壓縮空氣儲(chǔ)能的定位與發(fā)展

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國(guó)際能源研究中心江蘇能源行業(yè)協(xié)會(huì)“3060”歡迎廣告合作306030603060壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)介壓縮空氣儲(chǔ)能（CompressedAirEnergyStorage，CAES）是一種大型物理儲(chǔ)能技術(shù)，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期間，通過(guò)壓縮機(jī)壓縮空氣，將高壓空氣存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣庫(kù)中，同時(shí)，壓縮熱由儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行回收；在電網(wǎng)高負(fù)荷期間放出儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)高壓氣體在空氣透平中膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線(xiàn)有補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式。國(guó)外早期的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，如德國(guó)的Huntorf電站（1978年）、美國(guó)的Mclntosh電站（1991年），均采用補(bǔ)燃式技術(shù)路線(xiàn)：基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)，即將高壓空氣與天然氣在燃燒室內(nèi)燃燒，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)相比，非補(bǔ)燃式系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率比補(bǔ)燃式系統(tǒng)高10%～20%，且無(wú)污染、零碳排，更加符合節(jié)能、低碳、環(huán)保的時(shí)代要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)中科院、清華大學(xué)、中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)分別開(kāi)發(fā)出不同容量等級(jí)、不同蓄熱形式的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線(xiàn)，并且已實(shí)現(xiàn)60MW井井鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能?chē)?guó)家示范項(xiàng)目商業(yè)運(yùn)行，同時(shí)，全國(guó)有多個(gè)100MW～300MW裝機(jī)容量的壓縮空氣儲(chǔ)能電站在建項(xiàng)目[4-5]。我國(guó)在非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的工程應(yīng)用方面世界領(lǐng)先。因此，筆者認(rèn)為我國(guó)應(yīng)以發(fā)展非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站為主。圖1為非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖，非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)，由壓縮環(huán)節(jié)、換熱環(huán)節(jié)、儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)、發(fā)電環(huán)節(jié)四個(gè)環(huán)節(jié)組成，主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、級(jí)間換熱器、冷熱儲(chǔ)罐、儲(chǔ)氣裝置及空氣透平等。非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）選址靈活，可選擇多種的儲(chǔ)氣裝置：可選用天然或人工鹽穴、煤礦巷道、地下人工硐室、壓力容器或管線(xiàn)鋼陣列等，隨著建造成本降低，可以逐步擺脫地理?xiàng)l件限制。（2）儲(chǔ)能效率較高：運(yùn)行效率高達(dá)60%～70%。（3）環(huán)境友好：無(wú)污染，零碳排。（4）單位成本較低：系統(tǒng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化后的成本約4000-6500元/kW或1000-1500元/kWh，同抽水蓄能系統(tǒng)單位成本基本相當(dāng)，低于其他儲(chǔ)能技術(shù)。（5）系統(tǒng)壽命長(zhǎng)：系統(tǒng)壽命為30-50年，其中間無(wú)需新增大規(guī)模投資。不同類(lèi)型儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比綜合考慮技術(shù)成熟度、發(fā)展?fàn)顩r以及后續(xù)規(guī)模化推廣潛力，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能及電化學(xué)儲(chǔ)能將是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。表1重點(diǎn)對(duì)比分析了壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能、及鋰電池儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)。

