新型壓縮空氣儲(chǔ)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810016; 3.青海省地質(zhì)測(cè)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(dá)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(duì)環(huán)境的負(fù)面影響日益凸顯[3],國際能源形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

在此背景下,中國積極實(shí)施“雙碳”戰(zhàn)略以響應(yīng)全球減碳環(huán)保行動(dòng)[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(fèi)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(dòng)性、間歇性和不確定性[6-7]等問題。研究表明,儲(chǔ)能技術(shù)所具有的能量隨時(shí)間遷移能力[8]可為大規(guī)模可再生能源的并網(wǎng)問題,提供有效的解決方案[9]。

儲(chǔ)能的目的是“將難以儲(chǔ)存的能量形式轉(zhuǎn)換成易于儲(chǔ)存的形式,以便在需要時(shí)恢復(fù)為原始形式”[10]。目前儲(chǔ)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(chǔ)能、機(jī)械能儲(chǔ)能和熱能儲(chǔ)能[11]。其中,化學(xué)能儲(chǔ)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(jī)械能儲(chǔ)能的主要技術(shù)有抽水儲(chǔ)能(pumped hydro storage,PHS)、飛輪儲(chǔ)能(flywheel energy storage,FES)和壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage,CAES)[14];熱能儲(chǔ)能技術(shù)則包括地?zé)醿?chǔ)能、太陽能儲(chǔ)能和熔鹽儲(chǔ)能等。

上述儲(chǔ)能技術(shù)各有優(yōu)劣。其中,CAES具有儲(chǔ)能容量大、周期長、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長、投資小等優(yōu)勢(shì)[15],且相對(duì)于其他儲(chǔ)能技術(shù)而言更具有商業(yè)化大規(guī)模運(yùn)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(duì)CAES的研究進(jìn)展主要集中在相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)優(yōu)化和規(guī)模化應(yīng)用兩個(gè)方面。就前者而言,萬明忠等[18]以湖北應(yīng)城CAES項(xiàng)目為研究對(duì)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(shí)踐,指出該技術(shù)在鹽穴腔體分布識(shí)別方面的重要作用。朱榮強(qiáng)等[19]研究了洞室埋深及高跨比對(duì)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(shí)圍巖穩(wěn)定性最好。Jiang等[20]利用先導(dǎo)洞穴測(cè)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(qiáng)塑料密封層和混凝土襯砌的熱力學(xué)響應(yīng)和機(jī)械響應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了該襯砌對(duì)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(yùn)行工況下的儲(chǔ)氣庫密封層性能,結(jié)果表明,玻璃鋼和鋼材作為密封層時(shí)可以有效降低注采期間的儲(chǔ)庫溫差并削弱溫度效應(yīng)對(duì)圍巖的影響。在CAES的規(guī)模化應(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(yàn)平臺(tái),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(dòng)經(jīng)濟(jì)模型與熱力學(xué)模型、遺傳算法相結(jié)合,用以評(píng)估CAES系統(tǒng)規(guī)模化商業(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(yùn)營后將帶來極大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。

上述學(xué)者分別從地質(zhì)條件、儲(chǔ)庫構(gòu)造以及運(yùn)行工況等方面研究了CAES的技術(shù)發(fā)展,并針對(duì)其與可再生能源的大規(guī)模耦合等應(yīng)用問題,貢獻(xiàn)了大量寶貴的研究經(jīng)驗(yàn)和理論成果。然而,已有的研究進(jìn)展在對(duì)新型CAES及其相關(guān)技術(shù)理論方面尚為欠缺,且對(duì)中外新型CAES的最新應(yīng)用實(shí)例的研究有待進(jìn)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(dòng)態(tài)發(fā)展情況,并結(jié)合中外最新應(yīng)用實(shí)例,分析其優(yōu)缺之處和生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。最后,總結(jié)CAES的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì),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(chǔ)能新技術(shù)路徑的可行性,為中國可再生能源的存儲(chǔ)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(chǔ)能

