAES技術(shù)的基礎(chǔ)上,革新或衍生了一些新型CAES技術(shù),主要有液化空氣儲能(liquid air energy storage,LAES)、超臨界壓縮空氣儲能(supercritical compressed air energy storage,SC-CAES)和海上壓縮空氣儲能(offshore compressed air energy storage,O-CAES)等。

3.1 液化空氣儲能(LAES)

LAES是一種熱機械儲能技術(shù),由于其具備高擴展性、沒有地理或地質(zhì)約束、成本效益高(單位千瓦投資成本0.6×104～0.8×104元[50])和多向能源服務(wù)等優(yōu)勢[51],受到了儲能研發(fā)者們的廣泛關(guān)注。

如圖6[52]所示,一個獨立的LAES通常包括3個關(guān)鍵子系統(tǒng):①用于充電的液化單元(liquefaction fueling unit,LFU);②存儲子系統(tǒng);③用于放電的功率回收單元(power recovery unit,PRU)。其中,存儲子系統(tǒng)又包括存儲液態(tài)空氣的主存儲單元、存儲壓縮熱的單元和存儲高級冷能的單元。

圖6 LAES工作原理示意圖[52]Fig.6 Schematic diagram of the working principle of LAES[52]

充電時,LFU采用非峰值的低成本電力或可再生能源,通過多級壓縮將凈化空氣壓縮至高壓(充電壓力),然后通過冷箱和冷庫之間的再循環(huán)空氣在冷箱中冷卻。最后,液態(tài)空氣由膨脹機生成,并常壓下儲存在液態(tài)空氣儲存罐中。與此同時,壓縮熱被回收并儲存在儲熱器中,其效率約為98%[53]。放電時,先將存儲的液態(tài)空氣泵送到更高的壓力(放電壓力),并在此過程中收獲和儲存冷能。儲存的冷能會在LFU中得到重復(fù)利用,以提高液態(tài)空氣的產(chǎn)量并增加能量效率。高壓空氣先受到環(huán)境熱的加熱,再被儲存的壓縮熱的過度加熱,最后在空氣渦輪機組中膨脹以發(fā)電。LAES的整個工作過程中,高效的液化和功率回收過程是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵要素。

2012—2019年,世界上第一個LAES試驗工廠于英國伯明翰大學(xué)建成(350 kW/2.5 MW·h)[54];2018—2020年,Highview Power公司于曼徹斯特建成了LAES預(yù)商業(yè)化電站(5 MW/15 MW·h)[55]。此外,LAES與外部冷熱源、可再生能源的適用性良好,且隨著可再生能源需求量的不斷增大,更多的LAES電站將被陸續(xù)建造并投入使用。

3.2 超臨界壓縮空氣儲能(SC-CAES)

傳統(tǒng)的CAES系統(tǒng)存在依賴化石燃料、大儲氣容器、效率低、能量密度低等缺點[56]。針對這一問題,紀(jì)律等[57]首次提出了SC-CAES系統(tǒng),該系統(tǒng)同時消除了對化石燃料和大容量儲氣裝置的依賴,且具有較高的往返效率(67%)和能量密度3.4×105kJ/m。

如圖7[58-59]所示,SC-CAES系統(tǒng)由壓縮機、膨脹機、冷熱交換器、儲熱器和發(fā)電機等組成。其中,壓縮機和膨脹機分別設(shè)置有中冷器和再熱器。對前者而言,這不僅降低了壓縮功耗,同時回收了壓縮熱;后者則可以利用回收的壓縮熱提高輸出功率。2011年,中科院工程熱物理研究所于北京建成15 kW原理樣機[57];2013年,在河北廊坊建成1.5 MW物理儲能綜合實驗與驗證平臺[60]。SC-CAES技術(shù)利用超臨界狀態(tài)下的流體所具有的液體和氣體的雙重優(yōu)點,正在引領(lǐng)壓縮空氣儲能技術(shù)朝著新的發(fā)展方向前進。

圖7 SC-CAES工作原理示意圖[58-59]Fig.7 Schematic diagram of the working principle of SC-CAES[58-59]

3.3 海上壓縮空氣儲能(O-CAES)

