空气压缩储能的发展现状及其应用前景.pdf

论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期摘要院新能源电力在国家规划和野双碳冶目标下发展迅速袁让对电网供电起到野削峰填谷冶尧稳定电网运行的储能技术也同样迎来了发展机遇遥 目前储能主要有物理尧化学尧电磁储能等方式袁本文主要介绍了物理储能中的压缩空气储能技术遥 近年来袁 压缩空气储能技术已经得到很大程度的发展袁 利用盐穴储气的非补燃式绝热压缩空气储能技术已成功进行工程应用袁并开始商业化运行遥 未来袁 压缩空气储能技术有望在更多的场景下实现应用遥关键词院新能源曰储能技术曰空气压缩储能引言随着社会经济的快速发展袁 我国对能源的需求量不断增加袁 但与此同时带来的环境问题也愈发突出袁传统使用的常规能源袁如石油尧煤炭等袁一方面作为不可再生能源袁会随着消耗不断减少曰另一方面作为传统化石能源袁 大量使用也会给环境带来不利影响遥 在此背景下袁近年来我国不断开展对新能源及清洁能源的研究尧使用和推广袁新能源发电及各类清洁能源的使用袁 可以降低碳排放甚至达到零碳排放袁有利于环境的保护遥 2020 年袁随着野十四五冶规划和野碳达峰尧碳中和冶目标的相继提出袁为我国绿色低碳转型指明了方向袁并提出电力行业是实现我国野碳达峰尧碳中和冶的主力军1遥因此袁风电尧光伏等新能源电力系统在野双碳冶环境中发展迅速袁 与此同时储能技术与产业也迎来发展机遇遥 西北尧东北尧华北地区是我国风电和光伏资源的主要集中地袁 近些年这些地区大量建设风电和光伏电站袁装机容量过多袁但由于当地的发展水平较低袁对电力的消纳能力有限袁若将大量的电能输送至用电量需求大的地区袁 又需要远距离输电线路袁因此野弃风弃光冶问题突出遥 储能技术的发展与应用袁一方面可以在风电尧光伏电站的电源侧起到对电能的储集袁 一定程度上解决了 野弃风弃光冶问题曰另一方面袁由于风电尧光伏等新能源发电并网具有很大的波动性袁 储能技术的发展与应用能很好地解决新能源电厂供电稳定性问题遥 因此袁储能电站可以将余电进行储存尧释放袁能对电网起到野削峰填谷冶的作用遥目前研究的储能技术主要有物理储能技术尧化学储能技术尧电磁储能技术等遥 其中袁化学储能技术中各类电池储能由于其充放电效率高等优点近年来应用居多曰 物理储能技术中的抽水蓄能技术因其容量大尧经济性好尧可靠性强等优点也得以推广及应用2遥 经研究发现袁压缩空气储能也有着较大的发展潜力袁 与抽水蓄能及电化学储能相比较而言袁具有其特有优势遥 本文主要介绍压缩空气储能技术的发展现状袁并探讨其应用前景遥1 压缩空气储能技术优势及其分类压缩空气储能是利用压缩机将电能以高压空气形式储集尧 再通过释放高压空气膨胀推动透平机发电的一种储能技术遥 目前袁抽水蓄能在全球电力储能项目中累计装机规模最大袁 截至 2021 年底袁 全球抽水蓄能的累计装机规模占已投运储能累计装机规模的 86.20%袁达到了 180.5GW遥 但相较于抽水蓄能而言袁 压缩空气储能具有建设周期短尧选址相对容易尧对生态环境更友好的优势遥 而空气压缩储能的发展现状及其应用前景李子钰吕宏李祖辉黄精涛渊中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司云南昆明650032冤5 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期对比于目前较成熟的化学储能技术中的锂电池储能袁截至 2021 年底锂离子电池储能装机规模仅次于抽水蓄能袁 在全球新型储能市场累计装机规模中占比最大遥 但化学储能技术存在使用寿命相对较短的缺点袁最高使用年限只能达到 20 年遥 相较化学储能而言压缩空气储能具有使用寿命更长尧循环次数更多尧安全环保性更好尧系统性能不衰减等优势袁 