壓縮空氣儲(chǔ)能：從追趕到領(lǐng)先的跨越

國(guó)際首套10MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)

儲(chǔ)能是解決可再生能源大規(guī)模接入、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術(shù)，是國(guó)家大力支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

而壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)具有規(guī)模大、單位成本低、壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，備受業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

近日，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《能源》(Energy)上發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果：用計(jì)算流體力學(xué)的方法建立了壓縮空氣儲(chǔ)能透平膨脹機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)三維數(shù)值模型，研究了透平膨脹機(jī)氣動(dòng)效率和磨損量隨葉頂間隙和膨脹比的變化規(guī)律，找到了在保證對(duì)透平膨脹機(jī)效率影響較小的前提下，可顯著降低磨損量的最佳葉頂間隙取值范圍和透平膨脹機(jī)運(yùn)行工況區(qū)間。

從追趕到領(lǐng)先

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所副所長(zhǎng)陳海生研究員告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是一種源于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在用電低谷，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲(chǔ)起來(lái);在用電高峰，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅(qū)動(dòng)透平做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

然而，陳海生介紹，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)存在依賴儲(chǔ)氣洞穴、依賴化石燃料以及系統(tǒng)效率較低等瓶頸問(wèn)題。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所高級(jí)工程師紀(jì)律告訴記者，工程熱物理所通過(guò)十余年的努力，突破了1~10MW壓縮空氣儲(chǔ)能各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，于2013年在廊坊建成國(guó)際首套1.5MW新型壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，于2016年在貴州畢節(jié)建成國(guó)際首套也是目前唯一一套10MW新型壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，效率達(dá)60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

據(jù)了解，新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)主要有以下三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步：首先，由于氣體壓縮過(guò)程會(huì)產(chǎn)生壓縮熱，通過(guò)蓄熱技術(shù)回收這部分熱量再利用，不必燃燒化石燃料提供熱量;其次，可以采用壓縮空氣液化儲(chǔ)存或高壓氣態(tài)儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中，擺脫對(duì)儲(chǔ)氣洞穴的依賴;此外，通過(guò)高效的壓縮、膨脹、超臨界蓄熱及換熱，系統(tǒng)集成優(yōu)化，整體提高系統(tǒng)效率。

“透平膨脹機(jī)是系統(tǒng)核心的做功發(fā)電裝置，其效率及運(yùn)行特性對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況具有決定性影響。”中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所助理研究員王星博士說(shuō)。

據(jù)研究人員介紹，他們此次的研究是為了滿足壓縮空氣儲(chǔ)能在我國(guó)西部地區(qū)的應(yīng)用需求，針對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的特點(diǎn)，而對(duì)透平膨脹機(jī)做出優(yōu)化分析。雖然我國(guó)西部地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，適合應(yīng)用壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，然而當(dāng)?shù)乜諝夥蹓m含量較高，對(duì)透平膨脹機(jī)內(nèi)“高流速、高轉(zhuǎn)速”特征的核心部件具有潛在的危害。

王星等研究人員發(fā)現(xiàn)，增大渦輪葉片和殼體之間的葉頂間隙可以減少磨損，然而增加葉頂間隙會(huì)增加流動(dòng)損失。同時(shí)，透平膨脹機(jī)內(nèi)部流動(dòng)三維特征明顯，使粉塵運(yùn)動(dòng)特征復(fù)雜，需要對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行研究和組織，實(shí)現(xiàn)對(duì)部件抗磨損性能的主動(dòng)優(yōu)化。為此，研究人員通過(guò)耦合納維—斯托克斯方程和Tabakoff & Grant磨損量半經(jīng)驗(yàn)公式，建立了透平膨脹機(jī)“氣—固”多相流三維數(shù)值模型，通過(guò)求解模型獲得了各部件磨損量的分布特征。結(jié)果顯示，透平膨脹機(jī)導(dǎo)葉尾緣、動(dòng)葉前緣及二者間的輪轂、機(jī)匣等部位磨損較嚴(yán)重，建議增強(qiáng)進(jìn)口過(guò)濾，施加防磨涂層等，優(yōu)化葉片的抗磨損性能。

紀(jì)律說(shuō)，通過(guò)大量的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)突破，工程熱物理所完成了1~10MW新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)，創(chuàng)造了“國(guó)際首套、規(guī)模最大、效率最高、專利和論文數(shù)量最多”等多個(gè)世界第一。

