圖①：江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站。
夏晨希攝(影像中國)
圖②：壓縮空氣儲(chǔ)能原理示意圖。
漢 青制圖(星球研究所)
核心閱讀
用電低谷時(shí)壓縮空氣，存儲(chǔ)在地下;用電高峰時(shí)釋放空氣，每小時(shí)能發(fā)電6萬千瓦時(shí)。在江蘇常州金壇區(qū)，依托“非補(bǔ)燃”技術(shù)，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站全年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3萬噸，減少二氧化碳排放超6萬噸，并為江蘇電網(wǎng)提供±6萬千瓦調(diào)峰能力。
用電池蓄能，用水庫發(fā)電，似乎并不稀奇，但你是否知道，我們身邊看不見也摸不著的空氣，也有同樣的功能?在江蘇省常州市金壇區(qū)的茅山腳下，就有一個(gè)由鹽穴改造的大型“充電寶”——金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站。作為空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目，2022年5月26日，這個(gè)“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲(chǔ)能電站正式投產(chǎn)。
壓縮空氣如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和放電?如何發(fā)揮價(jià)值?有哪些發(fā)展前景?記者帶你一起來揭秘。
儲(chǔ)能效果如何?
每小時(shí)能發(fā)電6萬千瓦時(shí)
“丁零零——”1月28日8時(shí)56分，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站的集控室內(nèi)，一陣電話鈴聲響起。當(dāng)班值長袁爾聰接起電話，電話那頭是國家電網(wǎng)江蘇電力公司調(diào)度中心的指令：要求電站1號(hào)機(jī)組于9時(shí)32分準(zhǔn)時(shí)并網(wǎng)調(diào)峰。然而此時(shí)，電站內(nèi)并沒有電——它以另外兩種能量形式儲(chǔ)存在空氣和儲(chǔ)熱介質(zhì)中。
“前一天21時(shí)許，正是用電低谷期，電網(wǎng)有富余的電量，我們就開始給‘充電寶’充電。”中鹽華能儲(chǔ)能科技有限公司綜合事務(wù)部主任韓月峰介紹，這個(gè)過程好比給氣球打氣——地下900多米深處的巨大鹽穴是“氣球”，用電帶動(dòng)的空氣壓縮機(jī)就是“打氣筒”，將1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣壓縮為140個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的高壓空氣。
壓縮空氣的過程中，空氣溫度會(huì)增加到300多攝氏度。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全，需要將高溫高壓空氣冷卻到40攝氏度左右的常溫高壓空氣。這些熱量并沒有被浪費(fèi)掉，而是被換熱器“取”出來儲(chǔ)存在導(dǎo)熱油之中，存放在地面上的大型高溫導(dǎo)熱油罐里。就這樣，經(jīng)過夜間“充電”，電能被轉(zhuǎn)化為空氣勢(shì)能和熱能。
接到調(diào)令電話后，集控室里的工作人員立即忙碌起來。他們要做的，是讓空氣勢(shì)能與熱能“再度結(jié)合”，重新轉(zhuǎn)化為電能，在用電高峰期供居民使用。
在縱橫分布著各類管道的現(xiàn)場(chǎng)，工人們先給換熱器預(yù)熱，然后打開鹽穴井口控制閥。瞬間，近140個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的高壓氣體從地底深處的鹽穴奔涌而出，在換熱器內(nèi)由導(dǎo)熱油加熱到300多攝氏度，成為高溫高壓空氣，驅(qū)動(dòng)空氣透平膨脹機(jī)沖轉(zhuǎn)，通過軸承帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)——電，又從空氣中“重生”了。
9時(shí)32分，電站1號(hào)發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)時(shí)并入電網(wǎng)開始發(fā)電;10分鐘后，發(fā)電機(jī)組達(dá)到60兆瓦的滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài);14時(shí)30分，發(fā)電機(jī)組解列，發(fā)電作業(yè)順利完成。
“在用電低谷時(shí)把空氣壓縮，存儲(chǔ)在地下鹽穴，完成一次充電的周期為8小時(shí);在用電高峰時(shí)，釋放高壓空氣，每小時(shí)能發(fā)電6萬千瓦時(shí)，可以連續(xù)發(fā)電5個(gè)小時(shí)，發(fā)電量可達(dá)30萬千瓦時(shí)。”韓月峰介紹。
具有哪些創(chuàng)新?
