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我國新型儲能技術取得重大進展 非補燃技術實現零碳排放

發布時間:2021-11-16 10:56:41 來源:科技日報 責任編輯:caobo

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涌而出,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第一度電。

這標志著世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站——江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗示范項目并網試驗成功,我國新型儲能技術的研發和應用取得重大進展。

該電站是壓縮空氣儲能領域唯一國家示范項目,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。

什么是鹽穴壓縮空氣儲能?非補燃意味著什么?這種儲能發電方式投運將會為電網安全和發展清潔能源帶來哪些改變?

行車在江蘇常州金壇西北部的丘陵地帶,茶園清新,山嵐曼妙。誰能想到,地下一千多米的深處,是一個巨大的鹽礦。

金壇探明的地下鹽礦面積為66.5平方公里,總儲量達125億多噸,相當于兩個半太湖的水重量。

開采地下鹽礦通常是將水注入鹽層,待鹽溶解后再抽出鹵水,鹽礦開采結束后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,這些鹽穴在地下1000米深處,通過造腔和注采技術控制,腔穴形態有的似鐘,有的像梨,而且這里地質條件穩定,是天然的儲氣罐。

過去,世界各國都在探索利用地下空間儲存石油、天然氣等能源?,F在,隨著鹽穴壓縮空氣儲能項目成功發電,鹽穴又有了新的用途。

近年來,隨著光伏和海上風電的大規模開發,我國清潔能源裝機容量迅猛增加。以江蘇為例,截至2020年底已突破4000萬千瓦,占全省發電裝機總容量的22.8%。新能源“看天吃飯”的特性使得電網出現較大峰谷差,面臨巨大的新能源消納和電力供需平衡壓力。

據測算,一旦新能源電力在電網中的占比達到一定程度,電網就處于極不安全的狀態。因此,建設大規模儲能發電設施,成為構建新型電力系統、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,鹽穴儲能壽命長、成本低、安全環保、占地面積小,成為大規模儲能發展的重要方向。

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

非補燃技術實現零碳排放

壓縮空氣儲能并非新技術,但數十年來,相關工程基本處于停滯不前的狀態。

“目前,國際上投入商運的2套壓縮空氣儲能電站均為補燃式,系統運行過程中需要消耗化石燃料,其電能轉換效率較低。”該項目總工程師、清華大學電機系教師薛小代告訴記者,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,國家能源局批準中鹽集團、中國華能集團與清華大學共同實施鹽穴壓縮空氣儲能發電系統國家示范項目,三方專家會聚金壇,蓄勢勃發。

清華大學盧強院士介紹說,該項目與國外同類電站相比,最大創新點是在世界上首次采用非補燃技術,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。

在夜晚電力較為富余時,利用多級壓縮機,將空氣壓縮注入地下鹽穴,氣壓達到12-14兆帕,完成了電能到空氣壓力勢能的轉換。

壓縮空氣過程中產生大量的熱能,溫度可達300攝氏度,在國外裝置中這些熱能白白浪費掉,我國的辦法則是將熱能通過熱交換設備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,并利用儲熱裝置中的熱能加熱,成為數百度的高溫高壓氣,進入空氣透平發電,完成空氣壓力勢能到電能的轉換。

多了熱交換,少了燃氣加熱,一進一出后,金壇鹽穴壓縮空氣儲能工程的電能轉換效率提升至60%以上,并且全過程無燃燒、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,此次并網試驗成功驗證了鹽穴儲氣、儲熱換熱、新型空氣透平發電系統所有首臺套設備的研制成果,為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里程碑,將為我國壓縮空氣儲能乃至能源產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并進

鹽穴壓縮空氣儲能發電理論上推導很簡單,但是將原理圖轉化為工程應用并不容易,每一步都凝結著設計團隊的縝密思考和辛勤付出。

“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,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在國內都找不到現成的,只有帶著相關廠家技術人員在現場研究敲定如何開發。

作為世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站,該項目所有主設備均為國產首臺套。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,該項目依托清華大學非補燃壓縮空氣儲能技術,申請專利百余項,建立了具有完全自主知識產權的技術體系;研發了高負荷離心壓縮機、高參數換熱器、大型空氣透平等核心設備,實現了主裝備完全國產化。在 “中國標準”創建方面,該項目發布了我國首個壓縮空氣儲能電站KKS編碼標準,立項壓縮空氣儲能首個國家標準、首個電力行業標準,以及3個團體標準,逐漸形成中國壓縮空氣儲能標準體系。

負責該項目基建和運維的華能金陵電廠專業團隊介紹,本次并網試驗標志著項目三方團隊已將鹽穴壓縮空氣儲能這一新型儲能技術,從“計算公式”落地為“設計圖紙”,經建設安裝成為“廠房設備”,經調試運行發出“第一度電”,是對大型非補燃壓縮空氣儲能電站技術流程的成功驗證。

張雄偉介紹,為幫助這一項目盡早并網發電,常州供電公司于2020年10月啟動了進線工程建設,為這一儲能電站單獨新建了一條近8公里的110千伏線路,對附近變電站進行了擴建。據測算,金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目投運后,全年可節約標準煤3萬噸,減少二氧化碳排放6.08萬噸。(科技日報記者 張曄)

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