空氣儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

空氣儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

電力儲備系統(tǒng)通過特定介質(zhì)存儲能，并根據(jù)需要釋放所存能量。發(fā)展電力儲能系統(tǒng)是可再生能源大規(guī)模利用的迫切需要,也是提高常規(guī)電力系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟性的有效途徑,以及智能電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前已有的電力儲能技術(shù)包括抽水蓄能電站、壓縮空氣、蓄電池、液流電池、超導磁能、飛輪和電容/超級電容等。但由于容量、儲能周期、能量密度、充放電效率、壽命、運行費用、環(huán)保等原因,迄今已在大規(guī)模(比如100MW以上)商業(yè)系統(tǒng)中運行的儲能系統(tǒng)僅有抽水蓄能電站和壓縮空氣兩種。抽水電站具有技術(shù)成熟、效率高、容量大、儲能周期長等優(yōu)點,是目前廣泛使用的電力儲能系統(tǒng)。目前全球已有約200座抽水電站儲能系統(tǒng)在運行,總裝機容量超過110GW。但是,抽水電站儲能系統(tǒng)需要特殊的地理條件建造兩個水庫和水壩,因此選址困難,建設周期很長,初期投資巨大,甚至會大面積淹沒植被甚至城市,導致生態(tài)和移民問題。壓縮空氣儲能系統(tǒng)是另一種能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統(tǒng)。它通過壓縮空氣儲存多余的電能,在需要時,將高壓空氣釋放通過膨脹機做功發(fā)電。自從1949年StalLaval提出利用地下洞穴實現(xiàn)壓縮空氣儲能以來,國內(nèi)外學者開展了大量的研究和實踐工作,并已有兩座大型電站分別在德國和美國投入商業(yè)運行。世界上第一座商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站是1978年投入運行的德國Huntorf電站,目前仍在運行中。機組的壓縮機功率60MW,釋能輸出功率為290MW,系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600米的廢棄礦洞中。機組可連續(xù)充氣8小時,連續(xù)發(fā)電2小時。1991年投入商業(yè)運行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站,其地下儲氣洞穴在地下450米,壓縮機組功率為50MW,發(fā)電功率為110MW,可以實現(xiàn)連續(xù)41小時空氣壓縮和26小時發(fā)電。另外日本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站正在建設過程中。我國雖然對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚,但隨著電力負荷峰谷比快速增加、可再生能源特別是風力發(fā)電的迅猛發(fā)展,迫切需要研究開發(fā)一種除抽水電站之外,能夠大規(guī)模長時間儲能技術(shù)。因此,對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究已經(jīng)得到相關(guān)科研院所、電力企業(yè)和政府部門高度重視,是目前大規(guī)模儲能技術(shù)的研發(fā)熱點。監(jiān)獄燃氣儲能系統(tǒng)傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃氣輪機技術(shù)發(fā)展起來的一種能量存儲系統(tǒng)。但與燃氣輪機工作原理不同的是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機和透平(渦輪)不同時工作,在儲能時,壓縮空氣儲能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中;在釋能時,高壓空氣從儲氣室釋放,進入燃氣輪機燃燒室同燃料一起燃燒后,驅(qū)動透平發(fā)電。由于儲能、釋能分時工作,在釋能過程中,并沒有壓縮機消耗透平的輸出功。因此,相比于消耗同樣燃料的燃氣輪機系統(tǒng),壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生1倍以上的電力。如圖1所示,壓縮空氣儲能系統(tǒng)一般包括6個主要部件:(1)壓縮機:一般為多級壓縮機帶中間冷卻裝置,它將空氣壓縮并存于儲氣裝置中,使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來;(2)膨脹機:一般為多級透平膨脹機帶級間再熱設備,利用壓縮空氣膨脹驅(qū)動透平做功,回收儲存在壓縮空氣中的能量;(3)燃燒室及換熱器:用于燃料燃燒和回收余熱等;(4)儲氣裝置:地下或者地上洞穴或壓力容器,用來儲存壓縮空氣;(5)電動機/發(fā)電機:通過離合器分別和壓縮機以及膨脹機聯(lián)接,兼有電動機和發(fā)電機的功能;(6)控制系統(tǒng)和輔助設備:包括控制系統(tǒng)、燃料罐、機械傳動系統(tǒng)、管路和配件等。同其他儲能技術(shù)相比,壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有容量大、工作時間長、經(jīng)濟性能好、充放電循環(huán)壽命長等優(yōu)點。具體包括:(1)壓縮空氣儲能系統(tǒng)適合建造大型電站(>100MW),僅次于抽水電站;壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以持續(xù)工作數(shù)小時乃至數(shù)天,工作時間長。(2)大型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的單位建造成本和運行成本均比較低,低于抽水蓄能電站,具有很好的經(jīng)濟性。(3)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壽命很長,可以儲/釋能上萬次,壽命可達40-50年;并且其效率可以達到70%左右,接近抽水蓄能電站。