把電儲(chǔ)存在各種電池里，把電儲(chǔ)存在水庫(kù)里，這些儲(chǔ)能方式，大家可能并不稀奇。但有一種辦法，可以把電儲(chǔ)存在空氣里，不用電的時(shí)候，你見(jiàn)不到它；要用電的時(shí)候，你隨時(shí)都可以在空氣里得到電能。這不是科幻小說(shuō)，這是現(xiàn)在最新的科技。江蘇金壇茅山腳下有一個(gè)神奇的儲(chǔ)能電站，這是一座由廢棄鹽穴改造的超大號(hào)“充電寶”。
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(wàn)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(wàn)噸，減少二氧化碳排放超6萬(wàn)噸，并為江蘇電網(wǎng)提供±6萬(wàn)千瓦調(diào)峰能力。
儲(chǔ)能過(guò)程就像“吹氣球”
用空氣來(lái)儲(chǔ)能、發(fā)電，聽(tīng)起來(lái)深?yuàn)W，其實(shí)原理并不復(fù)雜。金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目首席科學(xué)家、清華大學(xué)教授梅生偉這樣科普：“如果把鹽穴比作一個(gè)體積固定的超大號(hào)氣球，那么儲(chǔ)能的過(guò)程就是吹氣球。”
金壇鹽穴項(xiàng)目攻克了世界上參數(shù)最高的離心式壓縮機(jī)，這是“吹氣”的關(guān)鍵裝置。在用電低谷時(shí)，通過(guò)這一裝置，可將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，存入“氣球”；待用電高峰時(shí)，再釋放高壓空氣，驅(qū)動(dòng)空氣透平膨脹機(jī)，讓“風(fēng)車”旋轉(zhuǎn)起來(lái)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)和工程并非我國(guó)首創(chuàng)。目前，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已投運(yùn)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站都需要燒煤或天然氣來(lái)加熱空氣，這個(gè)過(guò)程叫作“補(bǔ)燃”，但不可避免地會(huì)產(chǎn)生污染物排放。梅生偉認(rèn)為，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的重要?jiǎng)?chuàng)新就在于采用了“非補(bǔ)燃”技術(shù)。此前，梅生偉和清華大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)曾在安徽蕪湖建立試驗(yàn)電站，驗(yàn)證了技術(shù)方案可行性和高效性。整個(gè)過(guò)程中，沒(méi)有任何燃燒和排放，實(shí)現(xiàn)了零碳發(fā)電。
值得一提的是，該電站具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)了100%國(guó)產(chǎn)化。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電能難免會(huì)有損耗。“金壇電站的電能轉(zhuǎn)換效率是61.2%。通俗來(lái)講，就是‘5千瓦時(shí)電換3千瓦時(shí)電’。”梅生偉舉例子，現(xiàn)在電站一般是23時(shí)左右開(kāi)始儲(chǔ)能，到第二天早上儲(chǔ)能完成，一個(gè)儲(chǔ)能過(guò)程為8小時(shí)。等用電高峰期滿負(fù)荷發(fā)電，一個(gè)小時(shí)能發(fā)6萬(wàn)千瓦時(shí)電，可以連續(xù)發(fā)電約5個(gè)小時(shí)。“也就是相當(dāng)于6萬(wàn)居民一天的用電量。”梅生偉說(shuō)。
在用電低谷時(shí)，利用低谷電壓縮空氣，存儲(chǔ)在地下鹽穴；在用電高峰時(shí)，釋放高壓空氣，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，保障用電需求。改變傳統(tǒng)電力“即發(fā)即用”現(xiàn)狀，削峰填谷，確保谷電不浪費(fèi)、峰電有加持，正是金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站作為“充電寶”的功能所在。今年夏天，江蘇迎峰度夏能源保供的關(guān)鍵時(shí)期，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站曾發(fā)揮積極作用，為金壇當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的高峰支撐了5%左右的尖峰負(fù)荷。
采用“非補(bǔ)燃”技術(shù)更環(huán)保
由中鹽集團(tuán)、中國(guó)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(wàn)千瓦調(diào)峰能力。電站投產(chǎn)后不久，江蘇迎來(lái)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(lái)，隨著風(fēng)、光等新能源的加速開(kāi)發(fā)，江蘇可再生能源發(fā)電總裝機(jī)目前達(dá)到5354.94萬(wàn)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(lái)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)系教授梅生偉表示，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(kāi)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(wàn)立方米。”中鹽金壇公司鹽礦礦長(zhǎng)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(wàn)立方米，可承受200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
利用鹽穴來(lái)儲(chǔ)能發(fā)電在其他國(guó)家并非沒(méi)有先例，但采取“非補(bǔ)燃”技術(shù)卻是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。“鹽穴的高壓空氣被釋放出來(lái)后，需要加熱膨脹產(chǎn)生更大推力，此前國(guó)外已投運(yùn)的電站都通過(guò)燃燒天然氣來(lái)加熱，‘補(bǔ)燃’過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的熱能儲(chǔ)存起來(lái)，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(wàn)噸，減少二氧化碳排放超6萬(wàn)噸。
建設(shè)成本大幅降低發(fā)展空間大
