压缩气体储能技术,会成为解决新能源不稳定的关键吗?

来源:观察者网

2021-10-29 07:57

【文/观察者网 李焕宇】2030年非化石能源消费比重25%,2060年该比重要过80%......这两天,国务院接连发布“双碳”战略重磅文件,将非化石能源再度拉上了舆论热点。

但众所周知,非化石能源中装机增长最快的风电和光伏波动很大,需要搭配储能。现有的储能方式里,最稳定可靠的抽水蓄能在选址上存在先天限制;电化学储能发展迅猛但在安全、寿命等方面还有待加强。要想建立坚实可靠的新型电力系统,还需要更多新型储能技术的加入。

这当中,压缩气体储能凭借其寿命长、成本低、安全环保的特性,被认为是继抽水储能之后第二大适合GW(吉瓦)级大规模电力储能的技术。

压缩气体储能捷报频传

压缩气体储能是利用用电低谷将气体压缩到盐穴或压力容器中,等到用电高峰时再释放出来发电,从而提升电网调节能力和新能源消纳能力的技术。

它包括压缩空气储能、压缩二氧化碳储能和其他压缩气体储能。压缩空气储能又分为非补燃压缩空气储能(常温高压空气存于盐穴、压力容器等)、补燃式压缩空气储能(结合燃气轮机使用)、液化压缩空气储能等。

据《科技日报》10月1日报道,位于江苏金坛的盐穴压缩空气储能国家试验示范项目在前一天并网试验成功,向国家电网发出我国首个大型压缩空气储能电站第一度电。这是我国压缩空气储能领域唯一国家示范项目,还是全球首个非补燃压缩空气储能电站,其发电装机达60MW(兆瓦),储能容量300MW/h(兆瓦时),远期建设规模1000兆瓦。根据本地的地质条件,理论上最大可以建设超过4000兆瓦的压缩空气储能电站。

金坛项目现场图 图片来源:科技日报

另据《中国日报》10月22日报道,近日位于贵州毕节的先进压缩空气储能系统正式并网发电,这是目前国际上容量最大、功能最全、测量范围最宽的先进压缩空气储能集成验证与示范平台,最大储能容量40MWh,最大发电功率10MW。同金坛项目相比,这套系统不仅不燃烧化石燃料,而且还不依赖储气洞穴,即不受地理条件和燃料限制,是压缩空气储能技术的主要发展方向。

该系统由中国科学院工程热物理研究所研发,已于2016年底实现示范运行,累计运行时间超过4000小时。可实现电力系统调峰、调相、旋转备用、应急响应、黑启动等功能。

毕节项目现场图 视频截图

在压缩气体储能的另一个分支——新型二氧化碳储能方面,我国也开始布局。据中国新闻网10月22日报道,国内首个“新型二氧化碳储能验证项目”正式开工,该项目位于四川德阳,是利用多余电力将常温、常压的二氧化碳气体压缩为液体,并将压缩过程中产生的热能储存起来;在用电高峰期,利用存储的热能加热液态二氧化碳至气态。

同一般的压缩空气储能相比,二氧化碳储能在工质存储方面有明显优势,二氧化碳常温即可液化,可以方便实现液态存储,不受地域条件约束,存储成本低。该系统同样无需使用化石燃料,不产生固体废弃物,零碳排放,是一种绿色储能系统。

目前该项目关键核心设备方面已完成方案设计,已进入施工设计,马上进行生产制造,将于2022年6月建成。德阳项目的新型二氧化碳储能技术目前在全球都处于领先地位。主要应用于电网企业、发电企业和用电量较大的企业。该储能系统寿命长达30年以上,在全生命周期内,循环效率不衰减。

德阳项目效果图 图片来源:东方汽轮机

安全、长寿、不挑地

压缩气体储能相比其他新型储能有何优势?在成本和效率方面发展到了什么水平?有没有技术或材料上卡脖子的隐患?观察者网采访了金坛和德阳项目的核心部件——透平机的制造商,东方电气集团旗下的东方汽轮机公司。

据东汽方面介绍,压缩气体储能首先非常安全。以德阳的液化二氧化碳储能项目为例,由于二氧化碳液化很容易,因此储存它只需几兆帕的压力,不用担心高压储气带来的隐患,同时二氧化碳无毒、不易燃易爆,本身的安全性就很好。

存储压力较高的压缩空气储能需要用十几兆帕的容器,尽管如此,由于储存介质是空气,所以同样不存在爆炸的风险。中科院工程热物理研究所工程师郭文宾曾向媒体表示,十几兆帕属于中等压力范围,它的风险是可控的。

