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中国科学院季伟:大规模空气储能技术发展现状和未来展望

文章来源:北极星储能网                   发布时间:2019-08-08
摘要:空气储能技术的未来发展方向,就是把液态空气储能技术结合太阳能光热、中低温余热统一的吸收到系统中,根据系统的特点可以灵活地选择把电反馈到电网中,还是单纯地把压缩空气气化,提供压缩空气给工商业使用。

空气储能技术的未来发展方向,就是把液态空气储能技术结合太阳能光热、中低温余热统一的吸收到系统中,根据系统的特点可以灵活地选择把电反馈到电网中,还是单纯地把压缩空气气化,提供压缩空气给工商业使用。

——中国科学院理化技术研究所助理研究员季伟

8月7日-8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开。在8月8日分论坛三“机械储能”中,中国科学院理化技术研究所助理研究员季伟作“大规模空气储能技术发展现状和未来展望”报告。

中国科学院理化技术研究所助理研究员季伟

各位老师,大家上午好!报告本来应该周远院士作报告,但由我汇报。题目是《大规模空气储能技术发展现状和未来展望》。分三部分介绍,大规模空气储能技术目前的现状及未来的展望,理化所取得的进展。

储能主要解决的问题有三个,增强可再生能源的消纳,提高电网性能,为现在能源互联网提供研究基础。

现在有各种各样的储能方式,我们可以把储能方式为物理储能和化学储能。可以得到大规模应用的就是抽水蓄能、电池储能和压缩空气储能。抽水蓄能在北方气温特别低的情况下,冬天可能会有结冰。电池储能发展的很好,但面临的难题就是安全性,寿命和环保最后受到严峻的挑战。我们研究空气储能技术,压缩空气储能,它的优点就是发电功率比较大,但缺点就是储能的密度比较低,需要很大的地下的存储空间。液态空气储能的技术,把空气液化可以实现比较高的储能密度,可以不受地理条件的限制。低温长压存储,压力稳定。

压缩空气储能技术的简介,它的原理并不复杂,主要是在储能阶段利用间歇性的可再生能源驱动压缩机,把空气存储到储气罐,高压空气通过不同的方式加热,这些热量可以是燃料补燃,太阳能光热,可以是压缩热。压缩空气储能技术多种多样,主要把它划为三种类型,外热源型、绝热、等温。等温是理想的形式,结合喷射水雾技术,实现近等温压缩和膨胀。目前等温型的技术不成熟,下面主要介绍外热源型和绝热型。

选取典型的案例回顾压缩空气储能技术的发展历程,20世纪40年代,最早是国外的学者提出了压缩空气储能的概念,当时储能没有那么大的需求,所以这个技术没有得到快速的发展。20世纪60时代,很多国家开始研发这种技术。1978年德国Huntorf研发了,1991年美国Mcintosh研发了电站。2003年法国阿尔斯通公司为了避免化石燃料的使用,所以提出了先进绝热压缩空气储能系统,完全绿色能源系统。通过压缩存储高温的压缩热,把压缩热再用于发电。2010年美国ESPC公司提出燃气轮机和压缩空气储能联合循环。2015年中科院理化所和清华大学联合研制压缩空气储能示范平台。德国Huntorf电站,31万立方米,地下有一个巨大的岩洞。美国Mcintosh的电站相比德国的电站最大的改进在于透平进气。美国ESPC电力公司循环效率设计55%-60%,主要把燃气轮机的微热用来预热透平进气,提高燃气轮机的发电功率,也提高了压缩空气储能的储能功率,可以实现对电网的灵活调峰。欧洲阿尔斯通公司提出了先进绝热压缩空气储能系统,通过两级压缩把空气压到65公斤,排气温度高达580,高于目前工业上普通的压缩机的排气温度。如果温度太高,可能会对压缩机的材料和压缩机的设计会存在非常大的挑战。580度的热量需要采取特殊的蓄热器,蓄热装置目前不成熟,结构复杂。我们单位在2015年和清华大学一起共建的500千瓦的压缩空气储能示范平台,压缩存储温度120度。系统的优点可以快速响应,小于5分钟。

