DQZHAN技術(shù)訊：壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)綜述
導(dǎo)讀：壓縮空氣儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)明顯，非常適合大規(guī)模儲(chǔ)能。描述了大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，綜述了壓縮空氣儲(chǔ)能的工作原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了壓縮空氣儲(chǔ)能的分類和耦合應(yīng)用方式。
0前言
近年來(lái)，我國(guó)部分地區(qū)多次發(fā)生了嚴(yán)重陰霾天氣，如何利用清潔能源減少環(huán)境污染是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展長(zhǎng)期需要面對(duì)的重要問(wèn)題。新能源的規(guī)模應(yīng)用以及間歇性可再生能源的大規(guī)模入網(wǎng)、傳統(tǒng)電力峰谷差值的增長(zhǎng)，各種能源應(yīng)用問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，而儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將為解決這些問(wèn)題提供非常有效的途徑。目前電力儲(chǔ)能技術(shù)較多，壓縮空氣儲(chǔ)能由于優(yōu)勢(shì)明顯，未來(lái)無(wú)疑將成為除抽水蓄能之外*具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能。
電力儲(chǔ)能按照技術(shù)分類，可分為機(jī)械儲(chǔ)能(抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等)、電磁儲(chǔ)能(超級(jí)電容器等)和電化學(xué)儲(chǔ)能(鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池等)等(見(jiàn)圖1)。
在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上*大，達(dá)到上GW，技術(shù)也*成熟;壓縮空氣儲(chǔ)能次之，單機(jī)規(guī)?？梢赃_(dá)到100MW級(jí)別;化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模較小，單機(jī)規(guī)模一般在MW級(jí)別或更小，并且規(guī)模越大控制問(wèn)題越突出。目前為止，已經(jīng)大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)(比如100MW級(jí)以上)只有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能兩種。下面對(duì)適合大規(guī)模儲(chǔ)能的抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能的性能特點(diǎn)分別展開(kāi)詳細(xì)描述。
1大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的選擇
1.1抽水蓄能
抽水蓄能需要高低兩個(gè)水庫(kù)，并安裝能雙向運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)水泵機(jī)組。它利用電能與水的勢(shì)能轉(zhuǎn)變，將風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生資源產(chǎn)生的不可控的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)可以接納的穩(wěn)定電能或者起削峰平谷的目的(見(jiàn)圖2)。抽水蓄能是在電力系統(tǒng)中技術(shù)*成熟、應(yīng)用*廣泛的一種儲(chǔ)能技術(shù)。截至2011年，我國(guó)抽水蓄能總裝機(jī)容量超過(guò)1800萬(wàn)kW，規(guī)劃2015年達(dá)到3000萬(wàn)kW。抽水蓄能可以建造為不同容量，能量釋放時(shí)間可從幾小時(shí)到幾天，是目前**達(dá)到GW級(jí)的儲(chǔ)能技術(shù)，同時(shí)轉(zhuǎn)化效率較高，綜合效率可達(dá)70%～85%。其缺點(diǎn)在于需要建設(shè)高低兩個(gè)水庫(kù)，受到特殊的場(chǎng)地要求選址非常困難，而且廠址一般都遠(yuǎn)離大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，建設(shè)周期也較長(zhǎng)，還會(huì)帶來(lái)一定的生態(tài)和移民問(wèn)題。
1.2壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能是另一種可以實(shí)現(xiàn)大容量和長(zhǎng)時(shí)間電能存儲(chǔ)的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，是指將低谷、風(fēng)電、太陽(yáng)能等不易儲(chǔ)藏的電力用于壓縮空氣，將壓縮后的高壓空氣密封在儲(chǔ)氣設(shè)施中，在需要時(shí)釋放壓縮空氣推動(dòng)透平發(fā)電的儲(chǔ)能方式。
目前，地下儲(chǔ)氣站采用報(bào)廢礦井、沉降在海底的儲(chǔ)氣罐、山洞、過(guò)期油氣井和新建儲(chǔ)氣井等多種模式，其中*理想的是水封恒壓儲(chǔ)氣站，能保持輸出恒壓氣體。地上儲(chǔ)氣站采用高壓的儲(chǔ)氣罐模式。
壓縮空氣儲(chǔ)能是一種基于燃?xì)廨啓C(jī)的儲(chǔ)能技術(shù)，技術(shù)非常成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。壓縮空氣儲(chǔ)能具有容量大、工作時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：
(1)規(guī)模上僅次于抽水蓄能，適合建造大型電站。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以持續(xù)工作數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天，工作時(shí)間長(zhǎng);