1997年,Seymour[61]首次提出了O-CAES的概念:將空氣儲存在海底的開放式容器中,然后通過管道將空氣輸送回在陸地上的膨脹器以參與發(fā)電工作。此外,還有學(xué)者采用水下提拉袋式空氣蓄能器[62- 63]、漂浮儲氣裝置和波浪(潮汐)能量轉(zhuǎn)換器[64]以及利用海底洞穴等空氣儲存方法。

一般的O-CAES系統(tǒng)由壓縮機、渦輪、發(fā)電機、熱回收單元(thermal recovery unit,TRU)和存儲裝置5個主要部件組成,其中儲氣室由一系列空氣蓄能器組成并統(tǒng)一連接至空氣輸送管網(wǎng)。在系統(tǒng)的儲能充電階段,大氣空氣被壓縮并輸送到空氣蓄能器中,壓縮過程中產(chǎn)生的熱量由TRU等一系列熱交換器吸取,并存儲在合適的儲熱介質(zhì)中。系統(tǒng)放電時,空氣首先從蓄能器中釋放出來,再由TRU加熱并通過渦輪膨脹,發(fā)電機與渦輪連接以此產(chǎn)生電力。

O-CAES利用了與水深相關(guān)的靜水壓力,由于世界各地的深水空間較陸地而言更加充足。因此,安裝在水下的設(shè)備不會擠占陸地空間。同時O-CAES的故障對環(huán)境和安全的影響比地下CAES工廠或抽水蓄能工廠的故障影響相對較小[62]。圖8[64]為兩種O-CAES工廠的應(yīng)用形式。

圖8 O-CAES的兩種應(yīng)用形式[64]Fig.8 The two application forms of O-CAES[64]

O-CAES的另一個優(yōu)點源于水的流體性質(zhì),水下壓縮空氣存儲的體積可以隨著自身的填充和排空而變化。因此,存儲的空氣壓力大致恒定且與存儲的空氣量無關(guān)。這種等壓特性與使用穿梭池的洞穴儲存時獲得的特性相似[65],并且允許使用比沒有穿梭池的洞穴儲存等壓系統(tǒng)更有效的葉輪機械。其中,洞穴中的氣體體積在所有填充水平保持恒定。

2015年,位于加拿大安大略湖西部的多倫多島儲能示范項目(1 MW/4 MW·h)竣工并投入使用[66],該項目由Hydrostor和公用事業(yè)東道主Toronto Hydro共同開發(fā)。

如圖9[67]所示。該項目的儲能系統(tǒng)實際上由充氣氣球組成,布置在安大略湖表面下約55 m、離岸約2.9 km處。其工作原理是通過壓縮機將壓縮空氣輸送到水下,并儲存在6個大型氣球狀結(jié)構(gòu)中。當(dāng)需要電力時,水壓可通過一根大型管道將空氣推至水面,然后膨脹機再將空氣轉(zhuǎn)化為電力輸出。在系統(tǒng)峰值輸出時,存儲單元能夠為約330戶家庭供電(660 kW)。根據(jù)消耗的電量,該系統(tǒng)目前可以運行一個多小時,但未來水下氣腔的擴容將有望大幅延長這一持續(xù)時間。

圖9 加拿大多倫多島儲能示范項目示意圖[67]Fig.9 Schematic diagram of the energy storage demonstration project on Toronto island, Canada[67]

目前,多倫多島儲能示范項目的往返效率可達70%以上[68],得益于利用靜壓補償儲氣系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢,即無論充放電狀態(tài)如何,儲氣裝置都將保持近乎恒定的壓力,并且僅需較小的存儲體積。項目采用Hydrostor公司所研發(fā)的TerraTM系統(tǒng),該系統(tǒng)可以部署在水體附近的任何地點,包括市中心和市區(qū)。此外,由于其結(jié)合了A-CAES技術(shù),TerraTM系統(tǒng)可以有效地回收某一工作過程中所產(chǎn)生的熱量并用于另一工作過程,以此實現(xiàn)真正的零排放[69]。由于該示范項目的成功,O-CAES技術(shù)為世界上每個擁有深水體的城市提供儲能方案的構(gòu)想,正逐步變?yōu)楝F(xiàn)實。

