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空气充电宝压缩空气储能技术

发布时间:2024/10/18 13:50:12   

国际首套百兆瓦先进压缩空气储能示范电站来源:中科院工程热物理所

今年九月,河北省张家口国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目(以下简称:河北项目)实现并网发电,该项目总规模为兆瓦/兆瓦时,核心装备自主化率%,每年可发电1.32亿度以上,能够在用电高峰为约5万户用户提供电力保障,每年可节约标准煤4.2万吨,减少二氧化碳排放10.9万吨,是目前世界单机规模最大、效率最高的新型压缩空气储能电站。

压缩空气储能是什么?先进压缩空气储能技术相比于传统压缩空气储能技术有哪些技术进步?与其他新型储能技术相比,压缩空气储能技术有哪些优劣势?本文将围绕这些问题对压缩空气储能进行介绍。

什么是压缩空气储能

压缩空气储能系统是以高压空气压力能作为能量储存形式,并在需要时通过高压空气膨胀做功来发电的系统,其技术原理发展自燃气轮机。

燃气轮机是由高速旋转叶轮构成的,将燃料燃烧产生的热能直接转换成机械功对外输出的回转式动力机械。由于其具有功率密度大(体积小、重量轻)、启动速度快、少用或不用冷却水等一系列优点,从年世界上第一台燃气轮机诞生至今,燃气轮机技术已经进入航空、航海、电力、工业压缩输送等领域并得到了迅速的发展。现代燃气轮机由压缩机、燃烧室和膨胀机组成,压缩机和膨胀机均为高速旋转的叶轮机械,是气流能量与机械功之间相互转换的关键部件。其基本工作过程为环境空气被压缩机压缩到高压,然后压缩空气和燃料流入燃烧室进行燃烧,产生高压高温气流,在膨胀机内膨胀产生轴功。

百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目鸟瞰图来源:中科院工程热物理所

由于压缩机和膨胀机安装在一根轴上,压缩机消耗的能量由膨胀机提供(压缩机是为了提升工质压力,便于膨胀机做功,其中工质是指实现热能和机械能相互转化的媒介物质),如果压缩机和膨胀机安装在不同的轴上,则压缩过程和膨胀过程可以分开,这就形成了压缩空气储能技术的基本雏形。

储能时,压缩空气储能系统利用风电、光电或低谷电能带动压缩机,将电能转化为空气压力能,随后高压空气被密封存储于报废的矿井、岩洞、废弃的油井或者人造的储气罐中;释能时,通过放出高压空气推动膨胀机,将存储的空气压力能再次转化为机械能或者电能。

压缩空气储能系统与燃气轮机的不同之处在于燃气轮机的压缩机和膨胀机是同时处于工作状态,而压缩空气储能系统中的压缩过程和膨胀过程却是分时进行工作。

那么压缩空气能储存多少能量呢?根据热力学第二定律,区别于环境压力和温度的空气具有做功能力。当压缩空气压力为倍大气压、温度为环境温度时,1立方米空气内部的能量(可转化为电能)为12.9度电;当压力增至倍大气压时,1立方米空气储存电能为28.3度,进一步将空气加热至摄氏度,可释放的电能变为54.4度。同时根据上述公式,可知温度极低时空气的做功能力也会急剧增大,如1立方米常压液态空气内部的可用能为度电,可见最普通的空气也可蕴含巨大的能量。

和一般热力系统一样,评价压缩空气储能系统的重要指标之一为系统效率,是输出能量和输入能量的比值,其代表能量利用的热力学完善程度,河北项目系统效率高达70.4%,为国际先进水平。

河北项目先进在哪?

河北项目的先进压缩空气储能技术是在原有压缩空气储能的基础上发展起来的一种新型压缩空气储能技术,已基本上走过了从基础研究到关键技术,再到集成示范和产业化的过程。该技术核心由压缩机(一种将低压气体提升为高压气体的机械)系统、膨胀机(利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功,使气体温度降低的原理获得冷量的机械)系统、蓄冷(热)换热系统、储气系统等组成。

百兆瓦级先进压缩空气储能系统膨胀机组来源:中科院工程热物理所

中国科学院工程热物理所研究员,中国工程热物理学会副理事长、秘书长陈海生在接受媒体采访时介绍,先进压缩空气储能技术与传统压缩空气储能技术相比,主要有三点进步:1、通过系统优化和过程耦合{耦合在这里指将上一级的动力(能量)传递到下一级的过程}匹配,以及系统中热能的高效回收利用来提高整个储能系统的效率,系统效率从德国和美国电站的40%~50%提高到70%;2、通过对压缩过程的热进行回收,用压缩热来替代燃料燃烧,不使用天然气等化石燃料;3、在没有储气洞穴条件的地方,通过研发新型储气装置,如压力容器、压力管道、液态空气装置等提高系统选址的灵活性。

百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目储热罐来源:中科院工程热物理所

先进压缩空气储能技术具有规模大、成本低、寿命长、清洁无污染、安全性好、储能周期不受限制、不依赖化石燃料及地理条件等优势,是极具发展潜力的长时大规模储能技术,可实现电力系统调峰、调频、调相、旋转备用、黑启动(黑启动是指整个系统因故障停运后,系统全部停电,处于全“黑”状态,不依赖别的网络帮助,通过系统中具有自启动能力的发电机组启动,带动无自启动能力的发电机组,逐渐扩大系统恢复范围,最终实现整个系统的恢复。)等多个功能,在提高电力系统效率、安全性和经济性等方面具有广阔的发展空间和竞争力。

压缩空气储能优劣势

随着碳达峰、碳中和成为全球共识,新能源在整个能源体系中比重的快速增加,抽水蓄能、锂离子电池、压缩空气储能、钠离子电池、液流电池、飞轮储能等各类储能技术快速发展,呈现出了“百家争鸣”的局面。

不同的储能技术,有不同优劣势。陈海生介绍,压缩空气储能技术的主要优势是规模大、寿命长、成本较低和储能时间长。它的规模可以达到百兆瓦级以上,储能时间可达4—10小时,甚至更长。由于都是机械装置,正常维护情况下寿命可达30—50年。单位千瓦时的成本比较低,河北项目的系统初装成本约是1—元/千瓦时,第二套项目,预计初装成本可以下降至0—1元/千瓦时。由于压缩空气储能系统寿命长,如果从全寿命周期来看,成本更低,全寿命周期的压缩空气储能系统的度电成本(度电成本是指项目单位上网电量所发生的综合成本,主要包括项目的投资成本、运行维护成本和财务费用)约为0.15—0.25元,是度电成本最低的储能技术之一。当然,其成本根据具体项目的地理位置、地质条件、钢材等大宗商品价格而有所波动。

压缩空气储能的劣势主要有三个方面:一是目前压缩空气储能的效率约为70%,与效率较高的电池(85%—90%)相比相对较低;二是响应速度没有电化学储能快,负荷从0到%的正常响应时间需要3—9分钟,而电化学储能为秒级到毫秒级。压缩空气储能系统只有作为旋转备用时才可以达到秒级;三是一般情况下不适合太小规模的应用场景,规模太小,系统效率会下降,单位成本会增加。

小结

与大多数储能技术相同,压缩空气储能技术不创造能源,而是能源的搬运工。系统通过吸收间歇性、不稳定、周期性的低质电能,经过存储、转化,成为高质电能,并在用电高峰期进行释放,从而缓解覆盖区域用电压力。它就好像充电宝一样,又由于用到的“介质”为空气,因此就被人们形象地称作“空气”充电宝。

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