(2)建造成本和運(yùn)行成本比較低，低于鈉硫電池或液流電池，也低于抽水蓄能電站，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。隨著絕熱材料的應(yīng)用僅使用少量或不使用天然氣或石油等燃料加熱壓縮空氣，燃料成本占比逐步下降;
(3)場(chǎng)地限制少。雖然將壓縮空氣儲(chǔ)存在合適的地下礦井或溶巖下的洞穴中是*經(jīng)濟(jì)的方式，但是現(xiàn)代壓縮空氣儲(chǔ)存的解決方法是可以用地面儲(chǔ)氣罐取代溶洞;
(4)壽命長(zhǎng)，通過(guò)維護(hù)可以達(dá)到40～50年，接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以達(dá)到60%左右，接近抽水蓄能電站;
(5)**性和可靠性高。壓縮空氣儲(chǔ)能使用的原料是空氣，不會(huì)燃燒，沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)，不產(chǎn)生任何有毒有害氣體。萬(wàn)一發(fā)生儲(chǔ)氣罐漏氣的事故，罐內(nèi)壓力會(huì)驟然降低，空氣既不會(huì)爆炸也不會(huì)燃燒。
總之，在我國(guó)廣泛不具備建設(shè)抽水蓄能電站自然條件的一些地區(qū)，尤其遠(yuǎn)離消費(fèi)中心的大型風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，迫切需要研究開(kāi)發(fā)另外一種能夠大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間使用的儲(chǔ)能技術(shù)。由于壓縮空氣儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)明顯，可以彌補(bǔ)抽水蓄能的先天不足，將是有效解決我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能問(wèn)題的重要選擇。
2壓縮空氣儲(chǔ)能概述
2.1工作原理
壓縮空氣儲(chǔ)能是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，工作原理非常類似。
燃?xì)廨啓C(jī)裝置由壓氣機(jī)、燃燒器(或叫燃燒室)和透平3個(gè)主要部分組成(見(jiàn)圖3)。燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理為：葉輪式壓氣機(jī)從外部吸收空氣，壓縮后送入燃燒器，同時(shí)燃料(氣體或液體燃料)也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在定壓下進(jìn)行燃燒。生成的高溫高壓煙氣進(jìn)入透平膨脹做功，推動(dòng)動(dòng)力葉片高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)增壓空氣，燃?xì)廨啓C(jī)裝置中約2/3功率用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。
壓縮空氣儲(chǔ)能一般包括5個(gè)主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室及換熱器、透平、儲(chǔ)氣裝置(地下或地上洞穴或壓力容器)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)(見(jiàn)圖4)。其工作原理與燃?xì)廨啓C(jī)稍有不同的是：壓氣機(jī)和透平不同時(shí)工作，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)共用一機(jī)。在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能中的電動(dòng)機(jī)耗用電能，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)壓縮空氣并存于儲(chǔ)氣裝置中;放氣發(fā)電過(guò)程中，高壓空氣從儲(chǔ)氣裝置釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動(dòng)透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能。由于壓縮空氣來(lái)自儲(chǔ)氣裝置，透平不必消耗功率帶動(dòng)壓氣機(jī)，透平的出力幾乎全用于發(fā)電。
2.2應(yīng)用現(xiàn)狀
壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電已有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，*早投運(yùn)的機(jī)組已**運(yùn)行30多年。目前已有兩座大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能電站投入了商業(yè)運(yùn)行，分別位于德國(guó)和美國(guó)。
**座是1978年投入商業(yè)運(yùn)行的德國(guó)Huntorf電站。目前仍在運(yùn)行中，是世界上*大容量的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。機(jī)組的壓縮機(jī)功率60MW，釋能輸出功率為290MW。系統(tǒng)將壓縮空氣存儲(chǔ)在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力*高可達(dá)10MPa。機(jī)組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動(dòng)并網(wǎng)5000多次，平均啟動(dòng)可靠性97.6%。實(shí)際運(yùn)行效率約為42%。
**座是1991年投入商業(yè)運(yùn)行的美國(guó)Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站(見(jiàn)圖5)。儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW。儲(chǔ)氣洞穴在地下450m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲(chǔ)氣壓力為7.5MPa?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)41h空氣壓縮和26h發(fā)電，機(jī)組從啟動(dòng)到滿負(fù)荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。實(shí)際運(yùn)行效率約為54%。
美國(guó)Ohio州Norton從2001年起開(kāi)始建一座2700MW的大型壓縮空氣儲(chǔ)能商業(yè)電站，該電站由9臺(tái)300MW機(jī)組組成。壓縮空氣存儲(chǔ)于地下670m的地下巖鹽層洞穴內(nèi)，儲(chǔ)氣洞穴容積為9.57×106m3。