1.1 壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)誕生背景

使用壓縮空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行能量存儲(chǔ)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(chǔ)氣硐室內(nèi)儲(chǔ)存電力的專利[26],CAES技術(shù)宣告問世。 CAES技術(shù)是在燃?xì)廨啓C(jī)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(chǔ)能的動(dòng)力存儲(chǔ)系統(tǒng),并可通過單個(gè)單元輸出超過100 MW的功率。主要目的就是解決大量廉價(jià)的非高峰時(shí)段電力遭到浪費(fèi),而高峰時(shí)段的電力需求量卻不斷增加的電能儲(chǔ)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(shí),即釋放儲(chǔ)存在油箱或其他存儲(chǔ)空間中的壓縮空氣,從而推動(dòng)膨脹器工作以產(chǎn)生電力,實(shí)現(xiàn)能量在時(shí)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?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是將空氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后,進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒加熱升溫,產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入透平膨脹做功。一般燃?xì)廨啓C(jī)用渦輪軸輸出功率的1/2～2/3作為空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng),期間燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)需消耗約60%的透平輸出功,導(dǎo)致其凈輸出功遠(yuǎn)低于透平的輸出功[30]。CAES的不同之處在于壓縮機(jī)與膨脹機(jī)并不同時(shí)工作。壓縮機(jī)利用富余的電能將空氣壓縮儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣裝置中,這個(gè)過程稱為儲(chǔ)能。在釋放能量的過程中,壓縮空氣從儲(chǔ)氣裝置進(jìn)入燃燒室與固體氧化物等燃料一同燃燒,推動(dòng)膨脹機(jī)組工作[31]。由于儲(chǔ)能和釋能工作錯(cuò)時(shí)進(jìn)行,后者并沒有壓縮機(jī)消耗透平的輸出功。因此,CAES產(chǎn)生的功率通常是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的2～3倍[32]。

2 新型壓縮空氣儲(chǔ)能研究進(jìn)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(chǔ)存容量和熱源為劃分依據(jù)。

按照儲(chǔ)存容量為依據(jù),CAES可分為大型CAES系統(tǒng)(100 MW級(jí))、小型CAES系統(tǒng)(10 MW級(jí))和微型CAES系統(tǒng)(10 kW級(jí))。其中,大型CAES系統(tǒng)儲(chǔ)氣容量要求較高,調(diào)峰能力強(qiáng),同時(shí)能與地?zé)崮堋⑻柲堋淠艿瓤稍偕茉聪嘟Y(jié)合共同工作[33]。由于其主要使用大容積的儲(chǔ)氣室,如鹽穴[34]、礦硐[35]、枯竭油氣藏或含水儲(chǔ)層等[36]。因此,其受場(chǎng)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(chǔ)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(qiáng),適用于住宅等小型電網(wǎng)的供能[37]。微型CAES系統(tǒng)的單機(jī)發(fā)電能力較弱,所需儲(chǔ)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(chǔ)能(diabatic compressed air energy storage,D-CAES)、絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(adiabatic compressed air energy storage,A-CAES)和等溫非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(isothermal diabatic compressed air energy storage,I-CAES)等。

2.2 非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(D-CAES)

如圖2所示。D-CAES的組成一般包括:①壓縮機(jī)系統(tǒng),通常為中間冷卻的多級(jí)壓縮設(shè)備;②膨脹機(jī)系統(tǒng),通常為中間再熱的多級(jí)膨脹裝置;③儲(chǔ)氣室或儲(chǔ)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(fù)責(zé)燃燒和熱回收工作;⑤發(fā)電機(jī)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(dòng)膨脹機(jī)工作,期間包括壓縮時(shí)的冷卻和膨脹時(shí)的再加熱過程。它通過削減壓縮機(jī)組的能耗,并在壓縮空氣從儲(chǔ)氣室進(jìn)入燃燒室后,利用燃料進(jìn)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(dá)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(chǔ)能時(shí)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(shí)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(xiàng)目展開全部產(chǎn)能的合作。該項(xiàng)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(chǔ)氣容器(圖3[42])。項(xiàng)目擬于2023年開工,計(jì)劃于2026年投產(chǎn)使用。

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

Zuidwending項(xiàng)目具備220 MW的壓縮容量,并分配給四臺(tái)55 MW的壓縮機(jī)以保持其在工作中的靈活性。壓縮階段,該項(xiàng)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(xiàng)目使用兩臺(tái)總?cè)萘繛?20 MW的渦輪膨脹機(jī)做功,期間采用氫氣再次加熱空氣[42]。

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

2.3 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(A-CAES)

