壓縮空氣儲能技術及應用場景

壓縮空氣儲能技術及應用場景綜述《壓縮機》雜志原創(chuàng)文章能源是國民經(jīng)濟賴以發(fā)展的物質基礎，根據(jù)《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》設定的發(fā)展目的，非化石能源占一次能源消費比重在與2030年將分別達成15%與20%，至全國可再生能源發(fā)電裝機容量將達成6.8億千瓦，可再生能源發(fā)電電量將占據(jù)發(fā)電總量的27%。含有波動性及間歇性特點的可再生能源電能大規(guī)模并網(wǎng)，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平提出了更高規(guī)定。作為智能電網(wǎng)的重要構成部分，儲能技術能夠為電網(wǎng)運行提供調峰、調頻及黑啟動等多個服務，能夠明顯提高電力系統(tǒng)的靈活性及安全性。壓縮空氣儲能技術是一種能夠大容量推廣的物理儲能技術，為增進壓縮空氣儲能技術發(fā)展，市科學技術委員會、XX省自然科學基金、“十二五”國家科技計劃先進能源技術領域項目指南及國家重點研發(fā)計劃高新領域項目指南等科技渠道均對先進壓縮空氣儲能技術進行了資助。國家發(fā)改委及國家能源局等多部委聯(lián)合于9月公布的《有關增進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見（發(fā)改能源〔〕1701號）》明確提出開展10MW/100MWh級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)及示X，于6月進一步公布的《貫徹貫徹〈有關增進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見〉-行動計劃》提出重點推動大容量壓縮空氣儲能等重大先進技術項目建設，推動百兆瓦壓縮空氣儲能項目實現(xiàn)驗證示X。本文針對《有關增進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》中涉及的壓縮空氣儲能技術進行綜述，梳理了國內致力于壓縮空氣儲能技術工程示X的研發(fā)團體及其技術。在此基礎上介紹了全球兩座大容量商業(yè)化壓縮空氣儲能電站的運行狀況，跟蹤國內外新型壓縮空氣儲能技術的工程示X最新進展，以較全方面的視角對已投運數(shù)年的商業(yè)化儲能站運行經(jīng)驗及近年來壓縮空氣儲能技術的發(fā)展狀況進行綜述，同時以電源側儲能站場景、電網(wǎng)側儲能站場景及顧客側儲能站場景為切入點開展了壓縮空氣儲能技術的商業(yè)場景合用性分析，為壓縮空氣儲能技術發(fā)展提供借鑒。1儲能市場及儲能技術根據(jù)《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書》公布的儲能預測數(shù)據(jù)，至2025年我國的抽水蓄能累計裝機容量將達成90GW，至我國的電化學儲能累計裝機容量將達成20GW。截至底，我國的儲能裝機累計容量已經(jīng)達成31.3GW，其中抽水蓄能電站累計容量為29.99GW，電化學儲能電站的累計裝機容量為1072.7MW，電化學儲能電站中的鋰離子電池儲能累計裝機容量最高，鋰離子電池儲能累計裝機容量為758.8MW。相對于裝機容量快速增加的電化學儲能站，可大容量推廣的壓縮空氣儲能技術近年來處在快速發(fā)展狀態(tài)，國內已建成500kW容量等級，1.5MW容量等級及10MW容量等級等多個容量規(guī)模的壓縮空氣儲能示X電站，完畢了多容量等級的技術驗證工作。儲能技術涉及機械儲能及電化學儲能兩大類，其中大容量的機械儲能技術重要涉及抽水蓄能及壓縮空氣儲能；大容量的電化學儲能技術重要涉及鋰離子電池及鉛炭電池等；典型的能量型儲能技術及其優(yōu)缺點詳見表1。