日本于2001年投入運(yùn)行的上砂川盯壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，位于北海道空知郡，輸出功率為2MW，是日本開(kāi)發(fā)400MW機(jī)組的工業(yè)試驗(yàn)用中間機(jī)組。它利用廢棄的煤礦坑(約在地下450m處)作為儲(chǔ)氣洞穴，*大壓力為8MPa。
瑞士ABB公司(現(xiàn)已并入阿爾斯通公司)正在開(kāi)發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電功率為422MW，空氣壓力為3.3MPa，系統(tǒng)充氣時(shí)間為8h，儲(chǔ)氣洞穴為硬巖地質(zhì)，采用水封方式。目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、盧森堡、南非、以色列和韓國(guó)等也在積極開(kāi)發(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。
我國(guó)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)開(kāi)始比較晚，大多集中在理論和小型實(shí)驗(yàn)層面，目前還沒(méi)有投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。中科院工程熱物理研究所正在建設(shè)1.5MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。
3壓縮空氣儲(chǔ)能分類
根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能的絕熱方式，可以分為兩種：非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、帶絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能。同時(shí)根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能的熱源不同，非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能可以分為無(wú)熱源的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、燃燒燃料的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，帶絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能可以分為外來(lái)熱源的帶絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、壓縮熱源的帶絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(見(jiàn)圖6)。
3.1無(wú)熱源的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能
無(wú)熱源的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)既不采用燃燒燃料加熱，也不采用其他外來(lái)熱源和絕熱裝置。
在儲(chǔ)能時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)壓縮空氣并存于儲(chǔ)氣裝置中;放氣發(fā)電過(guò)程中，高壓空氣從儲(chǔ)氣裝置釋放，驅(qū)動(dòng)透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能(見(jiàn)圖7)。
無(wú)熱源的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)能量密度和效率較低。因此，它僅應(yīng)用在微小型系統(tǒng)中，用作備用電源、空氣馬達(dá)動(dòng)力和車用動(dòng)力等，不適應(yīng)大規(guī)模儲(chǔ)能。
3.2燃燒燃料的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能
燃燒燃料的非絕熱空氣壓縮蓄能的特點(diǎn)是需要向系統(tǒng)提供較多額外的燃料，放氣時(shí)加熱從儲(chǔ)氣裝置中流出的空氣。
典型代表為德國(guó)的Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站和美國(guó)Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站。它們與壓縮空氣儲(chǔ)能基本原理相比，壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程為二級(jí)，壓縮過(guò)程包括級(jí)間以及級(jí)后冷卻，膨脹過(guò)程包括中間再熱結(jié)構(gòu)。
德國(guó)的Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。在儲(chǔ)能過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)，空氣通過(guò)兩級(jí)壓縮成高壓空氣，同時(shí)使用冷卻裝置，在進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置之前被冷卻，然后存于儲(chǔ)氣裝置中。在釋能過(guò)程中，高壓空氣從儲(chǔ)氣裝置釋放，通過(guò)兩次補(bǔ)燃，驅(qū)動(dòng)透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能。
美國(guó)Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。它與德國(guó)的Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能不同之處在于它是帶有余熱回收裝置的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)回收渦輪排氣中的廢熱預(yù)熱壓縮空氣，從而可以提高系統(tǒng)的熱效率。由于具有回?zé)峤Y(jié)構(gòu)，McIntosh電站的單位發(fā)電燃料消耗相對(duì)于Huntorf電站節(jié)省了約25%。