毕节项目所用的集气管道 视频截图

其次,除金坛的盐穴压缩空气储能有天然的选址要求,需依赖地质条件外,毕节的先进压缩空气储能和德阳的气液两态二氧化碳储能都没有选址上的顾虑,只需要有足够储存高压气体或液体的容器就够了。据东汽介绍,当前单位占地面积最小的气液两态二氧化碳储能同锂电池储能所需的占地面积基本相当,未来还有进一步优化的空间。

另外,压缩气体储能系统所需要的全部都是常规材料,储能要用的空气更是随处可见,二氧化碳也是工业领域常用工质,本身易于获取。不像电化学储能会用到锂、钴这样的稀有金属,或是氢燃料电池要使用铂这种贵金属。

而且,现阶段无论是压缩空气储能还是气液两态二氧化碳储能我国均实现了核心设备的完全国产。据东汽介绍,压缩气体储能系统最重要的部件就是储气容器、压缩机和发电透平等,以发电透平为例,以东方汽轮机为代表的中国透平机械研制厂商,其技术水平处于全球先进地位,核心技术均掌握在自己手中。二氧化碳储气方面,德阳项目这次的合作伙伴——百穰新能源有限公司也取得了巨大突破,借助一种柔性仓储容器解决了密封性、可靠性的问题。

金坛项目现场 图片来源:科技日报

不仅如此,压缩气体储能系统寿命极长。德阳气液两态二氧化碳储能项目的预计寿命为30年以上,另据《中国能源报》报道,其他压缩空气储能项目的寿命则可以达40-50年。而且同会出现衰减的电化学储能不同,压缩空气储能的周期不受限制。

成本方面,德阳气液两态二氧化碳储能由于高压存储采用液态存储,与采用盐穴、压力容器存储高压气体的压缩空气储能相比,成本可降低很多。想进一步降低成本那还是要从储气成本、系统功率等级这两方面入手,包括储气材料的突破,压缩机和透平机结构上的优化设计等,像这次德阳项目就是透平排气的低压储气技术取得了突破,使储气成本大幅下降,让项目在经济上有了可行性。

最后在转换效率方面,金坛的示范项目设计效率是60%左右,德阳项目是国内首个新型二氧化碳储能试验项目,与同功率等级的压缩空气储能效率基本相当。从理论上看,压缩气体储能最高效率可以达到80%以上,但由于不可避免的损耗,估计最后可以达到70%的水平。

中国科学院官方订阅号“中科院之声”的消息显示,目前正在河北张家口建设的100MW先进压缩空气储能系统,其系统目标效率将达到70%,单位装机成本降低至450-750美元/kW,已接近抽水蓄能电站的效率及单位装机成本,项目预计2021年底建成,有望在未来得到广泛应用。

今年9月,张家口项目的定子吊装成功

电化学储能后的又一个新星?

具有规模大、适用性强、效率高、成本低、环保等优点的压缩气体储能系统,被认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一。

观察者网注意到,压缩空气储能已经被写入国家“十四五”规划中。除此之外,在近期发布的《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》当中,压缩空气储能同电化学储能一道,被列入加强技术攻关、示范和产业化应用的新型储能技术。

学术界则更早意识到了压缩气体储能技术的重要性。在《中国能源报》2019年的报道中,中国科学院院士、清华大学教授卢强称,压缩空气储能是减少弃电、提高可再生能源利用效率的最佳方式。它可以成为电网削峰填谷的主力,逐渐做到不让高效火电机组“深度调峰”;而且,只需以1:10的比例配置就可在现有基础上大幅提高风电、光伏发电等天然绿能的利用率约20%。

中科院工程热物理研究所研究员、副所长陈海生则更是将压缩空气储能列为唯一可与抽水蓄能相媲美的大规模储能技术。在《中国能源报》的报道中,他表示压缩空气储能的规模至少要100MW,达到抽水蓄能的标准,才能发挥更大的作用。另外,效率要从现在的50%—60%提升到接近70%,这样相比抽水蓄能和化学电池,就具有了足够强的竞争力。

不过,同比肩抽水蓄能这样的远大目标相比,目前的压缩气体储能项目规模显然有些小。对此,东方汽轮机有限公司副总工程师孙奇向观察者网表示,只要德阳新型二氧化碳储能的实验项目能够取得成功,由于受选址约束小,那它就可以迅速获得推广,系统扩容也要相对容易,只需要增加足够多的容器,再把压缩机和发电透平功率做大或采用多单元制就可以了,扩容后每千瓦时的成本造价也会相应降低。

他还透露,目前二氧化碳储能技术研发和工程化应用我国都处于世界领先的地位,当金坛的大规模盐穴压缩空气储能项目正式投入商业运营后,那么我国的压缩气体储能技术就可以说处于世界上一个比较领先的位置了,后续产业化发展潜力巨大。


责任编辑:李焕宇
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