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)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(lái)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(shuō)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(kāi)始，和廠家技術(shù)人員邊研究邊開(kāi)發(fā)。”梅生偉表示，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(guò)程中，關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)100%國(guó)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(lái)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(lái)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(guò)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(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)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(yíng)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(mén)對(duì)項(xiàng)目也都非常支持。”梅生偉說(shuō)，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。”
受益新能源“充電寶”產(chǎn)業(yè)化正提速
近年來(lái)，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源在我國(guó)能源體系中的占比持續(xù)提升，與其相關(guān)的儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展也備受關(guān)注。其中，壓縮空氣儲(chǔ)能被看作未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向。
去年7月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中，將壓縮空氣儲(chǔ)能列為新型儲(chǔ)能技術(shù)之首。今年2月發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中，也多次提到這一技術(shù)。今年8月，《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》提出，要加快研發(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等高效儲(chǔ)能技術(shù)。在目前主流的兩種儲(chǔ)能類型中，抽水蓄能的優(yōu)點(diǎn)明顯，是現(xiàn)有最成熟的大容量?jī)?chǔ)能解決方案，已成為大規(guī)模建設(shè)開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能項(xiàng)目的首選。
然而，抽水蓄能電站建設(shè)受場(chǎng)地條件限制大，且建設(shè)工期長(zhǎng)、投資回報(bào)慢。電化學(xué)儲(chǔ)能反應(yīng)速度快、效率高，但是壽命有限、成本較高，還有后續(xù)處理問(wèn)題。相比之下，壓縮空氣儲(chǔ)能基本兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，壓縮空氣過(guò)程中產(chǎn)生的熱量還可以二次利用。比如，參與金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站共同開(kāi)發(fā)的中鹽集團(tuán)，就改造了生產(chǎn)線，通過(guò)儲(chǔ)熱裝置用多余熱量進(jìn)行化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，壓縮空氣儲(chǔ)能將是大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì)，未來(lái)前景廣闊。不過(guò)，該技術(shù)當(dāng)前還面臨兩大難點(diǎn)，需要各方協(xié)同攻關(guān)。
一方面，電能轉(zhuǎn)換效率仍需提升，未來(lái)要與抽水蓄能的變電效率相當(dāng)，才能顯現(xiàn)出更大的推廣價(jià)值；另一方面，目前的應(yīng)用場(chǎng)景仍比較單一，要探索更多樣化儲(chǔ)氣條件下的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。梅生偉介紹，與新建鋼罐等壓力容器儲(chǔ)存的方式相比，利用鹽穴可顯著降低原材料、用地等方面的成本，但并不意味著所有鹽穴都可以作為壓縮空氣儲(chǔ)存裝置，還需要滿足容積適當(dāng)、地質(zhì)穩(wěn)定、距離合適等條件。
除鹽穴外，天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)、煤礦巷道等也有潛力建設(shè)大容量、大規(guī)模儲(chǔ)能電站。好在，隨著效率提升疊加成本下降，壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在提速，未來(lái)裝機(jī)規(guī)模有望加速擴(kuò)張。此外，長(zhǎng)三角多地正推動(dòng)相關(guān)儲(chǔ)能電站落地。
近期，《上海打造未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來(lái)產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)方案》提出，將推動(dòng)壓縮空氣、液流電池等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化，促進(jìn)“光儲(chǔ)充”新型儲(chǔ)能站落地。此前，江蘇淮安鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目通過(guò)可行性評(píng)審，將進(jìn)入工程實(shí)施階段。該電站建成后，將成為國(guó)際上容量最大的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，年發(fā)電量可達(dá)8.5億千瓦時(shí)。
原標(biāo)題：用空氣發(fā)電？千年廢棄鹽穴變身“充電寶”！“藏電于氣”是如何實(shí)現(xiàn)的？
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