液化空氣儲能需不需要礦石燃料呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-14 15:55
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雙良節(jié)能之壓縮空氣儲能概念解讀 壓縮空氣儲能（Compressed-AirEnergyStorage,CAES）是指在電網負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機發(fā)電的儲能方式。 自1949年StalLaval提出利用壓縮空氣儲能以來，國內外學者進行了大量的研究。目前世界上已有兩座大型傳統的壓縮空氣儲能電站投入運營。1978年，第一臺商業(yè)運行的壓縮空氣儲能機組在德國的亨托夫（Huntorf）誕生。[1]1991年5月第二座電站在美國阿拉巴馬州麥金托夫市（Mcintosh）投入運行。 目前關于壓縮空氣儲能系統的形式也是多種多樣，按照工作介質、存儲介質與熱源可以分為：傳統壓縮空氣儲能系統（需要化石燃料燃燒）、帶儲熱裝置的壓縮空氣儲能系統、液氣壓縮儲能系統。 壓縮空氣儲能應用前景更廣闊，如可大大提高效率；使用更靈活，甚至可用于汽車動力；接納可再生能源，提供可再生能源在電網中的比例，甚至還能利用工業(yè)余熱等。 壓縮空氣儲能系統大規(guī)模發(fā)展的主要技術障礙在于兩方面：需要大型儲氣裝置和依賴燃燒化石燃料。為解決這兩個問題，蓄熱的壓縮空氣儲能系統、微小型壓縮空氣儲能系統、液化空氣儲能系統、超臨界壓縮空氣儲能系統、與可再生能源耦合的壓縮空氣儲能系統等運用而生。 帶儲熱的壓縮空氣儲能系統又被稱為先進絕熱壓縮空氣儲能系統。系統中空氣的壓縮過程接近絕熱過程，存在大量的壓縮熱。比如，在理想狀態(tài)下，壓縮空氣為100bar時，能夠產生650°C的高溫。該壓縮熱能被存儲在儲熱裝置中，并在釋能過程中加熱壓縮空氣，驅動透平做功。相比于燃燒燃料的傳統壓縮空氣儲能系統，該系統的儲能效率大大提高，理論上可達到70%以上；同時，由于用壓縮熱代替燃料燃燒，系統去除了燃燒室，實現了零排放的要求。該系統的主要缺點是，初期投資成本將增加20%~30%。 小型壓縮空氣儲能系統的規(guī)模一般在10MW級，它利用地上高壓容器儲存壓縮空氣，從而突破對儲氣洞穴的依賴，具有更大的靈活性。它更適合于城區(qū)的供能系統——分布式供能、小型電網等，用于電力需求側管理、無間斷電源等；同時也可以建于風電場等可再生能源系統附近，調節(jié)穩(wěn)定可再生能源電力的供應等。 微型壓縮空氣儲能系統的規(guī)模一般在幾千瓦到幾十千瓦級，它也是利用地上高壓容器儲存壓縮空氣，主要用于特殊領域（比如控制、通訊、軍事領域）的備用電源、偏遠孤立地區(qū)的微小型電網、以及壓縮空氣汽車動力等。國外學者研發(fā)了一種車用壓縮空氣動力系統，車載儲氣罐300升，可以驅動一輛1噸的汽車以50公里/小時的速度行駛96公里，基本滿足日常市內交通的需要。 液化空氣和超臨界壓縮空氣儲能系統是最近才提出的新型壓縮空氣儲能系統。前者由中科院工程熱物理所聯合英國高瞻公司等單位共同開發(fā)研制，并獲得專利。由于液態(tài)空氣的密度遠大于氣態(tài)空氣的密度，該系統不需要大型儲氣室。但是，該系統的效率較低。為解決液態(tài)空氣儲能系統低效率問題，中科院工程熱物理所在2009年在國際上首次提出并自主研發(fā)了超臨界壓縮空氣儲能系統，該技術利用超臨界狀態(tài)下空氣的特殊性質，綜合了常規(guī)壓縮空氣儲能系統和液化空氣儲能系統優(yōu)點。具有儲能規(guī)模大、效率高、投資成本低、能量密度高、不需要大儲存裝置、儲能周期不受限制、適用各種類型電站、運行安全和環(huán)境友好等優(yōu)點，前景廣闊。 壓縮空氣儲能和可再生能源耦合的系統可以將間歇式可再生能源“拼接”起來，穩(wěn)定地輸出。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統可以存儲太陽能熱能，在需要時加熱壓縮空氣，然后驅動透平發(fā)電。