A-CAES是將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)在儲(chǔ)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(chǔ)存壓力和儲(chǔ)存溫度對(duì)循環(huán)效率沒有影響,實(shí)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(chǔ)熱裝置、換熱裝置、膨脹機(jī)等重要部件長時(shí)間工作在高溫條件下,其耐久性和穩(wěn)定性要求也相對(duì)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(duì)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(jí)儲(chǔ)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(chǔ)能中心。該項(xiàng)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(gè)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(chǔ)能中心的A-CAES電站將提供高達(dá)500 MW/4 000 MW·h的電力容量,建成運(yùn)營后將對(duì)該區(qū)域帶來超過5億美元的直接或間接的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(xiàng)名為先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)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(yùn)行時(shí),通過集成熱能儲(chǔ)存子系統(tǒng),壓縮空氣中存儲(chǔ)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(fù)責(zé)完成將壓縮機(jī)中的冷卻空氣和每個(gè)渦輪的進(jìn)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(chǔ)存起來以供后續(xù)再加熱空氣膨脹時(shí)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)國家示范項(xiàng)目”立項(xiàng),該項(xiàng)目采用清華大學(xué)盧強(qiáng)院士和梅生偉教授團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的基于AA-CAES的非補(bǔ)燃CAES技術(shù),是中國首座50 MW級(jí)AA-CAES國家級(jí)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。

2.4 等溫非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)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(jí)壓縮筒和膨脹筒以加強(qiáng)熱交換,保持系統(tǒng)運(yùn)行過程中的等溫特性。

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

如圖5所示,GLIEDS系統(tǒng)包括:常壓液體存儲(chǔ)儲(chǔ)層、預(yù)加壓的壓力容器、壓縮氣體(如空氣、氮?dú)狻⒍趸嫉?、泵機(jī)或電機(jī)和水輪機(jī)或發(fā)電機(jī)[48]。為達(dá)到儲(chǔ)能的目的,液體被泵機(jī)泵出儲(chǔ)層并進(jìn)入壓力容器,直至電力耗盡或達(dá)到最大許用壓力。同時(shí)為了回收儲(chǔ)存的能量,在高水頭的水通過水輪機(jī)(如Pelton水輪機(jī)或液壓馬達(dá))旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)并釋放電能。在此過程中使用的液體被返回到常壓液體儲(chǔ)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(jī)或煙囪排放的廢熱,則其可以用于進(jìn)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(cè)量數(shù)據(jù)及熱力學(xué)分析表明,在電網(wǎng)規(guī)模上,這項(xiàng)變革性技術(shù)將顯著優(yōu)于鉛酸電池,在存儲(chǔ)成本低于鉛酸電池1/2(180～400美元/kW·h)的情況下,提供高達(dá)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(chǔ)能研究的新領(lǐng)域

近年來,為適應(yīng)特定條件下的綠電儲(chǔ)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(chǔ)能(liquid air energy storage,LAES)、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能(supercritical compressed air energy storage,SC-CAES)和海上壓縮空氣儲(chǔ)能(offshore compressed air energy storage,O-CAES)等。

3.1 液化空氣儲(chǔ)能(LAES)

LAES是一種熱機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù),由于其具備高擴(kuò)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(shì)[51],受到了儲(chǔ)能研發(fā)者們的廣泛關(guān)注。

如圖6[52]所示,一個(gè)獨(dú)立的LAES通常包括3個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng):①用于充電的液化單元(liquefaction fueling unit,LFU);②存儲(chǔ)子系統(tǒng);③用于放電的功率回收單元(power recovery unit,PRU)。其中,存儲(chǔ)子系統(tǒng)又包括存儲(chǔ)液態(tài)空氣的主存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)壓縮熱的單元和存儲(chǔ)高級(jí)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(shí),LFU采用非峰值的低成本電力或可再生能源,通過多級(jí)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(jī)生成,并常壓下儲(chǔ)存在液態(tài)空氣儲(chǔ)存罐中。與此同時(shí),壓縮熱被回收并儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱器中,其效率約為98%[53]。放電時(shí),先將存儲(chǔ)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(chǔ)存冷能。儲(chǔ)存的冷能會(huì)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(chǔ)存的壓縮熱的過度加熱,最后在空氣渦輪機(jī)組中膨脹以發(fā)電。LAES的整個(gè)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(gè)LAES試驗(yàn)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(chǔ)能(SC-CAES)