2國內壓縮空氣儲能研發(fā)團體及其技術2.1中科院工程熱物理研究所儲能團體中科院工程熱物理研究所設立了儲能研發(fā)中心，由陳海生研究員擔任儲能研發(fā)中心主任，承當了涉及國家重點研發(fā)計劃項目“10MW級先進壓縮空氣儲能技術研發(fā)與示X”及市科技計劃項目“大規(guī)模先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)與示X”等在內的多項壓縮空氣儲能研究項目，已建成1.5MW級壓縮空氣儲能示X項目1座（系統(tǒng)效率52%）及10MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)示X項目1座（系統(tǒng)效率60.2%），儲能團體代表性專利之一為“超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)”。2.2南網(wǎng)科研院新能源與綜合能源團體南方電網(wǎng)科學研究院新能源與綜合能源團體在海上風電、儲能、微電網(wǎng)及綜合能源等領域含有技術積累。新能源與綜合能源團體組員郭祚剛博士在壓縮空氣儲能領域含有數(shù)年研發(fā)經(jīng)歷，現(xiàn)為南方電網(wǎng)公司大容量儲能重大科研團體組員。郭祚剛博士自開始研發(fā)新型壓縮空氣儲能技術，完畢了新型壓縮空氣儲能博士后課題，同時承當了涉及XX省自然科學基金在內的多項壓縮空氣儲能課題，從市場需求及商業(yè)推廣角度研發(fā)新型壓縮空氣儲能技術。在新型壓縮空氣儲能技術研發(fā)過程中，通過引入噴射調壓系統(tǒng)克服了降壓閥調壓存在較大壓力能損失的技術缺點，較大幅度提高儲能系統(tǒng)性能，代表性專利之一為“壓縮空氣儲能系統(tǒng)”。2.3清華大學電機系儲能團體清華大學電機系壓縮空氣儲能團體由梅生偉專家擔任負責人，參加了XXXX高新區(qū)的“500kW壓縮空氣儲能系統(tǒng)示X項目”課題，項目所需的3000萬資金由國家電網(wǎng)投資，項目于11月初次發(fā)電成功。據(jù)報道，“500kW壓縮空氣儲能系統(tǒng)示X項目”的最大發(fā)電功率達成了420kW，單次循環(huán)發(fā)電量為360kWh，儲能效率為33%。清華大學電機系儲能團體的代表性專利之一為“一種50MW絕熱壓縮空氣儲能辦法”。2.4中科院過程工程研究所儲能團體丁玉龍專家曾擔任利茲大學-中科院過程工程研究所聯(lián)合儲能技術研究中心首任主任，現(xiàn)為英國伯明翰大學-國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)歐洲研究院聯(lián)合實驗室共同（創(chuàng)立）主任。丁玉龍專家儲能團體運用液態(tài)空氣含有密度大且易于儲存的特點，研發(fā)液態(tài)空氣儲能技術，儲能團體代表性專利之一為“液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)能效提高裝置及辦法”。2.5國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院儲能團體國家電網(wǎng)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院儲能團體致力于液態(tài)壓縮空氣儲能技術的研發(fā)，儲能團體在壓縮空氣儲能領域已獲得多項發(fā)明專利授權，代表性專利之一為“一種儲罐增壓型的深冷液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)”。