且压缩空气储能是继抽水蓄能之后第二项可实现大规模储能的技术遥 此外袁对未来有更多新能源发电并入电网的情况袁 压缩空气储能还具有类似火电的调频调压性能及转动惯量和短路电流支撑袁可改善电力系统运行的安全稳定性3遥压缩空气储能的分类袁 如按利用的储气方式来分主要有地下洞穴储气尧人工硐室储气尧金属容器储气 3 种遥 这 3 种储气方式的造价成本对比为野地下洞穴储气人工硐室储气金属容器储气遥 冶有研究指出袁 如果随着压缩空气储能相应装备规模化量产袁 未来成本有望实现管线钢储气的压缩空气电站造价与中小型抽水蓄能电站相当尧 人工硐室储气的压缩空气电站造价与大中型抽水蓄能电站相当尧 地下洞穴储气的压缩空气电站成本比大中型抽水蓄能电站更低更有利于控制造价成本等目标遥 地下洞穴储气细分之下有岩石洞穴储气渊盐穴尧煤矿巷道等冤尧含水层储气尧枯竭油气田储气 3 类遥 这 3 类储气方式中袁目前在国内应用最广泛成熟的是岩石洞穴储气中的盐穴储气袁 已成功实现工程建设并投入商业运用曰 含水层储气是在具有良好盖层的含水层中进行储气循环袁 含水层中的孔隙可实现高压储气袁 但需要预先排除地下水创造储气空间袁目前全球还未有实际工程袁该储气方式仍处于探索和理论分析阶段曰 针对使用枯竭油气田进行储气还仅是在理论上较为可行4遥 我国盐穴资源丰富袁盐穴一般具有密闭性好尧高压下具有塑性等优点遥 由于采盐主要通过钻井水溶的方式袁因此形成的盐穴腔体稳定性较好尧水溶性也有利于对后续盐穴的造腔袁 并且使用盐穴储存压缩空气已实现了成熟应用袁储气技术相对成熟遥 此外袁 盐穴储气是利用地下空间袁 不用新增建设用地袁避开了征地难的问题袁盐穴租用的费用较低袁成本也可得到控制遥 我国已建设的金坛尧肥城压缩空气储能电站便是利用地下盐穴作为储气库遥按空气在压缩尧 膨胀过程中热量的管理方式及空气的储存状态袁 压缩空气储能主要有补燃式压缩空气储能技术尧绝热压缩空气储能技术尧等温压缩空气储能技术尧液态压缩空气储能技术尧超临界压缩空气储能技术 5 种遥 其中袁补燃式压缩空气储能技术成熟度高袁 它是在储气室后端使用燃烧器来燃烧化石能源提升空气温度使其膨胀进而发电袁但这一技术依旧使用化石能源袁不符合现阶段绿色低碳转型的方向遥 而目前非补燃压缩空气储能中应用最多且技术相对成熟的是绝热压缩空气储能袁 该技术的突破性在于其使用换热器将压缩空气时产生的热量存储至储热装置中袁 而后利用存储的压缩热在释放高压空气时对其进行加热袁由于不使用化石能源袁因此能实现真正的无碳遥 等温压缩空气储能技术由于空气在被压缩以及释放膨胀的过程中袁会有热量的产生和传递袁但传热过程对压缩空气储能的性能和效率有很大影响遥 研究表明袁在压缩空气的不同热力循环中袁绝热循环压缩耗功最多且膨胀放功最少尧 等温循环压缩耗功最少且膨胀放功最多袁 理论上等温循环不会有能量损失袁效率可达 100%遥 等温压缩空气储能则是通过控温技术袁 使得空气在压缩和释放膨胀过程中的温度尽可能实现等温袁从而提升系统效率袁其对比绝热压缩空气储能的优势就在于拥有更高的理论效率5遥 液态压缩空气储能技术是将空气压缩成液态袁其密度是气态空气的 800 倍袁大大减小空气体积袁有利于突破地理条件的制约袁在选址建设方面有着很大的优势6遥 超临界压缩空气储能技术是在超临界状态下袁 空气具有接近液体和气体的双重特性袁密度大尧传热好尧粘度小且扩散系数大袁 因此超临界压缩空气储能同时具备高能量密度和高效率的优点7遥 等温压缩空气尧液态压缩空气尧 超临界压缩空气 3 种储能技术理论上均比绝6 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期热压缩空气储能更有优势袁但现阶段尚不成熟袁未能实现商业应用遥2 