除太陽能熱能外，電力、化工、水泥等行業(yè)的余熱廢熱均可作為外來熱源，因此，帶儲熱的壓縮空氣儲能系統具有廣泛的應用前景。另外還可以耦合風力發(fā)電系統，在用電低谷，風電廠的多余電力壓縮并儲存壓縮空氣；在用電高峰，壓縮空氣燃燒并進入燃氣透平發(fā)電。采用壓縮空氣儲能—風能耦合的系統可將風電在電網中供電的比例提高至80%，遠高于傳統40%的上限。還可將生物質氣化為合成氣，替代天然氣應用到壓縮空氣系統中，降低壓縮空氣儲能系統對天然氣的依賴。
入10月份以來，我國許多地方出現嚴重霧霾天氣，其中以北京及其周邊地區(qū)最為嚴重。鐘南山曾表示：大氣污染比非典可怕得多，非典可以隔離，但是大氣污染任何人都跑不掉。 大氣污染是我們目前面臨的最大威脅，而從長遠的發(fā)展來看，氣候變化對地球的影響更大。 美國氣象學會今年發(fā)布的第26期年度《氣候狀況報告》顯示，氣溫、二氧化碳、海洋熱量和北極海冰等所有的變化在2015年都達到了創(chuàng)紀錄的水平。 2016年，全球氣溫繼續(xù)飆升，上半年的溫度已經遠遠高于2015年。這份報告的第一作者杰西卡?布倫登說：“2016年很有可能會創(chuàng)造新的全球高溫紀錄。” 環(huán)境污染、氣候變化、霧霾等已經成為人類急迫需要解決的問題，而發(fā)展清潔能源成為解決難題的全球共識。 據統計，全球水能資源超過100億千瓦，陸地風能資源超過1萬億千瓦，太陽能資源超過100萬億千瓦，僅開發(fā)其中0.05%就可以滿足未來人類社會對能源的需求。 然而，能源轉型要伴隨著各種新技術的突破，一步步從誕生、快速成長走向大規(guī)模普及。 讓電網更穩(wěn)定 近年來，我國清潔能源持續(xù)快速發(fā)展。截至2015年底，全國風電、光伏發(fā)電裝機分別達到1.28億千瓦、4158萬千瓦，均居世界第一。國家電網成為全球接入清潔能源規(guī)模最大、發(fā)展最快的電網。 然而，與火電等同步發(fā)電機相比，風電、光伏等新能源發(fā)電尚不具備慣性調頻、自主調壓、阻尼功率振蕩的能力，故障應對能力差，大規(guī)模接入電網后，將影響電網的安全穩(wěn)定運行。中國電力科學研究院新能源中心總工遲永寧告訴本刊記者，要想達到與火電等常規(guī)同步發(fā)電機同樣穩(wěn)定的效果，虛擬同步機技術是一個很好的解決方案。 虛擬同步機是一種基于先進同步變流和儲能技術的電力電子裝置，可通過模擬同步電機的本體模型、有功調頻以及無功調壓等特性，使含有電力電子接口（逆變器、整流器）的電源和負荷，從運行機制及外特性上與常規(guī)同步機相似，從而參與電網調頻、調壓和抑制振蕩。 這并不是一項新技術，早在1997年，IEEE就提出過虛擬同步機的概念。隨后，比利時魯汶大學、加拿大多倫多大學、英國利物浦大學相繼開展了模擬同步發(fā)電機外特性、虛擬慣性頻率控制策略等研究。2012年，國家電網公司依托千人計劃專項，開展虛擬同步機技術研究。2013年，中國電科院成功研制世界首臺50千瓦虛擬同步機樣機。2014年，南瑞集團、許繼集團成功研制500千瓦虛擬同步機樣機。目前正在開展兆瓦級樣機研制。 “風電、光伏通過虛擬同步機接入電網，一是能夠主動參與一次調頻、調壓，提供一定的有功和無功支撐；二是能夠提供慣性阻尼，有效抑制頻率振蕩?？墒剐履茉淳邆渑c火電接近的外特性，對電網穩(wěn)定起到支撐作用，是解決新能源發(fā)電‘先天不足’問題的有效手段。”遲永寧說。 作為實現大規(guī)模清潔能源消納的有效手段之一，虛擬同步機技術被國家電網公司列入“十大重點科技創(chuàng)新工程”，由國網冀北電力公司牽頭，中國電力科學研究院、南瑞集團、許繼集團等單位共同參與，開展虛擬同步發(fā)電機技術標準、仿真分析、設備研制與檢測等工作，旨在研究解決虛擬同步電機接入電網的關鍵技術，建設發(fā)電側虛擬同步電機接入電網的示范工程。 