4 中外壓縮空氣儲能應(yīng)用動態(tài)

在CAES的應(yīng)用方面,以歐美為主的發(fā)達國家發(fā)展較早。就美國而言,各州為達成所設(shè)立的凈零目標(biāo),在CAES方面便著重于其規(guī)?；瘧?yīng)用與商業(yè)化推進,并加快與現(xiàn)有發(fā)電設(shè)施的系統(tǒng)整合進程,以期盡快提高可再生能源份額。中國雖然在CAES領(lǐng)域涉足較晚,但近年來在CAES方面積極探索創(chuàng)新,在技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用示范等方面取得了重要進展,建成了諸多世界首例的CAES設(shè)施,在國際上實現(xiàn)了零的突破,并在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位。除去在傳統(tǒng)的CAES技術(shù)上有所發(fā)展,還在儲氣庫建設(shè)、儲能系統(tǒng)智能化管理等方面也在持續(xù)深入研究,不斷地為達成全球凈零排放目標(biāo)貢獻中國智慧。此外,中國所提出的相關(guān)可再生能源消納政策也為CAES的應(yīng)用提供了廣闊的市場空間,促使其在電力系統(tǒng)調(diào)度、峰谷平衡等方面進一步發(fā)揮重要作用。

4.1 外國壓縮空氣儲能應(yīng)用實例

4.1.1 德國Huntorf電站

1978年,Huntorf電站于德國不來梅附近建造完成并投入使用,該電站是世界第一個商業(yè)化的大型CAES電站。該電站投入運行后,除去發(fā)揮平衡電力供需和穩(wěn)定電價的功能外,其又肩負供應(yīng)其他設(shè)施的電力需求任務(wù),如為當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)提供備份、填補燃煤電廠響應(yīng)緩慢造成的能源缺口、緩沖德國北部風(fēng)力發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性等[32]。

Huntorf電站已成功運行至今,這40多年間它主要作為調(diào)峰機組,并補充系統(tǒng)上的其他儲能設(shè)施,以填補響應(yīng)緩慢的中等負荷燃煤電廠留下的能源代溝。該裝置的可用性和啟動可靠性報告分別為90%和99%[70],性能優(yōu)異。

4.1.2 美國McIntosh電站

1991年,阿拉巴馬電力合作社在美國阿拉巴馬州西南部的鹽丘上,建立了世界上第二個商業(yè)化大型CAES電站——McIntosh電站,其同時也是美國第一個CAES設(shè)施。該電站的設(shè)計功率為110 MW,在全功率狀態(tài)下可連續(xù)運行26 h。其采用一個位于地下約450 m深的穹頂鹽洞作為儲氣裝置,容量約為5.6×105m3,可儲存4.5～7.4 MPa內(nèi)的壓縮空氣[32,71]。

與德國Huntorf電站不同的是,McIntosh電站增添了一個熱回收器以重新利用部分來自燃氣輪機部分所產(chǎn)生的廢熱。此外,其還具有兩個燃燒室,除天然氣外還能燃燒2號燃油。與Huntorf電站相比,其減少了1/4的燃料消耗,并將系統(tǒng)循環(huán)效率從42%提升至54%[32],電開關(guān)效率可達25%[7]。在正常運行條件下,電站采取錯時充電的方式,即儲氣裝置在工作日晚上進行部分充電,在周末則進行完全充電。在1998—2008年的10年運行期中,該電站的平均啟動可靠性為91.2%～92.1%,發(fā)電段和壓縮段的平均運行可靠性分別為96.8%和99.5%[32]。

4.1.3 美國Pecho儲能中心

2021年11月,Hydrostor的附屬公司Pecho LD Energy Storage LLC擬在加利福尼亞州圣路易斯奧比斯波縣建設(shè)Pecho儲能中心(400 MW/3 200 MW·h)。該項目基于A-CAES技術(shù),能夠在不使用化石燃料或其他非綠色能源的情況下,提供400 MW/h的儲能并持續(xù)8 h。項目擬于2026年投入商業(yè)運營,建成后將極大地推進加州于2045年實現(xiàn)100%無碳電力的能源目標(biāo)進程。