压缩空气储能的工程应用现状目前袁 国内外均已实现对压缩空气储能技术的工程应用遥 国外的工程应用案例较早袁1975 年德国开始在 Huntorf 建造压缩空气储能电站袁由于该区域在之前就已使用盐腔储存天然气袁 且拥有大量工程袁在利用盐腔储气方面技术相对成熟袁同时积累了丰富的地质资料袁 因而这座压缩空气储能电站就是在此基础上利用两个盐穴作为储气库建造而成袁并在 1978 年实现商用袁整体运行效率达 42%曰1991 年美国在 Alabama 也建立了压缩空气储能电站袁依旧是使用盐穴作为储气库袁但因其增加了压缩热收集利用装置袁 整体的运行效率得到了提升袁增长至 54%4遥我国拥有丰富的盐穴资源袁可利用空间巨大袁且使用成本低袁 大多数盐穴在造腔后可达到良好的密封性8遥山东泰安肥城 10MW 的压缩空气储能电站是国内首座并网的压缩空气储能的商业电站袁2021 年 8 月 4 日首次送电成功袁该电站利用了肥城地区密闭性好尧 稳定性高的地下盐穴腔作为储气库袁在电网低负荷时将空气压缩至盐穴袁电网高负荷时释放高压气体进行发电袁 实现对电网的野削峰填谷冶作用袁兼具调相尧应急响应尧黑启动等功能袁 是我国盐穴压缩空气储能领域的重要里程碑袁具有重大意义9遥2021 年 9 月 30 日袁江苏金坛盐穴压缩空气储能国家示范项目并网试验成功袁 该项目由中盐集团控股尧华能和清华控股公司参股建设袁一期工程为 60MW 的发电装机袁 是世界上第一个非补燃压缩空气储能电站袁 标志着我国新型储能技术的研发和应用取得重大突破遥 2022 年 5 月 26 日袁江苏金坛盐穴压缩空气储能电站正式投产10遥2021 年 12 月 31 日袁河北张家口的国际首套100MW 先进压缩空气储能国家示范项目送电成功遥 该项目的规模为 100MW袁系统的设计效率达70.4%袁该项目建成后袁可推动大规模压缩空气储能技术的产业化进程11遥2022 年 7 月 26 日袁我国首套 300MW 级压缩空气储能示范工程在湖北应城举行开工仪式袁采用非补燃高压热水储热中温绝热压缩技术袁 核心技术指标能源转换效率达 70%12遥2022 年 怨 月 圆愿 日袁全球最大规模 350MW 盐穴压缩空气储能项目要要要山东泰安 2伊300MW 级压缩空气储能创新示范工程开工遥 该项目采用全球首创低熔点熔融盐高温绝热压缩技术袁 建成后在压缩空气储能领域将实现单机功率尧转换效率及储能规模全球第一13遥3 压缩空气储能的应用前景随着压缩空气储能技术的发展袁 以及国内相应储能支持政策的出台袁 压缩空气储能的成本不断降低尧产业规模持续扩大袁未来有望实现与抽水蓄能相近的成本尧并实现大规模的商业应用遥在水电方面袁 目前搭配水电站使用的储能方式基本为抽水蓄能袁 抽水蓄能是技术最成熟的大规模储能技术袁 但抽水蓄能电站的建设很受制于地理条件袁且存在水库建设周期长的劣势遥 压缩空气储能的规模仅次于抽水蓄能袁 目前国内已有100MW 的压缩空气储能电站成功送电袁 多个300MW 及以上的压缩空气储能电站已在建设中袁同时压缩空气储能技术的能源转换效率也在不断提升袁 大型压缩空气储能电站投资储能效率已上升至 70%以上遥 加上压缩空气储能电站的建设成本在今后有望实现与抽水蓄能相当尧 不同的压缩空气储能技术选址更为宽松及地面设备占用面积小等优势袁 压缩空气储能很有望成为抽水蓄能的一种补充方式遥 此外袁如采用人工平硐储气袁抽水蓄能电站的建设均存在平硐的建设袁 主要难点在于建设人工平硐储气库时的密封承压改造方面遥因此袁 在一些抽水蓄能电站无法建设或建设难度大的地方袁可以考虑建设压缩空气储能电站遥在风能尧光伏发电方面袁由于风能尧光伏发电7 