示范工程對現有風機、光伏發(fā)電的逆變器和控制系統進行改造，新建大容量集中式虛擬同步機，調節(jié)能力達到547.5兆瓦，是世界上規(guī)模最大的虛擬同步機示范工程，計劃2017年年底建成。 應用虛擬同步機技術成本并不高，據遲永寧介紹，風電場虛擬同步機改造成本100元/千瓦；新建風電場標配虛擬同步機基本不增加成本。光伏電站虛擬同步機改造成本600元/千瓦；新建光伏電站標配虛擬同步機增加成本200元/千瓦。集中式虛擬同步機成本220元/千瓦，隨著儲能價格下降，造價將持續(xù)降低。 技術只有轉變?yōu)闃藴剩拍芫哂懈毡榈囊饬x。“目前有兩項標準正在制訂中，分別是《單元式光伏虛擬同步發(fā)電機技術要求和試驗方法》和《風電機組虛擬同步發(fā)電機技術要求和試驗方法》，我們希望能夠進一步明確虛擬同步機技術參數，推動新能源參與電力系統調頻、調壓技術規(guī)范的出臺，形成新能源建設和并網的標準模式。”遲永寧說。 顛覆性的儲能技術 風能和太陽能是清潔能源的重要來源，但都有波動性。在晚上或無風的日子里，太陽能和風能無法滿足電力用戶的能源需求，除非我們可以將風能和太陽能儲存起來備用。儲能的魅力就在于可以使這一夢想成為現實。 今年5月份，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016～2030年)》，其中，儲能技術作為能源互聯網和可再生能源產業(yè)發(fā)展的關鍵技術被列為中國未來15年的關鍵創(chuàng)新任務之一。 儲能技術將是未來智能電網的重要組成部分，涉及其建設的各個主要環(huán)節(jié)。儲能技術在接納風電、太陽能發(fā)電等間歇性清潔能源入網方面也發(fā)揮著不可或缺的重要作用。國家應對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心主任李俊峰曾表示：“真正影響未來能源大格局的就是儲能技術，一旦儲能技術能夠突破了，其他的都好解決。” 近幾十年來，儲能技術的研究和發(fā)展一直受到各國重視。“廣義上來講，儲能可分為物理、電磁、電化學三大類型，壓縮空氣儲能是物理儲能的一種。”全球能源互聯網研究院電力電子所副所長徐桂芝告訴本刊記者。 壓縮空氣儲能是指在電網負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動膨脹機發(fā)電的儲能方式。與電池、超級電容等秒級響應的功率型儲能技術相比，其響應速度約為分鐘級，效率有一定差距，但具有儲能容量大、成本低、壽命長且無污染等優(yōu)點。 自1949年提出壓縮空氣儲能技術以來，圍繞提高效率和儲能密度，先后發(fā)展出傳統壓縮空氣儲能技術、絕熱壓縮空氣儲能技術、深冷液化空氣儲能技術和超臨界壓縮空氣儲能技術四種主要技術方案。 “壓縮空氣儲能技術將空氣液化并存儲，同時回收利用壓縮過程中的余熱以及膨脹過程中的余冷，可提升系統效率。此外，液態(tài)空氣能量密度高，約是高壓儲氣的10倍甚至更高，安全性好、儲氣罐成本低，徹底擺脫地理條件限制。液態(tài)空氣所回收的低溫冷能品位高，能量高效儲能利用的要求高，進口設備造價高。”徐桂芝向本刊記者介紹了壓縮空氣儲能的優(yōu)勢和不足。 為解決關鍵設備成本高的難題，國家電網公司目前正在研究高效蒸發(fā)器和蓄冷器，“如果研制成功，這將是世界上最先進的技術，相關造價將大幅下降。”徐桂芝表示。 為搶占新型儲能技術制高點，2016年國家電網公司研究了壓縮空氣儲能示范工程實施方案，明確了建設規(guī)模、組織形式等。工程將依托張北風光儲輸二期工程建設，通過能量型規(guī)模化儲能技術，提高新能源消納水平，發(fā)揮風光儲輸工程的示范作用。 張北的示范項目建成后，將成為世界上儲能容量最大的壓縮空氣儲能系統。前期研發(fā)團隊依據國內設備廠家所提供數據，通過熱力學計算分析，開展了系統的工藝方案的設計研究。系統能量密度可達約100wh/L，是傳統壓縮空氣儲能系統能量密度的20倍以上。該系統電電轉換效率為50～60%。 近百年前，大發(fā)明家托馬斯?愛迪生就曾暢想利用取之不盡的太陽能源。如今，這一夢想已經變?yōu)楝F實。清潔能源發(fā)展之路，雖崎嶇，但卻是大勢所趨。隨著新能源發(fā)電技術、虛擬同步機技術和壓縮空氣儲能技術的日漸成熟，清潔能源必將迎來更大發(fā)展。