研究压缩空气很多年,其实很大的难题就是压缩空气的存储技术。大功率和电网结合的时候,压缩空气的量是巨大的。压缩空气目前的主要存储方式,其实主要是采用了地下的岩穴。岩穴的储气量大,但放气体过程中气体越来越低。目前的压缩空气储能技术在放气的阶段,需要保持恒定的压力,然后才能旋转发电。有的学者提出了这是恒压的方式。很多学者提出低温液态空气储能技术,林德液化循环和朗肯动力循环的概念。储气占地面积是空气储能的1/15,对灵活性有很大的帮助。液态空气储能做最早的是英国的伯明罕大学,他们和一家公司合作,目前已经完成了350千瓦的示范工程,他们现在在建的是5兆瓦时和15兆瓦时的示范工程。规划在英国做250兆瓦时的系统。我们在廊坊园区新建了100千瓦、100千瓦时的液态空气储能系统。压缩空气储能每一代都有各自的特点。几家单位研究的主要都是第三代、第四代,基本上都不用化石燃料,主要是靠压缩热预热。目前主要是清华大学中科院的热物理所和理化所在压缩空气方面做比较多的研究。我们所主要想结合着风电和光热的技术路线实现能量地积极利用。

周远院士领衔,他是国家低温学科的开拓者和奠基人。我们的学术带头人是王俊杰研究员,我们的研究队伍有七八十人,做储能有20多人,研究方向包括能源存储。取得很多奖励,近五年获得专利近百项。系统通过压缩把压缩空气压缩到两个储罐中,压缩机的被压是随着储罐的压力升高逐渐升高的,我们设计了一个压缩系统。为了克服变压比的工况,建立高效压缩热存储利用系统,我们也建立了非稳态透平发电系统。当时最早我们也考虑过磁悬浮轴承,但最后采取的技术路线还是利用滑动轴承,最后的测试结果比较理想。我们进行热力学参数的匹配,包括高速转子动力学的设计。透平发电机组的全貌,克服储气罐的压力波动对它进行稳压的系统。最大发电功率是432千瓦。我们启动了新型风光压缩空气储能系统,通过结合风电和太阳能的光热,构建了四个单元,风电存储单元、透平发电单元、ORC单元、光热单元。廊坊示范装置平台,蓄冷效率90%,比国际上报道的都高。蓄冷效率对系统的影响最大,核算一下大概每1%的蓄冷效率都要影响系统效率4%-5%。液相蓄冷的优点就是可以利用现在的板式换热器技术,但有污染环境的问题,所以很难大规模的应用。我们开展了固相蓄冷的技术,搭建了固相蓄冷的实验台,已经取得了初步的实验结果。

空气储能技术的未来发展方向。液态空气储能技术,结合太阳能光热、中低温余热统一的吸收到系统中,根据系统的特点可以灵活地选择把电反馈到电网中,还是单纯地把压缩空气气化,提供压缩空气给工商业使用。我们在前期500千瓦压缩空气储能和100千瓦LAES的情况下,我们正在筹建10兆瓦、100兆瓦时的LAES。主要分四部分,流程优化方面主要是对系统进行模型的研究,梯级存储的研究,双向耦合蓄冷的研究和非稳态传热的研究。针对系统的特点,研究非对称耦合传热的特性,结合风电光热的各种热源进行耦合的机制研究。压缩膨胀系统方面,我们和全国的单位合作,主要想研究高效宽工况的机械,间歇运行下如何保持稳定是一个难点。最后是集成并网的系统。未来规划一个百兆瓦时的液态空气储能系统,提供冷热电的联供。

各项储能技术都有各自的优缺点,没有哪家储能完全可以解决现在电网的问题。我们也是希望未来各种储能技术可以进行有机的结合,尤其是空气储能可以实现大功率,可以与电池储能快速响应。功率密度大,可以与飞轮技术进行结合。

谢谢大家!




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