4.1.4 美國Bethel能源中心

2021年,APEX CAES公司在得克薩斯州安德森縣擬建一個CAES設(shè)施——Bethel能源中心(324 MW/16 000 MW·h)。該項目預(yù)計于2025年春季可投入商業(yè)運營,建成后將為超過300 000戶家庭提供電力。

4.1.5 英國Highview Power公司的液態(tài)空氣儲能項目

2018年,英國Highview Power公司在曼徹斯特的格林威治能源中心(greenwich energy center,GEC)建造了世界上第一個商業(yè)化的LAES儲能電站。

該電站儲能容量為5 MW·h,儲能效率高達70%以上,即在儲能和釋能過程中的能量損耗不超過30%,遠高于傳統(tǒng)電池等儲能技術(shù)[72]。另一方面,LAES技術(shù)可使用低成本、可再生能源充電,并且在工作過程中不會排放任何污染物,具有極高的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

4.1.6 丹麥綠氫中心

2020年12月,Corre Energy公司與 Eurowind Energy A/S公司以及丹麥國有輸電系統(tǒng)運營商 Energinet結(jié)成聯(lián)盟,擬建世界上最大的綠氫生產(chǎn)、儲存和CAES中心——丹麥綠氫中心(green hydrogen hub,GHH),如圖10[73]所示。

圖10 丹麥GHH工作原理示意圖[73]Fig.10 Schematic diagram of the working principle of GHH, Denmark[73]

GHH的革命性之處在于其制備的綠色氫氣可以儲存長達6個月之久,這使得GHH可以全年提供綠色能源,不論風(fēng)雨。此外,該項目的建成將加速丹麥和整個歐洲的能源轉(zhuǎn)型并促進綠色循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展,同時還將有助于穩(wěn)定能源價格。

該項目擬于2025年投產(chǎn),每年可減少約600 000 t二氧化碳排放量。其CAES設(shè)施的設(shè)計發(fā)電量為350 MW,并計劃于2030年提高至1 000 MW。該項目成功證實了CAES與氫能等可再生能源結(jié)合的可行性和優(yōu)越性,并將持續(xù)服務(wù)于歐盟國家2050年實現(xiàn)碳中和的能源政策。

4.2 中國壓縮空氣儲能應(yīng)用實例

4.2.1 河北廊坊超臨界壓縮空氣儲能示范項目

2011年,中國科學(xué)院工程熱物理研究所陳海生研究員團隊率先建成了國際首個超臨界壓縮空氣儲能實驗平臺(15 kW),并基于此項目的進一步研究工作,于2013年在河北廊坊又建成了國際首套MW級超臨界壓縮空氣儲能示范項目(1.5 MW),系統(tǒng)效率為52.1%,優(yōu)于同等規(guī)模的傳統(tǒng)CAES系統(tǒng),整體性能達到國際領(lǐng)先水平。

項目研發(fā)團隊自2004年開展CAES技術(shù)的基礎(chǔ)研究以來,先后攻克了SC-CAES中的寬負荷壓縮機、高負荷透平、高效蓄熱(冷)/換熱器和系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)難題,擺脫了傳統(tǒng)CAES對化石燃料和大容量儲氣裝置的依賴,兼?zhèn)鋬δ苄矢?、儲能周期靈活、電站兼容性強和對環(huán)境友好等優(yōu)點。項目的建成不僅代表了中國能源技術(shù)創(chuàng)新的巨大進展,還對于能源安全、節(jié)能減排、經(jīng)濟效益等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

4.2.2 金壇壓縮空氣儲能國家示范項目

2017年5月,中國CAES領(lǐng)域的首個國家示范項目——中鹽金壇鹽穴壓縮空氣智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)獲批立項(圖11[74])。

圖11 江蘇金壇CAES國家示范項目示意圖[74]Fig.11 Schematic diagram of the national demonstration project of CAES in Jintan, Jiangsu, China[74]

