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《科技日报》:电能转换全过程无燃烧、无排放 用废弃盐穴打造绿色“充电宝”
发布时间:2021-11-17 09:20

近日,壓力超過100個大氣壓的空氣從地下千米深處的鹽穴奔湧而出,驅動世界最大的空氣透平做功,向國家電網發出我國首個大型壓縮空氣儲能電站的第一度電。這標志著世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站——金壇壓縮空氣儲能國家試驗示範項目(以下簡稱金壇壓縮空氣儲能項目)並網試驗成功,我國新型儲能技術的研發和應用取得了重大進展。

該電站是壓縮空氣儲能領域唯一國家示範項目,也是國家能源局和江蘇省重點推進項目,一期工程發電裝機60兆瓦,儲能容量300兆瓦時,遠期建設規模1000兆瓦。

非補燃意味著什麽?這種儲能發電方式投運將會爲電網安全和發展清潔能源帶來哪些改變?

地下鹽穴成了天然儲氣罐

近年來,隨著對光伏和海上風電的大規模開發,我國新能源發電裝機容量迅猛增加。以江蘇爲例,截至2020年底,新能源發電裝機容量已突破4000萬千瓦,占全省發電裝機總容量的22.8%。新能源“看天吃飯”的特性使得電網易出現較大峰谷差,因而電網面臨巨大的新能源消納和電力供需平衡壓力。因此,建設大規模儲能發電設施,就成爲構建新型電力系統,實現碳達峰、碳中和的迫切需求。

國家電網常州供電公司項目管理中心副主任張雄偉介紹,抽水蓄能是實現電能大規模儲存和“削峰填谷”較普遍的解決方案,但目前江蘇省抽水蓄能資源幾乎已開發殆盡。相比之下,鹽穴儲能因壽命長、成本低、安全環保、占地面積小,就成爲了發展大規模儲能的重要方向。

鹽穴儲能是通過鹽穴壓縮空氣儲能技術實現的,該技術是用電網過剩或非峰值電能將空氣壓縮至高壓狀態,並儲存至地下鹽穴;在高峰用電時,再將壓縮空氣加以釋放做功發電。

鹽穴,即鹽礦開采後留下的礦洞,是儲存高壓空氣的理想場所。江蘇常州金壇西北部的丘陵地帶地下1000多米的深處,有一個巨大的鹽礦。金壇探明的地下鹽礦面積爲66.5平方公裏,總儲量達125億多噸,相當于兩個半太湖水的重量。開采地下鹽礦通常是將水注入鹽層,待鹽溶解後再抽出鹵水,鹽礦開采結束後形成了一個個地下鹽穴。中鹽華能儲能科技有限公司副總經理王國華介紹,他們通過造腔和注采技術控制,讓這些分布在地下1000米深處的鹽穴呈現不同的形態,有的似鍾、有的像梨,這些鹽穴是天然的儲氣罐。

目前,金壇擁有地下鹽穴儲氣庫約1000萬立方米,理論上可以建設發電裝機超過4000兆瓦的壓縮空氣儲能電站。

非補燃技術可實現零碳排放

壓縮空氣儲能並非新技術,但數十年來,相關工程基本處于停滯不前的狀態。壓縮空氣儲能系統可以分爲補燃式和非補燃式兩類。

“目前,國際上投入商運的2套壓縮空氣儲能電站均爲補燃式,系統運行過程中需要消耗化石燃料,其電能轉換效率較低。”金壇壓縮空氣儲能項目總工程師、清華大學電機系教師薛小代告訴科技日報記者,這樣的運行方式既不經濟也不環保。

如何尋找突破口?

2011年,清華大學盧強、梅生偉團隊開始探索非補燃式技術路線。經過數年的研發、小規模試驗,全套技術方案逐漸成熟起來,科研人員不滿足于“制作盆景”,他們渴望建設一套商業化運行的大型壓縮空氣儲能電站。2017年,國家能源局批准中鹽集團、中國華能集團與清華大學共同實施金壇壓縮空氣儲能項目。

清華大學盧強院士介紹說,與國外壓縮空氣儲能電站相比,該項目最大的創新點是在世界上首次采用了非補燃技術,在壓縮空氣發電過程中不依賴外界能源,從而實現零碳排放。

在夜晚電力較爲富余時,金壇壓縮空氣儲能項目會利用多級壓縮機,將空氣壓縮注入地下鹽穴,氣壓達到1214兆帕,完成了電能到空氣壓力勢能的轉換。壓縮空氣過程中會産生大量的熱能,溫度可達300攝氏度,在國外的壓縮空氣儲能電站,這些熱能被白白浪費,而我國采取的辦法是通過熱交換設備將熱能儲存在幾個巨大的儲熱裝置中,實現能量的存儲轉化。

到了白天電力需求較大時,壓縮空氣被釋放出來,經儲熱裝置中的熱能加熱後,成爲了數百攝氏度的高溫高壓氣,進入空氣透平發電,完成了空氣壓力勢能到電能的轉換。

多了熱交換,少了燃氣加熱,一進一出後,金壇壓縮空氣儲能項目工程的電能轉換效率提升至60%以上,並且全過程無燃燒、無排放。

該項目首席科學家,青海大學副校長、清華大學教授梅生偉介紹,此次並網試驗成功驗證了鹽穴儲氣系統、儲熱換熱系統、新型空氣透平發電系統所有首台套設備的研制成果,爲非補燃壓縮空氣儲能技術的商業化應用奠定了基礎,是壓縮空氣儲能技術研發和應用的重要裏程碑,將爲我國壓縮空氣儲能乃至能源産業的可持續發展提供強有力支撐。

“中國創造”與“中國制造”齊頭並進

實現鹽穴壓縮空氣儲能發電,理論推導看似簡單,但是將原理圖轉化爲工程應用卻並非易事,每一步都凝結著設計團隊的缜密思考和辛勤付出。

“我們遇到最大的障礙就是關鍵設備基本空白。”梅生偉告訴記者,由于在國內無法找到現成的大流量壓縮機、大功率換華(熱交換設備)、透平膨脹機等關鍵設備,他們只能帶著相關廠家技術人員在現場研究開發。作爲世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站,該項目所有主設備均爲國産首台套。

金壇壓縮空氣儲能項目承擔方充分發揮各自優勢,中鹽集團利用先進的造腔和注采技術,承擔地下儲氣庫建設;中國華能集團發揮電力專業技術優勢,承擔項目的建設和運維。同時,項目建設還集結了我國能源行業的“國家隊”,國家電網、東方電氣、哈爾濱電氣、上海電氣、中國能建、中國電建、中國石油、中國石化、沈鼓集團和浙建集團均參與了項目建設。

在“中國創造”實踐方面,依托清華大學非補燃壓縮空氣儲能技術,金壇壓縮空氣儲能項目申請專利百余項,建立了具有完全自主知識産權的技術體系;研發了高負荷離心壓縮機、高參數換熱器、大型空氣透平等關鍵設備,實現了主裝備的完全國産化。在“中國標准”創建方面,該項目發布了我國首個壓縮空氣儲能電站KKS編碼標准,立項壓縮空氣儲能首個國家標准、首個電力行業標准,以及3個團體標准,逐漸構建了中國壓縮空氣儲能標准體系。

張雄偉介紹,爲幫助這一項目盡早並網發電,國家電網常州供電公司于202010月啓動了進線工程建設,爲這一儲能電站單獨新建了一條近8公裏的110千伏線路,對附近變電站進行了擴建。據測算,金壇壓縮空氣儲能項目投運後,全年可節約標准煤3萬噸,減少二氧化碳排放6.08萬噸。