表1

主要儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比表壓縮空氣儲(chǔ)能抽水蓄能鋰電池儲(chǔ)能功率等級(jí)50-300MW100-2000MW1kW-100MW合適儲(chǔ)存期數(shù)分-數(shù)月數(shù)小時(shí)-數(shù)月數(shù)秒-數(shù)小時(shí)釋能時(shí)間1~24+小時(shí)1~24+小時(shí)數(shù)秒~數(shù)小時(shí)效率60-70%71-80%90-97%壽命（年）30-4040-605-15造價(jià)4500～8000元/kW或1200元/kWh6000～8000元/kW1400元/kWh運(yùn)行特性啟動(dòng)至滿(mǎn)負(fù)荷需10分鐘從靜止到滿(mǎn)載只需2-2.5min啟動(dòng)時(shí)間毫秒級(jí)安全性安全性高存在爆破、高邊坡施工等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，整體安全形勢(shì)嚴(yán)峻過(guò)熱存在火災(zāi)及爆炸風(fēng)險(xiǎn)環(huán)保性無(wú)污染排放，環(huán)境友好影響生態(tài)系統(tǒng)電池回收建設(shè)周期供貨周期10個(gè)月項(xiàng)目建設(shè)周期13個(gè)月左右以溧陽(yáng)抽水蓄能電站為例，籌備期20個(gè)月，項(xiàng)目建設(shè)周期80個(gè)月供貨周期2個(gè)月，項(xiàng)目建設(shè)周期4個(gè)月成熟度設(shè)備需研發(fā)技術(shù)成熟，裝機(jī)規(guī)模最高應(yīng)用業(yè)績(jī)多，成熟度高地理位置采用鹽穴儲(chǔ)氣時(shí)，廠(chǎng)址位置限制；采用人工造穴或儲(chǔ)氣罐時(shí)，廠(chǎng)址位置不受限選址受限選址無(wú)限制電化學(xué)儲(chǔ)能屬于能量型儲(chǔ)能，特點(diǎn)是快充快放（毫秒級(jí)響應(yīng)），特別適合參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻過(guò)程，消除風(fēng)、光出力的鋸齒狀波動(dòng)，平滑功率曲線(xiàn)，提升電力品質(zhì)。同時(shí)也能短時(shí)彌補(bǔ)部分電力缺口。缺點(diǎn)是造價(jià)高、壽命短，存在消防、安全、環(huán)保方面的不利因素。抽水蓄能屬于功率型儲(chǔ)能，優(yōu)點(diǎn)是效率高、響應(yīng)快，具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。具備分鐘級(jí)響應(yīng)和長(zhǎng)時(shí)間放電的負(fù)荷響應(yīng)特性，能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動(dòng)等功能，對(duì)電網(wǎng)的功率、頻率平衡和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，是理想的儲(chǔ)能形式。缺點(diǎn)是選址受場(chǎng)地條件制約、建設(shè)周期長(zhǎng)。壓縮空氣儲(chǔ)能同樣屬于功率型儲(chǔ)能，抽水蓄能具有的功能和特點(diǎn)它同樣具備。在現(xiàn)有技術(shù)研發(fā)階段，系統(tǒng)效率略低于抽水蓄能，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在十分鐘左右，略慢于抽水蓄能（當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)備用運(yùn)行時(shí)，響應(yīng)時(shí)間2～3分鐘）。優(yōu)點(diǎn)是受場(chǎng)地條件制約小，建設(shè)周期短，工程造價(jià)隨著規(guī)?；l(fā)展將低于抽蓄，具有良好的示范意義和推廣價(jià)值?！蛾P(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確指出，“十四五”期間全國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)到3000萬(wàn)千瓦以上。預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期2060年，裝機(jī)規(guī)模將會(huì)超12億千瓦，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)需求將超過(guò)10小時(shí)。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，既需要能量型儲(chǔ)能，也需要功率型儲(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能將以其靈活的儲(chǔ)氣形式、快速的建設(shè)時(shí)間、平價(jià)的建設(shè)成本在未來(lái)將占據(jù)較大的市場(chǎng)空間，成為抽水蓄能電站的有益補(bǔ)充。應(yīng)用場(chǎng)景

目前的政策和市場(chǎng)條件下，壓縮空氣儲(chǔ)能電站主要應(yīng)用場(chǎng)景為電網(wǎng)側(cè)和新能源側(cè)儲(chǔ)能。（1）電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的穩(wěn)定器：在電網(wǎng)調(diào)峰壓力大，峰谷價(jià)差較大地區(qū)建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，憑借其提供調(diào)頻調(diào)峰、無(wú)功調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)備用、應(yīng)急電源、黑啟動(dòng)等功能，補(bǔ)充抽水蓄能電站提供電力輔助服務(wù)，接受電力系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，有效保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。（2）新能源接入電網(wǎng)的優(yōu)化器：在新能源資源富集地區(qū)布局壓縮空氣儲(chǔ)能電站，可優(yōu)化可再生能源外送曲線(xiàn)，有效規(guī)避以風(fēng)光為主的新型電力系統(tǒng)存在的波動(dòng)性和隨機(jī)性等突出問(wèn)題，提高新能源場(chǎng)站的電網(wǎng)友好性，提升電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力。（3）特高壓綠電外送的適配器：與新能源+火電打捆送出相比，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在提高特高壓電網(wǎng)輸送能力的同時(shí)，可減少對(duì)傳統(tǒng)火電的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)西部100%綠電外送，助力我國(guó)“西電東送”特高壓輸電通道建設(shè)。經(jīng)濟(jì)性分析從技術(shù)層面分析來(lái)看，單套300MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站成本目前約為6300元/kW，系統(tǒng)效率可達(dá)70%，項(xiàng)目總投資約18億元，未來(lái)可降至4500元/kW。