入10月份以來，我國許多地方出現嚴重霧霾天氣，其中以北京及其周邊地區(qū)最為嚴重。鐘南山曾表示：大氣污染比非典可怕得多，非典可以隔離，但是大氣污染任何人都跑不掉。 大氣污染是我們目前面臨的最大威脅，而從長遠的發(fā)展來看，氣候變化對地球的影響更大。 美國氣象學會今年發(fā)布的第26期年度《氣候狀況報告》顯示，氣溫、二氧化碳、海洋熱量和北極海冰等所有的變化在2015年都達到了創(chuàng)紀錄的水平。 2016年，全球氣溫繼續(xù)飆升，上半年的溫度已經遠遠高于2015年。這份報告的第一作者杰西卡?布倫登說：“2016年很有可能會創(chuàng)造新的全球高溫紀錄。” 環(huán)境污染、氣候變化、霧霾等已經成為人類急迫需要解決的問題，而發(fā)展清潔能源成為解決難題的全球共識。 據統計，全球水能資源超過100億千瓦，陸地風能資源超過1萬億千瓦，太陽能資源超過100萬億千瓦，僅開發(fā)其中0.05%就可以滿足未來人類社會對能源的需求。 然而，能源轉型要伴隨著各種新技術的突破，一步步從誕生、快速成長走向大規(guī)模普及。 讓電網更穩(wěn)定 近年來，我國清潔能源持續(xù)快速發(fā)展。截至2015年底，全國風電、光伏發(fā)電裝機分別達到1.28億千瓦、4158萬千瓦，均居世界第一。國家電網成為全球接入清潔能源規(guī)模最大、發(fā)展最快的電網。 然而，與火電等同步發(fā)電機相比，風電、光伏等新能源發(fā)電尚不具備慣性調頻、自主調壓、阻尼功率振蕩的能力，故障應對能力差，大規(guī)模接入電網后，將影響電網的安全穩(wěn)定運行。中國電力科學研究院新能源中心總工遲永寧告訴本刊記者，要想達到與火電等常規(guī)同步發(fā)電機同樣穩(wěn)定的效果，虛擬同步機技術是一個很好的解決方案。 虛擬同步機是一種基于先進同步變流和儲能技術的電力電子裝置，可通過模擬同步電機的本體模型、有功調頻以及無功調壓等特性，使含有電力電子接口（逆變器、整流器）的電源和負荷，從運行機制及外特性上與常規(guī)同步機相似，從而參與電網調頻、調壓和抑制振蕩。 這并不是一項新技術，早在1997年，IEEE就提出過虛擬同步機的概念。隨后，比利時魯汶大學、加拿大多倫多大學、英國利物浦大學相繼開展了模擬同步發(fā)電機外特性、虛擬慣性頻率控制策略等研究。2012年，國家電網公司依托千人計劃專項，開展虛擬同步機技術研究。2013年，中國電科院成功研制世界首臺50千瓦虛擬同步機樣機。2014年，南瑞集團、許繼集團成功研制500千瓦虛擬同步機樣機。目前正在開展兆瓦級樣機研制。 “風電、光伏通過虛擬同步機接入電網，一是能夠主動參與一次調頻、調壓，提供一定的有功和無功支撐；二是能夠提供慣性阻尼，有效抑制頻率振蕩?？墒剐履茉淳邆渑c火電接近的外特性，對電網穩(wěn)定起到支撐作用，是解決新能源發(fā)電‘先天不足’問題的有效手段。”遲永寧說。 作為實現大規(guī)模清潔能源消納的有效手段之一，虛擬同步機技術被國家電網公司列入“十大重點科技創(chuàng)新工程”，由國網冀北電力公司牽頭，中國電力科學研究院、南瑞集團、許繼集團等單位共同參與，開展虛擬同步發(fā)電機技術標準、仿真分析、設備研制與檢測等工作，旨在研究解決虛擬同步電機接入電網的關鍵技術，建設發(fā)電側虛擬同步電機接入電網的示范工程。 示范工程對現有風機、光伏發(fā)電的逆變器和控制系統進行改造，新建大容量集中式虛擬同步機，調節(jié)能力達到547.5兆瓦，是世界上規(guī)模最大的虛擬同步機示范工程，計劃2017年年底建成。 應用虛擬同步機技術成本并不高，據遲永寧介紹，風電場虛擬同步機改造成本100元/千瓦；新建風電場標配虛擬同步機基本不增加成本。光伏電站虛擬同步機改造成本600元/千瓦；新建光伏電站標配虛擬同步機增加成本200元/千瓦。