另據(jù)報道，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院壓縮空氣儲能團體在XXX江區(qū)同里鎮(zhèn)開展500kWh的液態(tài)壓縮空氣儲能示X工程建設。3商業(yè)化壓縮空氣儲能電站3.1德國漢特福商業(yè)化壓縮空氣儲能電站德國漢特福（Huntorf）壓縮空氣儲能電站是全球首座投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站，該項目在1978年服役。FritzCrotogino等人在美國Florida州舉辦的春季會議上分享了德國漢特福電站自1978年至的20余年間運行經(jīng)驗，同時提供了漢特福儲能電站的配備參數(shù)。圖1為漢特福儲能電站流程示意圖，圖2為漢特福儲能電站的航拍實景照片。儲能電站涉及兩處地下儲氣洞穴，在電能儲存時空氣壓縮機組消耗電能制備高壓力的空氣并注入兩處地下儲氣洞穴中；在電能輸出時，地下儲氣洞穴內高壓力空氣通過閥門穩(wěn)壓實現(xiàn)壓力穩(wěn)定，在燃燒器內與天然氣實現(xiàn)參混燃燒與溫度提高后直接進入膨脹機做功。漢特福儲能電站的兩臺膨脹機之前都設立了燃燒器，末級膨脹機的高溫乏氣直接通過煙囪排放。表2為德國漢特福電站的配備參數(shù)，儲能電站按照電能輸出與電能儲存階段空氣質量流速比為4:1進行設計，儲能電站可持續(xù)儲能12小時，持續(xù)輸出電能3小時。圖3給出了德國漢特福儲能電站的壓縮機組及膨脹機組每年的啟動次數(shù)。在投運之初，該儲能電站重要充當緊急備用電源角色，當電網(wǎng)內其它電源出現(xiàn)故障時，向電網(wǎng)提供有功輸出支持，機組的平均啟動可靠性為97.6%，截止現(xiàn)在該儲能電站仍在運行。在1978年初次投用時，儲能電站的壓縮機組就啟動將近400次，膨脹發(fā)電機組啟動次數(shù)也超出250次；到1979年，膨脹發(fā)電機組啟動次數(shù)達成了450次左右。自1985年之后，漢特福壓縮空氣儲能電站所在的電網(wǎng)接入了大容量的抽水蓄能電站，電網(wǎng)減少了對壓縮空氣儲能電站的調用頻次。德國漢特福壓縮空氣儲能電站在電能輸出階段，儲氣洞穴內空氣溫度隨著壓縮空氣以417kg/s的質量流速持續(xù)釋放而對應下降，溫度總下降幅度約20℃，如圖4。在儲氣洞穴注入氣流及流出氣流過程中，壓縮空氣與洞穴壁面1米厚度左右的巖石層存在熱交換行為。3.2美國阿拉巴馬商業(yè)化壓縮空氣儲能電站全球投入商業(yè)運行的第二座壓縮空氣儲能電站位于美國阿拉巴馬州（Alabama），該儲能電站在德國漢特福儲能電站的基礎上增加了膨脹機排氣余熱再運用系統(tǒng)，通過在膨脹機排氣煙道上布置換熱器將膨脹機排氣攜帶熱量傳遞給儲氣洞穴釋放的壓縮空氣氣流，節(jié)省天然氣耗量。圖5為美國阿拉巴馬州壓縮空氣儲能電站航拍照，圖6為儲能電站內景照片。阿拉巴馬州儲能電站于1991年投入商業(yè)運行，壓縮機組功率為50MW，膨脹發(fā)電機組輸出功率為110MW，地下儲氣洞穴總容積為560,000m3，儲氣洞穴在地表下列450米，能夠持續(xù)儲能41小時，持續(xù)對外輸出電能26小時。4國內外壓縮空氣儲能示X工程及進展4.1日本XX道壓縮空氣儲能示X項目日本XX道空知郡在建成了膨脹機輸出功率為2MW的壓縮空氣儲能示X工程，8MPa的壓縮空氣被儲存在儲氣設備當中，儲氣設備的內腔安放了air-tight薄膜以避免空氣泄露。另據(jù)報道，XX道2MW壓縮空氣儲能示X項目是日本正在開發(fā)的容量400MW機組的示X性中間機組，400MW容量的大型儲能電站將運用地表下列450米深處的煤礦洞穴作為儲氣洞穴。4.2英國曼徹斯特液態(tài)空氣儲能示X項目位于英國曼徹斯特的5MW/15MWh規(guī)模的液態(tài)空氣儲能示X項目于6月投入運行，該項目由英國HighviewPower公司與Viridor公司合作開發(fā)。