傳統(tǒng)的CAES系統(tǒng)存在依賴化石燃料、大儲(chǔ)氣容器、效率低、能量密度低等缺點(diǎn)[56]。針對(duì)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(shí)消除了對(duì)化石燃料和大容量儲(chǔ)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(jī)、膨脹機(jī)、冷熱交換器、儲(chǔ)熱器和發(fā)電機(jī)等組成。其中,壓縮機(jī)和膨脹機(jī)分別設(shè)置有中冷器和再熱器。對(duì)前者而言,這不僅降低了壓縮功耗,同時(shí)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(jī)[57];2013年,在河北廊坊建成1.5 MW物理儲(chǔ)能綜合實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證平臺(tái)[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(diǎn),正在引領(lǐng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)朝著新的發(fā)展方向前進(jìn)。

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(chǔ)能(O-CAES)

1997年,Seymour[61]首次提出了O-CAES的概念:將空氣儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存方法。

一般的O-CAES系統(tǒng)由壓縮機(jī)、渦輪、發(fā)電機(jī)、熱回收單元(thermal recovery unit,TRU)和存儲(chǔ)裝置5個(gè)主要部件組成,其中儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)在合適的儲(chǔ)熱介質(zhì)中。系統(tǒng)放電時(shí),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(jī)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(huì)擠占陸地空間。同時(shí)O-CAES的故障對(duì)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(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)源于水的流體性質(zhì),水下壓縮空氣存儲(chǔ)的體積可以隨著自身的填充和排空而變化。因此,存儲(chǔ)的空氣壓力大致恒定且與存儲(chǔ)的空氣量無關(guān)。這種等壓特性與使用穿梭池的洞穴儲(chǔ)存時(shí)獲得的特性相似[65],并且允許使用比沒有穿梭池的洞穴儲(chǔ)存等壓系統(tǒng)更有效的葉輪機(jī)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(chǔ)能示范項(xiàng)目(1 MW/4 MW·h)竣工并投入使用[66],該項(xiàng)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(xiàng)目的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)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(jī)將壓縮空氣輸送到水下,并儲(chǔ)存在6個(gè)大型氣球狀結(jié)構(gòu)中。當(dāng)需要電力時(shí),水壓可通過一根大型管道將空氣推至水面,然后膨脹機(jī)再將空氣轉(zhuǎn)化為電力輸出。在系統(tǒng)峰值輸出時(shí),存儲(chǔ)單元能夠?yàn)榧s330戶家庭供電(660 kW)。根據(jù)消耗的電量,該系統(tǒng)目前可以運(yùn)行一個(gè)多小時(shí),但未來水下氣腔的擴(kuò)容將有望大幅延長這一持續(xù)時(shí)間。

圖9 加拿大多倫多島儲(chǔ)能示范項(xiàng)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(chǔ)能示范項(xiàng)目的往返效率可達(dá)70%以上[68],得益于利用靜壓補(bǔ)償儲(chǔ)氣系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢(shì),即無論充放電狀態(tài)如何,儲(chǔ)氣裝置都將保持近乎恒定的壓力,并且僅需較小的存儲(chǔ)體積。項(xiàng)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)真正的零排放[69]。由于該示范項(xiàng)目的成功,O-CAES技術(shù)為世界上每個(gè)擁有深水體的城市提供儲(chǔ)能方案的構(gòu)想,正逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

4 中外壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用動(dòng)態(tài)

在CAES的應(yīng)用方面,以歐美為主的發(fā)達(dá)國家發(fā)展較早。就美國而言,各州為達(dá)成所設(shè)立的凈零目標(biāo),在CAES方面便著重于其規(guī)模化應(yīng)用與商業(yè)化推進(jìn),并加快與現(xiàn)有發(fā)電設(shè)施的系統(tǒng)整合進(jìn)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(jìn)展,建成了諸多世界首例的CAES設(shè)施,在國際上實(shí)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(chǔ)氣庫建設(shè)、儲(chǔ)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(dá)成全球凈零排放目標(biāo)貢獻(xiàn)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(chǎng)空間,促使其在電力系統(tǒng)調(diào)度、峰谷平衡等方面進(jìn)一步發(fā)揮重要作用。