3.3外來(lái)熱源的帶絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能
此類壓縮空氣儲(chǔ)能是通過(guò)存儲(chǔ)外來(lái)熱源代替燃料燃燒加熱。外來(lái)熱源可以是太陽(yáng)能熱能、電力、化工、水泥等行業(yè)的余熱廢熱等。目前應(yīng)用*廣泛是太陽(yáng)能熱能，太陽(yáng)能熱利用是一種*現(xiàn)實(shí)、*有前景、*能夠有份額的替代化石能源消耗的太陽(yáng)能利用方式，通過(guò)太陽(yáng)集熱器可以獲得550℃以上的高溫，但由于太陽(yáng)能的間歇性和不穩(wěn)定性，儲(chǔ)熱裝置在太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中具有先天的需求。
在儲(chǔ)能過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)，壓縮成高壓空氣存于儲(chǔ)氣裝置中，外來(lái)熱源熱能存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱裝置中。在釋能過(guò)程中，利用存儲(chǔ)的外來(lái)熱源熱能加熱壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能(見(jiàn)圖10)。
3.4壓縮熱源的帶絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中空氣的壓縮過(guò)程接近絕熱過(guò)程，產(chǎn)生大量的壓縮熱。如在理想狀態(tài)下，壓縮空氣至10MPa，能夠產(chǎn)生650℃的高溫。
在儲(chǔ)能過(guò)程中，壓縮熱源的帶絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能將空氣壓縮過(guò)程中的壓縮熱存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱裝置中，高壓空氣存于儲(chǔ)氣裝置中。在釋能過(guò)程中，利用存儲(chǔ)的壓縮熱能加熱壓縮空氣，然后驅(qū)動(dòng)渦輪做功(見(jiàn)圖11)。與非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能相比較，綜合效率*高可達(dá)到70%。同時(shí)，此系統(tǒng)中壓氣機(jī)的出口會(huì)達(dá)到650°C的高溫，增加了對(duì)壓氣機(jī)耐熱材料的要求。系統(tǒng)雖然去除了燃燒室，但是增加了儲(chǔ)熱裝置，會(huì)帶來(lái)管道和閥門數(shù)量的增加與儲(chǔ)氣裝置體積過(guò)大的問(wèn)題。
4壓縮空氣儲(chǔ)能的耦合利用方式
傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能主要通過(guò)透平直接發(fā)電。為了提高系統(tǒng)工作方式的靈活性，改善系統(tǒng)的效率和適應(yīng)特殊用途等，逐步出現(xiàn)了直接利用經(jīng)過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能壓縮后的高壓空氣與其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合的應(yīng)用方式。
4.1壓縮空氣儲(chǔ)能與可再生能源耦合系統(tǒng)
風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電出力的不確定性和波動(dòng)性給電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率平衡和**穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)諸多問(wèn)題。壓縮空氣儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)間歇式可再生能源穩(wěn)定輸出，為可再生能源大規(guī)模利用提供有效的解決方案。
在用電低谷，風(fēng)電場(chǎng)的多余電力驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，壓縮并儲(chǔ)存壓縮空氣，同時(shí)太陽(yáng)能熱能存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱裝置中。在釋能過(guò)程中，利用太陽(yáng)能熱能和尾氣中的熱量加熱壓縮空氣，需要時(shí)通過(guò)燃燒進(jìn)一步加熱壓縮空氣，然后進(jìn)入透平發(fā)電上網(wǎng)。此系統(tǒng)可以有效解決可再生能源的并網(wǎng)問(wèn)題，進(jìn)一步提高歇式可再生能源在電網(wǎng)中供電的比例(見(jiàn)圖12)。
4.2壓縮空氣儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)耦合系統(tǒng)
壓縮空氣儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理類似，可以組合成高效率的耦合系統(tǒng)，有效利用壓縮空氣儲(chǔ)能起到削峰平谷的目的(見(jiàn)圖13)。
為了提高能源利用效率，在一般情況下，大功率燃?xì)廨啓C(jī)需要連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行，而壓縮空氣儲(chǔ)能則作為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的“加力裝置”。在用電低谷時(shí)，多余電力用來(lái)壓縮空氣并儲(chǔ)存在地下洞穴或者地上高壓容器等儲(chǔ)氣裝置里;在用電高峰時(shí)，壓縮空氣通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣加熱之后，可以直接噴入或者同燃?xì)廨啓C(jī)壓縮空氣混合噴入燃燒室，以增加燃?xì)廨啓C(jī)出功，其排氣仍通過(guò)余熱換熱器加熱壓縮空氣儲(chǔ)能中的空氣。
5小結(jié)
目前壓縮空氣儲(chǔ)能在我國(guó)仍然處在探索階段，技術(shù)尚未成熟，但是系統(tǒng)規(guī)模大、儲(chǔ)能成本低，尤其在我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源與消費(fèi)中心地區(qū)嚴(yán)重逆向分布的背景下，必將會(huì)在未來(lái)電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