該項目位于江蘇省常州市金壇區(qū),采用清華大學(xué)電機系的盧強院士和梅生偉教授團隊基于AA-CAES所研發(fā)的非補燃CAES技術(shù),利用地下鹽穴作為儲氣裝置,未來將分期建設(shè)裝機容量達百萬千瓦的CAES電站群。2022年5月26日,金壇CAES項目正式投產(chǎn),8月5日,金壇供電負荷年內(nèi)第9次突破歷史新高,達到138.5×104kW,同比增長19.3%。目前,電站累積發(fā)電達275×104kW·h,其一個儲能周期的發(fā)電量可滿足60 000 戶家庭單日的用電量,極大地強化了區(qū)域用電保障能力,并進一步加快了地區(qū)能源轉(zhuǎn)型進程。

江蘇金壇CAES項目作為世界首個非補燃CAES電站、中國CAES領(lǐng)域首個國家示范項目和首個商業(yè)電站項目,研發(fā)團隊經(jīng)過多年的艱苦研究,前后攻克了高參數(shù)離心壓縮機的設(shè)計與調(diào)控、高效蓄熱/換熱、大容量穩(wěn)定儲氣、先進空氣透平設(shè)計、儲-網(wǎng)協(xié)同調(diào)度控制等關(guān)鍵技術(shù)難題,構(gòu)建了完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系,成功打破了百兆瓦級大規(guī)模非補燃絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的技術(shù)壁壘,為項目的順利實施提供了強大的技術(shù)支持。

4.2.3 張北先進壓縮空氣儲能國家示范項目

2022年9月30日,國際首套百兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范項目在河北省張家口市張北縣順利并網(wǎng)發(fā)電。該項目設(shè)計規(guī)模為100 MW/400 MW·h,其地上與地下儲氣庫總?cè)萘窟_105m3,設(shè)計工況效率達70.3%,單次儲能循環(huán)的發(fā)電量為400 MW·h,可滿足2×104～4×104戶家庭的單日用電量需求。項目預(yù)計年發(fā)電量可達1.32 ×108kW·h以上,可減少二氧化碳排放10.9萬t,是目前世界上單機規(guī)模最大、效率最高的新型CAES電站。

該項目作為世界首個百兆瓦級先進壓縮空氣儲能電站,由中國科學(xué)院工程熱物理研究所陳海生研究員團隊提供技術(shù)支持。研發(fā)團隊創(chuàng)新性地構(gòu)建大容量高壓空氣儲氣罐或采用壓縮空氣液化儲存的方式進行儲氣,擺脫了對傳統(tǒng)儲氣洞穴的依賴;利用蓄熱技術(shù)回收并再利用氣體壓縮產(chǎn)生的熱量,摒棄了燃燒化石燃料提供熱量的需求;同時,通過高效的壓縮、膨脹、超臨界蓄熱以及換熱過程,極大地提升了整個系統(tǒng)的效率。在項目實施過程中,團隊成功攻克了寬負荷壓縮機、高負荷膨脹機、高效緊湊式蓄熱換熱器等核心技術(shù)難題,確保了儲能系統(tǒng)的整體效率,并具備集成度高、效率高、可靠性高及壽命長等優(yōu)點。

中國還有許多超級CAES電站正在建設(shè)或規(guī)劃中。2022年7月26日,世界首套300 MW級非補燃壓縮空氣儲能示范工程在湖北應(yīng)城市開工,項目由中國能建負責(zé)研發(fā),建成后預(yù)計年發(fā)電量將達5×108kW·h;2022年9月,由中科院工程熱物理研究所陳海生研究員團隊和中儲國能聯(lián)合研發(fā)建設(shè)的山東肥城300 MW先進壓縮空氣儲能電站項目二期開工,預(yù)計總投資15億元,建設(shè)規(guī)模300 MW/1 800 MW·h,預(yù)計年發(fā)電5.94×108kW·h;2023年1月,中能建300 MW壓縮空氣儲能電站示范項目簽約落戶湖南省長沙市望城區(qū),預(yù)計總投資120億元,項目擬于2026年建成投產(chǎn)。