4.1 外國壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用實(shí)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(gè)商業(yè)化的大型CAES電站。該電站投入運(yùn)行后,除去發(fā)揮平衡電力供需和穩(wěn)定電價(jià)的功能外,其又肩負(fù)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(bǔ)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(yùn)行至今,這40多年間它主要作為調(diào)峰機(jī)組,并補(bǔ)充系統(tǒng)上的其他儲(chǔ)能設(shè)施,以填補(bǔ)響應(yīng)緩慢的中等負(fù)荷燃煤電廠留下的能源代溝。該裝置的可用性和啟動(dòng)可靠性報(bào)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(gè)商業(yè)化大型CAES電站——McIntosh電站,其同時(shí)也是美國第一個(gè)CAES設(shè)施。該電站的設(shè)計(jì)功率為110 MW,在全功率狀態(tài)下可連續(xù)運(yùn)行26 h。其采用一個(gè)位于地下約450 m深的穹頂鹽洞作為儲(chǔ)氣裝置,容量約為5.6×105m3,可儲(chǔ)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(gè)熱回收器以重新利用部分來自燃?xì)廨啓C(jī)部分所產(chǎn)生的廢熱。此外,其還具有兩個(gè)燃燒室,除天然氣外還能燃燒2號(hào)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(dá)25%[7]。在正常運(yùn)行條件下,電站采取錯(cuò)時(shí)充電的方式,即儲(chǔ)氣裝置在工作日晚上進(jìn)行部分充電,在周末則進(jìn)行完全充電。在1998—2008年的10年運(yùn)行期中,該電站的平均啟動(dòng)可靠性為91.2%～92.1%,發(fā)電段和壓縮段的平均運(yùn)行可靠性分別為96.8%和99.5%[32]。

4.1.3 美國Pecho儲(chǔ)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(chǔ)能中心(400 MW/3 200 MW·h)。該項(xiàng)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(chǔ)能并持續(xù)8 h。項(xiàng)目擬于2026年投入商業(yè)運(yùn)營,建成后將極大地推進(jìn)加州于2045年實(shí)現(xiàn)100%無碳電力的能源目標(biāo)進(jìn)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(gè)CAES設(shè)施——Bethel能源中心(324 MW/16 000 MW·h)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2025年春季可投入商業(yè)運(yùn)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(chǔ)能項(xiàng)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(gè)商業(yè)化的LAES儲(chǔ)能電站。

該電站儲(chǔ)能容量為5 MW·h,儲(chǔ)能效率高達(dá)70%以上,即在儲(chǔ)能和釋能過程中的能量損耗不超過30%,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電池等儲(chǔ)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(huì)排放任何污染物,具有極高的經(jīng)濟(jì)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(yùn)營商 Energinet結(jié)成聯(lián)盟,擬建世界上最大的綠氫生產(chǎn)、儲(chǔ)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(chǔ)存長達(dá)6個(gè)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(xiàng)目的建成將加速丹麥和整個(gè)歐洲的能源轉(zhuǎn)型并促進(jìn)綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,同時(shí)還將有助于穩(wěn)定能源價(jià)格。

該項(xiàng)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(jì)發(fā)電量為350 MW,并計(jì)劃于2030年提高至1 000 MW。該項(xiàng)目成功證實(shí)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(shí)現(xiàn)碳中和的能源政策。

4.2 中國壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用實(shí)例

4.2.1 河北廊坊超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目

2011年,中國科學(xué)院工程熱物理研究所陳海生研究員團(tuán)隊(duì)率先建成了國際首個(gè)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(15 kW),并基于此項(xiàng)目的進(jìn)一步研究工作,于2013年在河北廊坊又建成了國際首套MW級(jí)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)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(dá)到國際領(lǐng)先水平。

項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(fù)荷壓縮機(jī)、高負(fù)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(duì)化石燃料和大容量儲(chǔ)氣裝置的依賴,兼?zhèn)鋬?chǔ)能效率高、儲(chǔ)能周期靈活、電站兼容性強(qiáng)和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目的建成不僅代表了中國能源技術(shù)創(chuàng)新的巨大進(jìn)展,還對(duì)于能源安全、節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)效益等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2.2 金壇壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目