從2005年開(kāi)始基礎(chǔ)研究，到2009年關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，到2016年10MW技術(shù)工程示范，用了約10年時(shí)間，我國(guó)的新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)完成了從追趕到領(lǐng)先的跨越。

2017年，工程熱物理所開(kāi)始研發(fā)100MW級(jí)新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，預(yù)計(jì)2020年完成樣機(jī)研制，額定效率將達(dá)到70%左右。示范項(xiàng)目建成后，將成為國(guó)際上規(guī)模最大、效率最高的新型壓縮空氣儲(chǔ)能電站，有效促進(jìn)我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

一個(gè)萬(wàn)億價(jià)值鏈

那么，為什么要建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)呢?又為什么要發(fā)展壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)呢?

陳海生告訴記者，現(xiàn)行的電力系統(tǒng)由原材料、發(fā)電、輸電、配電和用電這五大價(jià)值鏈組成。“用消費(fèi)品零售業(yè)來(lái)做類比的話，就好比原料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、分配和消費(fèi)都有了，唯獨(dú)沒(méi)有倉(cāng)儲(chǔ)這個(gè)環(huán)節(jié)。”

陳海生介紹，電力系統(tǒng)用戶端每日的用電負(fù)荷是波動(dòng)變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當(dāng)前的發(fā)電裝機(jī)容量與電網(wǎng)容量需要按最大需求建設(shè)，發(fā)電端根據(jù)用電端的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行匹配。在用電低谷時(shí)，發(fā)電機(jī)組停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行，這導(dǎo)致發(fā)電裝機(jī)容量和電網(wǎng)容量的利用率低。

不僅如此，這種現(xiàn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡存在風(fēng)險(xiǎn)，比如近年來(lái)在印度、韓國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等地都發(fā)生了大面積停電事故。增加儲(chǔ)能系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供緩沖，不失為有效的解決方案之一。

據(jù)陳海生介紹，截至2018年底，我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)為31.2GW，約占全國(guó)電力總裝機(jī)的1.6%，低于世界2.7%的平均水平。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年，我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)將達(dá)到200GW以上，占電力總裝機(jī)的比例將提高至10%~15%，可以催生一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的產(chǎn)業(yè)。

能源革命的支撐技術(shù)

除了解決上述傳統(tǒng)能源的用電負(fù)荷波動(dòng)的問(wèn)題，儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于可再生能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展也有重要的支撐作用。

陳海生說(shuō)，儲(chǔ)能技術(shù)可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲(chǔ)存起來(lái)，再按照需求平穩(wěn)、可控地釋放，具有平滑波動(dòng)、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能，可促進(jìn)可再生能源電力大規(guī)模并網(wǎng)，有效解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。

分布式能源系統(tǒng)是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一?？墒牵植际侥茉聪到y(tǒng)相較于大電網(wǎng)，具有負(fù)荷波動(dòng)大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等問(wèn)題。

陳海生表示，儲(chǔ)能技術(shù)可作為負(fù)荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問(wèn)題，提高分布式能源系統(tǒng)供電的可靠性、穩(wěn)定性。

因此，儲(chǔ)能技術(shù)被稱為“能源革命的支撐技術(shù)”。

有了壓縮空氣儲(chǔ)能充當(dāng)穩(wěn)壓器，可以將可再生能源、分布式能源產(chǎn)生的急劇波動(dòng)的低質(zhì)量電能“變廢為寶”“點(diǎn)石成金”，從而促進(jìn)可再生能源、分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，社會(huì)效益巨大。

壓縮空氣儲(chǔ)能的未來(lái)發(fā)展

陳海生告訴記者，目前壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要聚焦性能、示范和電價(jià)機(jī)制三個(gè)方面。

首先是要繼續(xù)提高該技術(shù)的性能，降低成本。大規(guī)模化是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。

其次是多做示范。目前新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少、規(guī)模小，不能滿足技術(shù)發(fā)展的示范需求，因此迫切需要政府、企業(yè)、科研院所加大支持和投入力度，多建示范項(xiàng)目，推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

最后是要建立合理的電價(jià)機(jī)制。目前，其他大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)尚未享受到和抽水蓄能同樣的兩部制電價(jià)機(jī)制。“因此，如能進(jìn)一步全面體現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，形成合理的電價(jià)機(jī)制，將有效地激勵(lì)壓縮空氣儲(chǔ)能等各項(xiàng)新型儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。”陳海生說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.04.139