該項目獲得了800萬英鎊的英國政府資金支持，運用電網(wǎng)過剩電能制備液態(tài)空氣（-196℃），液態(tài)空氣在隔熱的真空儲罐內進行儲存?zhèn)溆茫陔娔茚尫烹A段液態(tài)空氣通過加壓后氣化，驅動膨脹機組輸出電能。另據(jù)報道，英國液態(tài)空氣儲能開發(fā)商HighviewPower公司在近期訂立了合同額約10億歐元的項目合同，預計在英國選用兩個地點進一步布署大容量的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)。4.3XX大利亞州壓縮空氣儲能示X項目2月，澳大利亞可再生能源署已同意為澳大利亞第一種壓縮空氣儲能示X項目提供約600萬澳元的資金支持。加拿達能源商Hydrostor公司將XX大利亞州的一處廢棄鋅礦洞穴改造為地下儲氣洞穴，依靠此洞穴建設容量為5MW/10MWh的壓縮空氣儲能示X電站。該5MW/10MWh壓縮空氣儲能示X電站建成后，將為XX大利亞州電網(wǎng)提供削峰填谷及輔助調頻等電力服務。4.4XX1.5MW超臨界壓縮空氣儲能示X項目國內第一套1.5MW超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)由中科院工程熱物理研究所承當?shù)氖锌萍加媱澲卮笳n題“超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)研制”項目經(jīng)費資助，于在XXXX建成。據(jù)報道，XXXX1.5MW超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)完畢了168小時運行實驗，各項指標均達成或超出課題考核指標規(guī)定，儲能系統(tǒng)效率約52%。4.5XXXX500kW壓縮空氣儲能示X項目XXXX500kW壓縮空氣儲能示X項目由國家電網(wǎng)投資3000萬元興建，項目技術參加單位涉及中國科學院理化技術研究所、清華大學電機系儲能團體及中國電力科學研究院等單位，項目于11月初次發(fā)電成功。據(jù)報道，“500kW壓縮空氣儲能系統(tǒng)示X項目”的儲能效率為33%。4.6XXXX10MW壓縮空氣儲能驗證平臺XXXX10MW壓縮空氣儲能示X平臺由中科院工程熱物理研究所研制，示X平臺得到了國家重點研發(fā)計劃項目“10MW級先進壓縮空氣儲能技術研發(fā)與示X”及市科技計劃項目“大規(guī)模先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)與示X”等課題經(jīng)費支持。據(jù)報道，XXXX10MW壓縮空氣儲能示X平臺在5月開始系統(tǒng)聯(lián)合調試，壓縮空氣儲能示X平臺在額定工況下的效率為60.2%。4.7國網(wǎng)XX同里500kW液態(tài)空氣儲能示X項目國家電網(wǎng)在XX省XX市X江區(qū)同里鎮(zhèn)建設500kW液態(tài)空氣儲能示X項目，可為園區(qū)提供500kWh電力，夏季供冷量約2.9GJ/天，冬季供暖量約4.4GJ/天。液態(tài)空氣儲能示X項目涉及壓縮液化單元、蓄冷及蓄熱單元、膨脹機組發(fā)電單元，項目效果如圖12所示。4.8中鹽金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲能示X項目中鹽金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲能示X項目位于XX省XX市金壇區(qū)薛埠鎮(zhèn)，儲能系統(tǒng)設計效率為58.2%。項目采用中鹽集團地下鹽礦采鹽形成的廢棄空穴作為儲氣空間，首期投資5.34億元建設一套60MW鹽穴非補燃壓縮空氣儲能系統(tǒng)，后期將分期建設成裝機容量達百萬千瓦的壓縮空氣儲能基地，項目總投資為15億元?！