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

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

該項(xiàng)目位于江蘇省常州市金壇區(qū),采用清華大學(xué)電機(jī)系的盧強(qiáng)院士和梅生偉教授團(tuán)隊(duì)基于AA-CAES所研發(fā)的非補(bǔ)燃CAES技術(shù),利用地下鹽穴作為儲(chǔ)氣裝置,未來將分期建設(shè)裝機(jī)容量達(dá)百萬千瓦的CAES電站群。2022年5月26日,金壇CAES項(xiàng)目正式投產(chǎn),8月5日,金壇供電負(fù)荷年內(nèi)第9次突破歷史新高,達(dá)到138.5×104kW,同比增長19.3%。目前,電站累積發(fā)電達(dá)275×104kW·h,其一個(gè)儲(chǔ)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(qiáng)化了區(qū)域用電保障能力,并進(jìn)一步加快了地區(qū)能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

江蘇金壇CAES項(xiàng)目作為世界首個(gè)非補(bǔ)燃CAES電站、中國CAES領(lǐng)域首個(gè)國家示范項(xiàng)目和首個(gè)商業(yè)電站項(xiàng)目,研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的艱苦研究,前后攻克了高參數(shù)離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與調(diào)控、高效蓄熱/換熱、大容量穩(wěn)定儲(chǔ)氣、先進(jìn)空氣透平設(shè)計(jì)、儲(chǔ)-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(shí)產(chǎn)權(quán)體系,成功打破了百兆瓦級(jí)大規(guī)模非補(bǔ)燃絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)壁壘,為項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

4.2.3 張北先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目

2022年9月30日,國際首套百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目在河北省張家口市張北縣順利并網(wǎng)發(fā)電。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模為100 MW/400 MW·h,其地上與地下儲(chǔ)氣庫總?cè)萘窟_(dá)105m3,設(shè)計(jì)工況效率達(dá)70.3%,單次儲(chǔ)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(xiàng)目預(yù)計(jì)年發(fā)電量可達(dá)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(jī)規(guī)模最大、效率最高的新型CAES電站。

該項(xiàng)目作為世界首個(gè)百兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持。研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地構(gòu)建大容量高壓空氣儲(chǔ)氣罐或采用壓縮空氣液化儲(chǔ)存的方式進(jìn)行儲(chǔ)氣,擺脫了對(duì)傳統(tǒng)儲(chǔ)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(shí),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(gè)系統(tǒng)的效率。在項(xiàng)目實(shí)施過程中,團(tuán)隊(duì)成功攻克了寬負(fù)荷壓縮機(jī)、高負(fù)荷膨脹機(jī)、高效緊湊式蓄熱換熱器等核心技術(shù)難題,確保了儲(chǔ)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(diǎn)。

中國還有許多超級(jí)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(jí)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能示范工程在湖北應(yīng)城市開工,項(xiàng)目由中國能建負(fù)責(zé)研發(fā),建成后預(yù)計(jì)年發(fā)電量將達(dá)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(tuán)隊(duì)和中儲(chǔ)國能聯(lián)合研發(fā)建設(shè)的山東肥城300 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目二期開工,預(yù)計(jì)總投資15億元,建設(shè)規(guī)模300 MW/1 800 MW·h,預(yù)計(jì)年發(fā)電5.94×108kW·h;2023年1月,中能建300 MW壓縮空氣儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目簽約落戶湖南省長沙市望城區(qū),預(yù)計(jì)總投資120億元,項(xiàng)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(dòng)提供了技術(shù)示范和能源轉(zhuǎn)型啟示,有力地推動(dòng)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(duì)氣候變化做出了中國貢獻(xiàn)。

5 壓縮空氣儲(chǔ)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(shì)的影響下,CAES是解決可再生能源存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能的一種高效方案。然而,目前全球CAES項(xiàng)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(gè)方面。

(1)CAES可用于電力系統(tǒng)調(diào)峰,即在電廠機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存多余電能,在用電高峰期間再釋放電能,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷的同時(shí)大幅提高電網(wǎng)效率,更有利于穩(wěn)定電力價(jià)格。

(2)分布式能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)未來微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),但其存在著負(fù)荷波動(dòng)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(fù)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(shí)可以與制冷、制熱系統(tǒng)相結(jié)合以實(shí)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(qiáng),提高CAES對(duì)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(tuán)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(diǎn),不利于大規(guī)模并網(wǎng)。CAES可以將其產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來并按實(shí)際需求進(jìn)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(jī)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(shì)