集中式虛擬同步機成本220元/千瓦，隨著儲能價格下降，造價將持續(xù)降低。 技術只有轉變?yōu)闃藴剩拍芫哂懈毡榈囊饬x。“目前有兩項標準正在制訂中，分別是《單元式光伏虛擬同步發(fā)電機技術要求和試驗方法》和《風電機組虛擬同步發(fā)電機技術要求和試驗方法》，我們希望能夠進一步明確虛擬同步機技術參數，推動新能源參與電力系統調頻、調壓技術規(guī)范的出臺，形成新能源建設和并網的標準模式。”遲永寧說。 顛覆性的儲能技術 風能和太陽能是清潔能源的重要來源，但都有波動性。在晚上或無風的日子里，太陽能和風能無法滿足電力用戶的能源需求，除非我們可以將風能和太陽能儲存起來備用。儲能的魅力就在于可以使這一夢想成為現實。 今年5月份，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016～2030年)》，其中，儲能技術作為能源互聯網和可再生能源產業(yè)發(fā)展的關鍵技術被列為中國未來15年的關鍵創(chuàng)新任務之一。 儲能技術將是未來智能電網的重要組成部分，涉及其建設的各個主要環(huán)節(jié)。儲能技術在接納風電、太陽能發(fā)電等間歇性清潔能源入網方面也發(fā)揮著不可或缺的重要作用。國家應對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心主任李俊峰曾表示：“真正影響未來能源大格局的就是儲能技術，一旦儲能技術能夠突破了，其他的都好解決。” 近幾十年來，儲能技術的研究和發(fā)展一直受到各國重視。“廣義上來講，儲能可分為物理、電磁、電化學三大類型，壓縮空氣儲能是物理儲能的一種。”全球能源互聯網研究院電力電子所副所長徐桂芝告訴本刊記者。 壓縮空氣儲能是指在電網負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動膨脹機發(fā)電的儲能方式。與電池、超級電容等秒級響應的功率型儲能技術相比，其響應速度約為分鐘級，效率有一定差距，但具有儲能容量大、成本低、壽命長且無污染等優(yōu)點。 自1949年提出壓縮空氣儲能技術以來，圍繞提高效率和儲能密度，先后發(fā)展出傳統壓縮空氣儲能技術、絕熱壓縮空氣儲能技術、深冷液化空氣儲能技術和超臨界壓縮空氣儲能技術四種主要技術方案。 “壓縮空氣儲能技術將空氣液化并存儲，同時回收利用壓縮過程中的余熱以及膨脹過程中的余冷，可提升系統效率。此外，液態(tài)空氣能量密度高，約是高壓儲氣的10倍甚至更高，安全性好、儲氣罐成本低，徹底擺脫地理條件限制。液態(tài)空氣所回收的低溫冷能品位高，能量高效儲能利用的要求高，進口設備造價高。”徐桂芝向本刊記者介紹了壓縮空氣儲能的優(yōu)勢和不足。 為解決關鍵設備成本高的難題，國家電網公司目前正在研究高效蒸發(fā)器和蓄冷器，“如果研制成功，這將是世界上最先進的技術，相關造價將大幅下降。”徐桂芝表示。 為搶占新型儲能技術制高點，2016年國家電網公司研究了壓縮空氣儲能示范工程實施方案，明確了建設規(guī)模、組織形式等。工程將依托張北風光儲輸二期工程建設，通過能量型規(guī)模化儲能技術，提高新能源消納水平，發(fā)揮風光儲輸工程的示范作用。 張北的示范項目建成后，將成為世界上儲能容量最大的壓縮空氣儲能系統。前期研發(fā)團隊依據國內設備廠家所提供數據，通過熱力學計算分析，開展了系統的工藝方案的設計研究。系統能量密度可達約100wh/L，是傳統壓縮空氣儲能系統能量密度的20倍以上。該系統電電轉換效率為50～60%。 近百年前，大發(fā)明家托馬斯?愛迪生就曾暢想利用取之不盡的太陽能源。如今，這一夢想已經變?yōu)楝F實。清潔能源發(fā)展之路，雖崎嶇，但卻是大勢所趨。隨著新能源發(fā)電技術、虛擬同步機技術和壓縮空氣儲能技術的日漸成熟，清潔能源必將迎來更大發(fā)展。
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