胞}穴壓縮空氣儲能國家實驗示X項目”由中鹽集團、清華大學及中國華能三方共同投資建設，該項目于5月27日獲國家能源局批復，于12月25日開工建設，預計于5月投產(chǎn)運行。5壓縮空氣儲能電站應用場景分析壓縮空氣儲能技術屬于能量型儲能技術，壓縮空氣儲能電站的商業(yè)應用場景根據(jù)儲能電站的接入位置可分為電源側儲能、電網(wǎng)側儲能及顧客側儲能三種類型。電源側儲能是指儲能站接入位置位于電源（或發(fā)電廠）與電網(wǎng)結算的關口表計之后，儲能站屬于電源側資產(chǎn)；電網(wǎng)側儲能是指儲能站直接接入輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)，儲能站接受電力調度機構的統(tǒng)一調度，服務于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；顧客側儲能是指儲能站接入位置位于顧客側關口表計之后，儲能站屬于顧客側資產(chǎn)，等效為顧客側負荷，通過顧客側關口表計與電網(wǎng)結算。三類商業(yè)應用場景的儲能站資產(chǎn)歸屬及邊界條件存在差別，儲能站的功效及收益模式也存在明顯差別。5.1電源側儲能站場景壓縮空氣儲能電站在電源側的用途可用于提供調峰調頻等輔助服務。以南方電網(wǎng)區(qū)域為例，XX省現(xiàn)已建立調頻輔助服務市場，參加調頻的發(fā)電機組的調頻輔助服務收益與機組的調節(jié)速率、響應時間、調節(jié)量偏差和調節(jié)里程都有關系。儲能站能夠同常規(guī)火力發(fā)電機組構成聯(lián)合體的形式，實現(xiàn)調峰調頻功效，提高火電廠AGC調頻性能，首先減少常規(guī)火力發(fā)電機組頻繁變化，減少煤耗，減少機組設備磨損，延長設備壽命，另首先發(fā)揮壓縮空氣儲能電站響應時間短，調節(jié)速率快、調節(jié)精度高、壽命長等技術特點。壓縮空氣儲能電站在電源側的收益來源參加調峰調頻等輔助服務獲得的收益。另外，由于風電、光伏等新能源出力含有季節(jié)性和間歇性，運用壓縮空氣儲能電站增進新能源消納在技術上含有可行性，但從經(jīng)濟可行性上分析，需要配備的機組容量極大且年運用小時數(shù)十分有限，因此暫不含有經(jīng)濟性。5.2電網(wǎng)側儲能站場景壓縮空氣儲能電站在電網(wǎng)側的用途重要涉及調峰調頻、黑啟動、緩和輸配電阻塞及延緩輸配電設備投資、提高供電可靠性等。黑啟動是指當電力系統(tǒng)因發(fā)生故障而停止運行后，通過擁有自啟動能力的機組率先啟動，帶動無自啟動能力的機組恢復運行，進而達成恢復整個電力系統(tǒng)的目的。緩和輸配電阻塞指在輸配電線路上配備儲能站，在輸配電線路輸送負荷超出線路容量時，啟用儲能站進行調節(jié)。因電網(wǎng)輸配電設備容量需滿足顧客側最大負荷需求，對于僅在高峰時段短暫負荷超出輸配電設備容量的電網(wǎng)側場景，進行電網(wǎng)全方面升級及擴建的成本高昂，此時通過配備儲能站能夠明顯延緩輸配電設備擴容進度。提高供電可靠性是指，壓縮空氣儲能電站能夠作為配電網(wǎng)負荷轉供電的一種備用電源，當上級電網(wǎng)停電或鄰近配電線路故障時，通過轉供電為重要負荷持續(xù)供電，從而提高供電可靠性。電網(wǎng)側儲能由于發(fā)揮保底電網(wǎng)功效，商業(yè)模式重要是通過將儲能站投資及運行費用納入電網(wǎng)輸配電價進行核定。但是，現(xiàn)在國家出臺的輸配電系列核定政策暫未松動，短期內電網(wǎng)側儲能難以大量納入電網(wǎng)輸配電價核定X圍。因此能夠預見，將來一段時間電網(wǎng)側壓縮空氣儲能仍然重要以帶有“首臺首套”性質的科研示X為主，距離規(guī)模化應用尚需時間。