截至目前,中國在CAES領(lǐng)域的快速發(fā)展和所取得的重大成果,為世界減碳環(huán)保行動提供了技術(shù)示范和能源轉(zhuǎn)型啟示,有力地推動了全球能源系統(tǒng)向更清潔、低碳、可持續(xù)的方向發(fā)展,為全球應(yīng)對氣候變化做出了中國貢獻。

5 壓縮空氣儲能應(yīng)用前景及挑戰(zhàn)

5.1 應(yīng)用前景

綜上所述,在全球變暖趨勢的影響下,CAES是解決可再生能源存儲與轉(zhuǎn)換問題的重要科學(xué)方案和技術(shù)途徑,CAES及其相關(guān)技術(shù)是服務(wù)主體發(fā)電設(shè)施、減少化石燃料消耗、提高環(huán)保效益、實現(xiàn)大規(guī)模儲能的一種高效方案。然而,目前全球CAES項目大多處于初步應(yīng)用和探索階段,依然存在著一些關(guān)鍵技術(shù)課題有待開拓。根據(jù)CAES發(fā)展的主要準(zhǔn)則,其應(yīng)用前景可概括為如下幾個方面。

(1)CAES可用于電力系統(tǒng)調(diào)峰,即在電廠機組低負荷運行時儲存多余電能,在用電高峰期間再釋放電能,實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷的同時大幅提高電網(wǎng)效率,更有利于穩(wěn)定電力價格。

(2)分布式能源系統(tǒng)是實現(xiàn)未來微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),但其存在著負荷波動大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力弱、故障率高等缺陷[57]。采用CAES作為其負載平衡裝置或備用電源,可以有效提高其供電的可靠性和穩(wěn)定性,同時可以與制冷、制熱系統(tǒng)相結(jié)合以實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)[75],應(yīng)用前景廣闊。

(3)一方面,CAES與可再生能源的耦合適應(yīng)性強,提高CAES對可再生能源的利用率是減少碳排放的首要措施。如德國RWE集團致力于CAES與海上風(fēng)電和光伏的耦合,荷蘭Corre Energy公司著重于研究氫能和CAES的適配性等;另一方面,可再生能源存在著間歇性、不穩(wěn)定性等缺點,不利于大規(guī)模并網(wǎng)。CAES可以將其產(chǎn)生的電能儲存起來并按實際需求進行可控的釋放,可以有效地解決中國普遍存在的棄風(fēng)、棄光、棄水等問題。

(4)小型和微型CAES系統(tǒng)的快速發(fā)展為住宅、空調(diào)、汽車等提供了清潔的備用能源方案。從外,新興的壓縮空氣電池系統(tǒng)(compressed air battery,CAB)[76]作為一種不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)可為某些特殊領(lǐng)域如數(shù)據(jù)機房、精密儀器制造、醫(yī)療和軍事設(shè)施中的關(guān)鍵部件提供電力保障。

5.2 發(fā)展趨勢

隨著可再生能源份額在全球范圍內(nèi)的迅猛增長,其生產(chǎn)與消費環(huán)節(jié)之間的不適配、不穩(wěn)定性愈發(fā)凸顯。CAES作為一種高效的能量存儲解決方案,具備著能夠平衡能源供需、穩(wěn)定電價、低碳環(huán)保等優(yōu)勢。根據(jù)中外CAES的研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用實例,其發(fā)展趨勢可概況為如下幾個方面。

(1)更高的儲能效率。為了增強CAES在儲能市場中的吸引力和競爭力,同時使得CAES設(shè)施能夠最大限度地利用可再生能源和電力系統(tǒng)產(chǎn)生的電能,科研工作者著重于研發(fā)新的設(shè)計或技術(shù),以期最大程度地降低系統(tǒng)工作過程中的能量損失,從而提高項目的經(jīng)濟可行性,

(2)更大的系統(tǒng)規(guī)模。CAES的系統(tǒng)規(guī)模越大,其儲能容量越高,系統(tǒng)效率也越高,同時降低了單位發(fā)電成本,為投資方帶來更大的經(jīng)濟收益。因此,中國及歐美等發(fā)達國家都致力于建設(shè)發(fā)展百兆瓦或更大規(guī)模的CAES設(shè)施以期實現(xiàn)生態(tài)和經(jīng)濟效益的最大化。