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的缺點,包括:(1)傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)不是一項獨立的技術(shù),它必須同燃氣輪機電站配套使用;而且傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)仍然依賴燃燒化石燃料提供熱源,一方面面臨化石燃料逐漸枯竭和價格上漲的威脅,另一方面其燃燒仍然產(chǎn)生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物,不符合綠色(零排放)、可再生的能源發(fā)展要求。(2)壓縮空氣儲能系統(tǒng)比較適合于大型系統(tǒng),小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率較低;而大型系統(tǒng)需要特定的地理條件建造大型儲氣室,如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等,從而大大限制了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的應用范圍。果汽式地調(diào)空間氣和可再生能源耦合的監(jiān)獄空氣和空氣儲能系統(tǒng)為解決常規(guī)壓縮空氣儲能系統(tǒng)面臨的主要問題,即需要大型儲氣裝置和依賴燃燒化石燃料的問題,先后出現(xiàn)了帶蓄熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)、微小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)、液化空氣儲能系統(tǒng)、超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)、與可再生能源耦合的壓縮空氣儲能系統(tǒng)等。通常所說的帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng),又被稱為先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)。壓縮空氣儲能系統(tǒng)中空氣的壓縮過程接近絕熱過程,存在大量的壓縮熱。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)將空氣壓縮過程中的壓縮熱存儲在儲熱裝置中,并在釋能過程中,利用存儲的壓縮熱加熱壓縮空氣,然后驅(qū)動透平做功,相比于燃燒燃料的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng),由于回收了空氣壓縮過程的壓縮熱,系統(tǒng)的儲能效率可以得到較大提高;同時,由于用壓縮熱代替燃料燃燒,系統(tǒng)去除了燃燒室,實現(xiàn)了零排放的要求。該系統(tǒng)的主要缺點是,由于添加了儲熱裝置,相比傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能電站,該系統(tǒng)的初期投資成本將有所增加。小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的規(guī)模一般在10MW級,它利用地上高壓容器儲存壓縮空氣,從而突破大型傳統(tǒng)壓縮空氣電站對儲氣洞穴的依賴,具有更大的靈活性。相比于大型電站,它更適合于城區(qū)的供能系統(tǒng)——分布式供能、小型電網(wǎng)等,用于電力需求側(cè)管理、無間斷電源等;同時它也可以建于風電場等可再生能源系統(tǒng)附近,調(diào)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(tǒng)的規(guī)模一般在幾kW到幾十kW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(wǎng)、以及壓縮空氣汽車動力等。液化空氣和超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)是最近才提出的新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)。由于液態(tài)空氣的密度遠大于氣態(tài)空氣的密度,液化空氣儲能系統(tǒng)不需要大型儲氣室。超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用超臨界狀態(tài)下空氣的特殊性質(zhì),綜合了常規(guī)壓縮空氣儲能系統(tǒng)和液化空氣儲能系統(tǒng)的優(yōu)點,具有儲能規(guī)模大、效率高、投資成本低、能量密度高、不需要大的儲存裝置等優(yōu)點。目前這兩項技術(shù)尚處于研發(fā)階段。另一方面,由于太陽能、風能等可再生能源存在間歇性和不穩(wěn)定性問題,壓縮空氣儲能和可再生能源耦合的系統(tǒng)可以將間歇式可再生能源“拼接”起來,并穩(wěn)定地輸出,為可再生能源大規(guī)模利用提供有效的解決方案。通過帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng),可將太陽能之熱能存儲在儲熱裝置中,在需要時加熱壓縮空氣,然后驅(qū)動透平發(fā)電,從而可以解決太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性問題。除太陽能熱能外,電力、化工、水泥等行業(yè)的余熱、廢熱均可作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的外來熱源,帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。另外還可以耦合風力發(fā)電系統(tǒng),在用電低谷,風電廠的多余電力驅(qū)動壓縮機,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,用以填補風電對電網(wǎng)/用戶的供電不足。壓縮空氣儲能系統(tǒng)還可以方便地同生物質(zhì)能耦合。如果采用生物質(zhì)代替天然氣作為壓縮空氣儲能的燃料,將可以降低系統(tǒng)溫室氣體的排放,并降低系統(tǒng)對天然氣供應的依賴。生物質(zhì)一般首先氣化為合成氣,然后應用到壓縮空氣系統(tǒng)中。如果把政府對生物質(zhì)發(fā)展的補貼,以及降低溫室氣體排放所節(jié)省的費用計算在內(nèi),那么將可以充分彌補因采用生物質(zhì)燃料增加的費用,成為很有吸引力的技術(shù)。綜合來看,壓縮空氣儲能技術(shù)總體上比較成熟,雖然其能量轉(zhuǎn)換效率不如電池高,但是由于系統(tǒng)儲能規(guī)模大、平均成本較其他儲能