采用“非補(bǔ)燃”技術(shù)，電能轉(zhuǎn)換更環(huán)保
由中鹽集團(tuán)、中國華能集團(tuán)和清華大學(xué)三方共建的金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站，可為江蘇電網(wǎng)提供±6萬千瓦調(diào)峰能力。電站投產(chǎn)后不久，江蘇迎來了炎熱夏季。電站在7、8月間響應(yīng)約40次調(diào)峰指令，其中8月份連續(xù)響應(yīng)23天，甚至一天內(nèi)靈活切換、多次響應(yīng)，為迎峰度夏保供電貢獻(xiàn)了力量。
除此之外，近年來，隨著風(fēng)、光等新能源的加速開發(fā)，江蘇可再生能源發(fā)電總裝機(jī)目前達(dá)到5354.94萬千瓦。然而，新能源發(fā)電波動(dòng)性強(qiáng)，在工業(yè)大省江蘇，發(fā)電峰谷差高達(dá)50%，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患，建設(shè)大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施尤為必要。
“目前儲(chǔ)能辦法有物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩種。前者包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等，后者包括各種電池儲(chǔ)能。”金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目首席科學(xué)家、清華大學(xué)電機(jī)系教授梅生偉告訴記者，壓縮空氣儲(chǔ)能電站規(guī)模大、建設(shè)快、安全環(huán)保，是新型儲(chǔ)能的重要發(fā)展方向之一。
當(dāng)然，壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)，也需要豐富的鹽穴資源和成熟的造腔經(jīng)驗(yàn)支撐，對(duì)建設(shè)環(huán)境提出了一定的要求。鹽穴，即地下鹽層被開采后留下的空腔，密封性良好且多數(shù)處于閑置狀態(tài)，是儲(chǔ)存高壓空氣的理想場(chǎng)所。“金壇擁有鹽穴資源約1000萬立方米。”中鹽金壇公司鹽礦礦長徐孜俊介紹，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站使用的茅八井鹽穴，容積約22萬立方米，可承受200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
利用鹽穴來儲(chǔ)能發(fā)電在其他國家并非沒有先例，但采取“非補(bǔ)燃”技術(shù)卻是國內(nèi)首創(chuàng)。“鹽穴的高壓空氣被釋放出來后，需要加熱膨脹產(chǎn)生更大推力，此前國外已投運(yùn)的電站都通過燃燒天然氣來加熱，‘補(bǔ)燃’過程會(huì)產(chǎn)生碳排放。”梅生偉介紹，金壇項(xiàng)目將壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱能儲(chǔ)存起來，發(fā)電時(shí)再將熱能釋放，將電能轉(zhuǎn)換效率提升至60%以上。據(jù)測(cè)算，該項(xiàng)目全年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3萬噸，減少二氧化碳排放超6萬噸。
發(fā)展空間怎樣?
建設(shè)成本將隨技術(shù)不斷成熟大幅降低
記者看到，在金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站附近，還留有大片建設(shè)用地。據(jù)了解，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能二期項(xiàng)目規(guī)模計(jì)劃400兆瓦，三期項(xiàng)目規(guī)模預(yù)計(jì)1000兆瓦。
“鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能是個(gè)綜合能源系統(tǒng)。”梅生偉認(rèn)為，鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能未來的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化前景，取決于兩大方面——降低建設(shè)成本、提高電能轉(zhuǎn)換效率，說到底就是技術(shù)創(chuàng)新。
“比如，大流量高溫壓縮機(jī)、大功率熱交換設(shè)備、透平膨脹機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的研制都需要從零開始，和廠家技術(shù)人員邊研究邊開發(fā)。”梅生偉告訴記者，從項(xiàng)目立項(xiàng)到正式投產(chǎn)，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站歷經(jīng)10年研發(fā)、兩年建設(shè)。在這個(gè)過程中，關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化，申請(qǐng)專利百余項(xiàng)。“目前的建設(shè)成本約為7000元/千瓦，但隨著技術(shù)的不斷成熟，未來的建設(shè)成本會(huì)大幅降低。”
梅生偉介紹，在提高效率方面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在嘗試“雙管齊下”：一是目前的儲(chǔ)熱技術(shù)采用導(dǎo)熱油，屬于中溫儲(chǔ)熱，如果未來采用熔融鹽實(shí)現(xiàn)高溫儲(chǔ)熱，電能轉(zhuǎn)換效率有望從60%提高到70%;二是鹽穴儲(chǔ)氣屬于定容儲(chǔ)氣，充放氣過程中壓力一直在變化，影響設(shè)備運(yùn)行效率，正在研發(fā)中的定壓儲(chǔ)氣技術(shù)將實(shí)現(xiàn)恒壓充氣和放氣，進(jìn)一步提高系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率。
規(guī)模發(fā)展的另一支撐是電價(jià)政策。國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)和調(diào)度運(yùn)用的通知》，從電價(jià)、交易及調(diào)度機(jī)制等方面對(duì)新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)與調(diào)度運(yùn)營做出規(guī)定。“目前電站的電價(jià)政策還在研究之中，各級(jí)主管部門對(duì)項(xiàng)目也都非常支持。”梅生偉告訴記者，清華大學(xué)參與的8座共1350兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能電站，即將在兩年內(nèi)陸續(xù)建成投用。“相信隨著建設(shè)成本和轉(zhuǎn)換效率的不斷優(yōu)化，以及價(jià)格體系的持續(xù)完善，會(huì)有更多的機(jī)構(gòu)和地方參與到壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)中，為新能源高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造更多有利條件。”
