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壓縮空氣儲能技術原理及應用案例介紹

作者:中國儲能網新聞中心 來源:交能網 發布時間:2019-06-11 瀏覽:
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壓縮空氣儲能技術原理及特點

壓縮空氣儲能技術(compressed air energy storage),簡稱CAES,是一種利用壓縮空氣來儲能的技術。目前,壓縮空氣儲能技術,是繼抽水蓄能之后,第二大被認為適合GW級大規模電力儲能的技術。

其工作原理是,在用電低谷時段,利用電能將空氣壓縮至高壓并存于洞穴或壓力容器中,使電能轉化為空氣的內能存儲起來;在用電高峰時段,將高壓空氣從儲氣室釋放,進入燃燒室燃燒利用燃料燃燒加熱升溫后,驅動渦輪機發電。其原理圖如下:

一套完整的壓縮空氣系統五大關鍵設備組成:由壓縮機、冷卻器、壓力容器、回熱器、渦輪機以及發電機。各部件作用如下,

壓縮機:將空氣壓縮,將電能轉化為空氣內能,空氣壓力可達70-100 bar,溫度可達 1000 ° C;

冷卻器:熱交換設備,用于存入壓力容器前的冷卻,防止空氣在壓力容器或洞穴中壓力減少

壓力容器:存儲冷卻后的空氣,若采用洞穴存儲,則需要滿足耐壓程度較高、密封性較好的地質條件

回熱器:熱交換設備或燃燒室,將空氣溫度提高至1000℃左右,使渦輪機持續長時間穩定運行,以便于提高渦輪機效率。

渦輪機:空氣通過渦輪機降壓,內能轉化為動能。

發電機:多為同步發電機,將動能轉化為電能

目前壓縮空氣系統存在著諸多問題,其中最重要的是其與抽水蓄能一樣太受地理條件約束,建造壓縮空氣系統,需要特殊的地理條件來作為大型儲氣室,如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等,這一限制是影響這項技術推廣的重要因素之一。此外傳統的空氣壓縮系統,系統效率僅為40%-55%,相比抽水蓄能的80%,效率較低。

由其原理,可以知道,壓縮空氣儲能很大一部分能量,在壓縮空氣過程中轉化為熱能,沒有得到有效利用,這是導致這項技術效率低下的重要原因。要想提高壓縮空氣系統效率,可以將壓縮過程中產生的熱量通過儲熱器存儲起來,待發電過程中用這部分熱量預熱壓縮空氣,可以達到回收熱量的目的,這一改進技術,稱為絕熱壓縮空氣儲能系統(AA-CAES)。目前這一系統仍未有實際示范項目投入運行,該系統面臨的最大挑戰如何保證儲熱器的儲熱時常以及如何能做到更經濟合理的系統設計。

壓縮空氣儲能技術優缺點

隨著儲能需求的不斷增長,壓縮空氣儲能作為儲能量級唯一可與抽水蓄能相媲美的大規模儲能,技術正越來越受到青睞。其優點如下:

? 快速啟動時間(<15分鐘)

? 能量密度和功率密度較高

? 具備黑啟動能力

? 日常運營成本低

? 地球表面的地下儲存空間小

? 設備的使用壽命長,損耗低

?  壓縮空氣自放電率低

?  對于絕熱壓縮空氣其系統效率較高(70-75%),且不需要借助傳統化石能源加熱壓縮空氣,能夠真正做到碳中和。

壓縮空氣儲能技術具有調頻(二次和三次調頻),電壓調節,峰值負載調節,負載平衡,靜止儲備,黑啟動能力,未來應用空間十分廣大,且該項技術良好的區域相關性,在我國三北地區有巨大發展潛力,同時可用于海上風電儲能(北海鹽洞)。

然而,壓縮空氣儲能但同時也受各方面因素約束,如:

?  投資成本高,投資回報長(投資回報> 25年)

?  建成系統,必須滿足某些地質條件(壓力密封洞穴),且鹽洞成較高

?  對于絕熱系統,蓄熱器自放電率高

?  對于非絕熱系統效率又比較低(<55%)

而且這項技術經驗不足,目前僅運行兩個(較舊的)非絕熱壓縮空氣儲能項目; 絕熱系統目前還沒有示范項目投入運行。考慮到地理因素,洞穴開挖也會對環境造成一定的影響,且洞穴的合適位置數量有限,通常洞穴用作天然氣或石油儲存,更具有經濟效益。最后,分散存儲系統的競爭日益激烈,在小規模儲能容量下,這項技術的競爭力暫時不足以與其他技術相媲美。

壓縮空氣儲能案例

德國Huntorf壓縮空氣電站

來源:E.ON KraftwerkeGmbH

Huntorf是德國1978年投入商業運行的電站,目前仍在運行中,是世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站。其示意圖如下:

機組的壓縮機功率60MW,釋能輸出功率為290MW,最長額定輸出時間為2小時。系統將壓縮空氣存儲在地下600m的廢棄礦洞中,礦洞總容積達3.1×105m3,壓縮空氣的壓力最高可達10MPa。機組可連續充氣8h,連續發電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動并網5000多次,平均啟動可靠性97.6%。電站采用天然氣補燃方案,實際運行效率約為42%,扣除補燃后的實際效率為19%。

德國Huntorf壓縮空氣電站參數

美國McIntosh壓縮空氣電站

來源:http://www.sexatf.tw/news/145-3.html

美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站1991年投入商業運行,是世界上第二座投入運營的商業壓縮空氣儲能電站。該系統壓縮機組功率為50MW,發電功率為110MW。儲氣洞穴在地下450m,總容積為5.6×105m3,壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa。可以實現連續41h空氣壓縮和26h發電,機組從啟動到滿負荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進行遠距離自動控制。與Huntorf類似的是,仍然采用天然氣補燃,實際運行效率約為54%,扣除補燃后的實際效率20%。

美國McIntosh壓縮空氣電站參數

參考資料:

[1] Technologischer überblick zurSpeicherung von Elektrizit?t-ISEA RWTH Aachen

[2] Stromspeicherpotenziale für Deutschland-Universit?t Stuttgart

[3] 細說儲能:壓縮空, 趙乾乾  http://www.sexatf.tw/news/show-411677.html

[4] 壓縮空氣儲能技術研發現狀及應用前景, 高科技與產業化http://www.cnenergynews.cn/xny_183/cn/201807/t20180716_661013.html

[5] 壓縮空氣儲能應用現狀及發展趨勢, 余耀孫華許俊斌曹晨霞林堯,中國壓縮機網http://www.compressor.cn/

關鍵字:壓縮空氣儲能

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