5.3顧客側儲能站場景顧客側作為電能發(fā)-輸-配-變-用的最后一種環(huán)節(jié)，直接消費電能以服務社會經(jīng)濟發(fā)展。儲能站在顧客側的場景由減少用電成本及提高顧客側電能可靠性等需求基礎上演化而來。壓縮空氣儲能電站含有安全、無污染、機組壽命長及機組性能穩(wěn)定等特點，特別是采用罐式構造的壓縮空氣儲能含有空間上的靈活性，結合顧客側峰谷電價和兩部制電價，可在顧客側減少用電成本并提高用電可靠性，壓縮空氣儲能站的用途及場景重要涉及：基于峰谷電價的用電成本管理場景，基于兩部制電價的容量費用管理場景，基于提高電能質量及用電可靠性的場景、參加電力輔助服務市場場景。①基于峰谷電價的用電成本管理場景工業(yè)顧客的電能需求特點與其生產(chǎn)工藝特點有關聯(lián)，工業(yè)顧客的電能消費含有用電量大及負荷需求相對剛性等特點，在滿足工藝生產(chǎn)的前提下，如何減少用電成本是工業(yè)顧客成本控制的核心環(huán)節(jié)。我國涉及XX省在內的部分省份對工業(yè)顧客實施兩部制分時電價，且分辨大工業(yè)用電及普通工商業(yè)用電。以XX市分時電價為例，全天24小時被劃分為8小時的低谷時段，6小時的高峰時段及10小時的平時段。普通工商業(yè)電度電價（1-10千伏）的低谷電價為0.3603元/kWh，平時段電價為0.7206元/kWh，高峰電價為1.1890元/kWh，高峰電價與低谷電價的峰谷電差價達成0.8287元/kWh。在此邊界條件下，顧客側儲能采用能量型的壓縮空氣儲能電站在低谷時段進行電能儲存，在高峰時段進行電能釋放，便能夠獲得基于峰谷電價用電成本管理的穩(wěn)定收益。若配備電能輸出規(guī)模為10MW的壓縮空氣儲能電站，每日在高峰時段釋放電能持續(xù)4小時，則總釋放電能為120萬kWh/月，節(jié)省電度電價費用約99.45萬元/月。②基于兩部制電價的容量費用管理場景顧客側儲能站除在電度電價方面產(chǎn)生穩(wěn)定的收益外，還能基于現(xiàn)行的兩部制電價政策產(chǎn)生基于容量費用管理的收益。再次以XX市的分時電價為例，大工業(yè)顧客實施兩部制電價政策，即基本電價及電度電價?；倦妰r可選擇按變壓器容量（元／kVA·月）或者按最大需量（元／kW·月）兩種方式進行結算，其中XX市大工業(yè)顧客現(xiàn)行的按變壓器容量（元／kVA·月）結算原則為0.2300元／kVA·月，按最大需量（元／kW·月）結算原則為0.3200元kW·月。通過配備壓縮空氣儲能電站在大工業(yè)顧客的負荷需求高峰時段，以儲能站輸出功率減少最大需量（元／kW·月）值，達成減少大工業(yè)顧客的基本電價費用（即容量費用）的支出。若配備電能輸出規(guī)模為10MW的壓縮空氣儲能電站，可為單個大工業(yè)顧客節(jié)省的容量費用為3200元/月。③基于提高電能質量及用電可靠性的場景由于電力系統(tǒng)發(fā)電側接入涉及風力發(fā)電及光伏發(fā)電等間歇性可再生能源電能，電力系統(tǒng)顧客側負荷的類型及負荷性質也存在多樣性，因而顧客側在電力系統(tǒng)失衡時見面臨電壓波動及頻率偏差等電能質量問題；另外，在發(fā)生停電故障等狀況時，顧客側用電也將面臨供電中斷等問題。通過在顧客側配備壓縮空氣儲能電站，可參加顧客側電能質量調節(jié)，同時在電網(wǎng)發(fā)生短時間停電故障時，持續(xù)為顧客側供電，提高電能質量及用電可靠性。④參加電力輔助服務市場場景顧客側壓縮空氣儲能電站在滿足工業(yè)顧客的用電成本管理需求的同時，還含有參加電網(wǎng)調峰及調頻等輔助服務市場的潛力。根據(jù)南方能監(jiān)局公布的《XX調頻輔助服務市場交易規(guī)則(試行)》，配備自動發(fā)電控制裝置（簡稱AGC）的儲能站可作為第三方