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期很受环境的影响袁导致发电的波动性大尧并网后对电网稳定运行的影响大等问题袁如能在风能尧光伏电站建设时配备储能装置袁 将能很好地解决上述问题遥 因此袁使用压缩空气储能袁不仅可以解决现有电池储能使用期限短尧 放电要求高及性能下降的问题袁 而且在光伏电站中使用非补燃式压缩空气储能袁还可利用太阳能的热量作为外部热源袁提高整体效率遥在电网方面袁由于电网供电具有波峰性袁因而可以通过建设储能电站来野削峰填谷冶袁在余电多时对其进行储存袁 用电高峰时进行释放填补高峰供电的不足袁提升电网运行的稳定性遥 我国盐穴资源丰富尧废弃矿洞多尧枯竭油气田地下空间大袁且枯竭油气田地质资料齐全袁 如能实现对这些天然地下洞穴的利用袁也有望建设大规模尧超大规模的压缩空气储能电站遥在负荷侧方面袁对工业用户尧商业用户尧微电网系统等而言袁 压缩空气储能电站既可以存储电能袁 也能在电力故障时将电站作为备用电源提供用户所需的电能遥结语近年来袁 压缩空气储能技术各方面都取得了很大的进步遥 在储气库方面袁建设成本最低的地下盐穴作为储气库的研究应用不断增加袁 经验趋于成熟曰在非补燃式压缩空气储能中袁出现了绝热压缩空气储能技术尧等温压缩空气储能技术尧液态压缩空气储能技术和超临界压缩空气储能技术遥 我国已成功实现以地下盐穴作为储气库的非补燃式绝热压缩空气电站的发电袁 建设的压缩空气储能电站的发电规模也在不断扩大袁 从 60MW 到100MW袁 再到现如今正在建设的 300MW 及以上规模的压缩空气储能电站袁发展潜力巨大遥 未来袁压缩空气储能有望成为抽水蓄能的补充袁 在新能源电站及电网方向也拥有很广阔的应用前景遥 如能在液态压缩空气储能技术和超临界压缩空气储能技术领域再取得突破袁 在地下洞穴和人工平硐储气库密封承压改造技术上再进一步袁 压缩空气储能技术将有望实现大规模的应用并助力我国新能源及储能建设的高质量发展遥参考文献1 杨于驰,张媛,莫堃.新型储能技术发展与展望J.中国重型装备,2022(04):27-32.2 谭勇林.新能源电力系统中的储能技术分析J.光源与照明,2022(11):152-154.3 张玮灵,古含,章超,等.压缩空气储能技术经济特点及发展趋势研究J.储能科学与技术,2023,12(04):1295-1301.4 郭朝斌,李采,杨利超,等.压缩空气地质储能研究现状及工程案例分析 J.中国地质调查,2021,8(04):109-119.5 何青,王珂.等温压缩空气储能技术及其研究进展J.热力发电,2022,51(08):11-19.6 张晓磊.液态压缩空气储能系统热力性能关键技术研究D.昆明:昆明理工大学,2016.7 李季,黄恩和,范仁东,等.压缩空气储能技术研究现状与展望J.汽轮机技术,2021,63(02):86-89+126.8 佚名.盐穴压缩空气储能J.电力工程技术,2021,40(05):2.9 陆成宽.首个盐穴先进压缩空气储能示范电站并网发电N.科技日报,2021-10-12(06).10 佚名.金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目并网试验成功J.中国盐业,2021(19):6-7.11 工程热物理研究所.国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目顺利并网J.高科技与产业化,2022,28(01):80.12 新华社.我国首台(套)300 兆瓦级压缩空气储能示范工程开工J.企业观察家,2022(07):11.13 中国能源建设集团有限公司.全球最大规模350MW 盐穴压缩空气储能示范工程开工J.电世界,2022,63(06):62.作者简介李子钰渊1998要冤袁男袁湖南人袁硕士研究生袁研究方向为地质工程遥8