(3)更長的儲能周期。長時儲能的意義在于提高儲能設(shè)施平衡供需和穩(wěn)定電網(wǎng)能力,此外能夠通過捕獲更多的低負荷時段能源以減少能源浪費。CAES設(shè)施的儲能周期越長,其與可再生能源的結(jié)合度也越優(yōu)秀,同時進一步擴大可再生能源的覆蓋率。

(4)更小的地理條件限制。一般的CAES設(shè)施為了達到較高的系統(tǒng)效率,往往依賴于大容量的儲氣裝置以獲得較高的能量密度。因此出現(xiàn)了以LAES、SC-CAES為代表的新型CAES技術(shù),旨在不使用大型儲氣洞室的前提下達成更高的儲能效率,最終推廣到城市等消費密集區(qū)域,從而促進綠電的進一步消納并減少電力輸送成本。

5.3 難題與挑戰(zhàn)

CAES設(shè)施的氣密性和穩(wěn)定性一直是設(shè)計和建造工作中所要應(yīng)對的兩個核心問題[77]。其中,氣密性問題主要集中在注采井和儲氣容器兩個方面,穩(wěn)定性問題則涉及儲庫所處區(qū)域的地質(zhì)條件、儲庫構(gòu)造、運行工況等諸多因素。解決這兩大問題的耦合是建成一座合格的CAES設(shè)施的關(guān)鍵。

(1)儲氣庫周期性的高強度注采特點決定了其注采井系統(tǒng)必須具備良好的強度、密封性和耐久性等力學(xué)性能[78]。因此,研發(fā)具備高韌性和抗?jié)B性的水泥環(huán)材料、設(shè)計密封良好的連接管件和連接方式以及妥善處理注采井所穿過的滲漏夾層是目前儲氣庫注采井研究方面所亟待攻克的主要難題。

(2)儲氣容器的氣密性不僅是投資與施工的著重考慮之處,同時也直接影響著整個CAES設(shè)施的發(fā)電效率和預(yù)期收益。不同類型的儲氣容器,其氣密性要求和處理泄漏的措施也有所差別。影響儲氣容器氣密性的因素可簡要概括為蓋層、襯砌及儲氣容器材料。首先,正確地評估蓋層密封性以選定合理的儲氣庫庫址至關(guān)重要。其次,針對以硬巖層洞穴和人工硐室為儲氣容器的儲氣庫,其所用襯砌的材料、截面構(gòu)造及厚度等參數(shù)也是制約儲氣容器氣密性的關(guān)鍵因素。此外,就人造儲氣容器而言,容器材料的高性能要求和整體昂貴的運營維護成本則嚴重阻礙了其發(fā)展和應(yīng)用進程。

(3)儲庫穩(wěn)定性所面臨的難題與挑戰(zhàn)主要集中在地質(zhì)條件、儲庫構(gòu)造和運行工況。一方面,在CAES設(shè)施的評價體系中,儲庫穩(wěn)定性關(guān)乎著CAES設(shè)施的運行效率、使用壽命和安全性能;另一方面,涉及儲庫穩(wěn)定性方面的投資和運營成本占據(jù)總投資額的大半。因此,處理好儲庫的穩(wěn)定性問題是擺脫CAES技術(shù)發(fā)展困境的關(guān)鍵所在。

此外,CAES的發(fā)展還面臨著市場和能源政策的考驗[79-80]。就中國而言,儲能利用率低、市場參與度不高、成本回報機制不成熟等問題較為突出[81-82],需要進一步降低成本、加強技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用,推動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策的制定與落實并積極拓展儲能市場需求。

6 結(jié)論

綜上所述,CAES可以有效地解決中國及全球普遍存在的棄風(fēng)、棄光和棄水等問題,為綠電的存儲與轉(zhuǎn)換工作指明了一條可靠的技術(shù)路徑。隨著可再生能源需求量的不斷擴大,減碳環(huán)保成為國際共識。在此背景下,CAES因其綠色清潔的儲能介質(zhì)和運作過程而成為主流的儲能技術(shù)之一,并終將在未來的儲能研發(fā)和能源設(shè)施建造中占據(jù)重要地位。