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(fèi)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(chǔ)解決方案,具備著能夠平衡能源供需、穩(wěn)定電價(jià)、低碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)中外CAES的研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用實(shí)例,其發(fā)展趨勢(shì)可概況為如下幾個(gè)方面。

(1)更高的儲(chǔ)能效率。為了增強(qiáng)CAES在儲(chǔ)能市場(chǎng)中的吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)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(jì)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(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)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(chǔ)能容量越高,系統(tǒng)效率也越高,同時(shí)降低了單位發(fā)電成本,為投資方帶來更大的經(jīng)濟(jì)收益。因此,中國及歐美等發(fā)達(dá)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(shí)現(xiàn)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

(3)更長的儲(chǔ)能周期。長時(shí)儲(chǔ)能的意義在于提高儲(chǔ)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(fù)荷時(shí)段能源以減少能源浪費(fèi)。CAES設(shè)施的儲(chǔ)能周期越長,其與可再生能源的結(jié)合度也越優(yōu)秀,同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大可再生能源的覆蓋率。

(4)更小的地理?xiàng)l件限制。一般的CAES設(shè)施為了達(dá)到較高的系統(tǒng)效率,往往依賴于大容量的儲(chǔ)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(chǔ)氣洞室的前提下達(dá)成更高的儲(chǔ)能效率,最終推廣到城市等消費(fèi)密集區(qū)域,從而促進(jìn)綠電的進(jìn)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(jì)和建造工作中所要應(yīng)對(duì)的兩個(gè)核心問題[77]。其中,氣密性問題主要集中在注采井和儲(chǔ)氣容器兩個(gè)方面,穩(wěn)定性問題則涉及儲(chǔ)庫所處區(qū)域的地質(zhì)條件、儲(chǔ)庫構(gòu)造、運(yùn)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(chǔ)氣庫周期性的高強(qiáng)度注采特點(diǎn)決定了其注采井系統(tǒng)必須具備良好的強(qiáng)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(jì)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(chǔ)氣庫注采井研究方面所亟待攻克的主要難題。

(2)儲(chǔ)氣容器的氣密性不僅是投資與施工的著重考慮之處,同時(shí)也直接影響著整個(gè)CAES設(shè)施的發(fā)電效率和預(yù)期收益。不同類型的儲(chǔ)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(chǔ)氣容器氣密性的因素可簡(jiǎn)要概括為蓋層、襯砌及儲(chǔ)氣容器材料。首先,正確地評(píng)估蓋層密封性以選定合理的儲(chǔ)氣庫庫址至關(guān)重要。其次,針對(duì)以硬巖層洞穴和人工硐室為儲(chǔ)氣容器的儲(chǔ)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(chǔ)氣容器氣密性的關(guān)鍵因素。此外,就人造儲(chǔ)氣容器而言,容器材料的高性能要求和整體昂貴的運(yùn)營維護(hù)成本則嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)程。

(3)儲(chǔ)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(chǔ)庫構(gòu)造和運(yùn)行工況。一方面,在CAES設(shè)施的評(píng)價(jià)體系中,儲(chǔ)庫穩(wěn)定性關(guān)乎著CAES設(shè)施的運(yùn)行效率、使用壽命和安全性能;另一方面,涉及儲(chǔ)庫穩(wěn)定性方面的投資和運(yùn)營成本占據(jù)總投資額的大半。因此,處理好儲(chǔ)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(chǎng)和能源政策的考驗(yàn)[79-80]。就中國而言,儲(chǔ)能利用率低、市場(chǎng)參與度不高、成本回報(bào)機(jī)制不成熟等問題較為突出[81-82],需要進(jìn)一步降低成本、加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用,推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策的制定與落實(shí)并積極拓展儲(chǔ)能市場(chǎng)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(chǔ)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(kuò)大,減碳環(huán)保成為國際共識(shí)。在此背景下,CAES因其綠色清潔的儲(chǔ)能介質(zhì)和運(yùn)作過程而成為主流的儲(chǔ)能技術(shù)之一,并終將在未來的儲(chǔ)能研發(fā)和能源設(shè)施建造中占據(jù)重要地位。