電能轉(zhuǎn)換全過程無燃燒、無排放 用廢棄鹽穴打造綠色“充電寶”

金壇壓縮空氣儲能國家試驗示范項目主體工程一角

受訪者供圖

依托清華大學非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)，金壇壓縮空氣儲能項目申請專利百余項，建立了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系;研發(fā)了高負荷離心壓縮機、高參數(shù)換熱器、大型空氣透平等關(guān)鍵設(shè)備，實現(xiàn)了主裝備的完全國產(chǎn)化。

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(qū)動世界最大的空氣透平做功，向國家電網(wǎng)發(fā)出我國首個大型壓縮空氣儲能電站的第一度電。這標志著世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站——金壇壓縮空氣儲能國家試驗示范項目(以下簡稱金壇壓縮空氣儲能項目)并網(wǎng)試驗成功，我國新型儲能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得了重大進展。

該電站是壓縮空氣儲能領(lǐng)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(fā)電裝機60兆瓦，儲能容量300兆瓦時，遠期建設(shè)規(guī)模1000兆瓦。

非補燃意味著什么?這種儲能發(fā)電方式投運將會為電網(wǎng)安全和發(fā)展清潔能源帶來哪些改變?

地下鹽穴成了天然儲氣罐

近年來，隨著對光伏和海上風電的大規(guī)模開發(fā)，我國新能源發(fā)電裝機容量迅猛增加。以江蘇為例，截至2020年底，新能源發(fā)電裝機容量已突破4000萬千瓦，占全省發(fā)電裝機總?cè)萘康?2.8%。新能源“看天吃飯”的特性使得電網(wǎng)易出現(xiàn)較大峰谷差，因而電網(wǎng)面臨巨大的新能源消納和電力供需平衡壓力。因此，建設(shè)大規(guī)模儲能發(fā)電設(shè)施，就成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實現(xiàn)碳達峰、碳中和的迫切需求。

國家電網(wǎng)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(xiàn)電能大規(guī)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(fā)殆盡。相比之下，鹽穴儲能因壽命長、成本低、安全環(huán)保、占地面積小，就成為了發(fā)展大規(guī)模儲能的重要方向。

鹽穴儲能是通過鹽穴壓縮空氣儲能技術(shù)實現(xiàn)的，該技術(shù)是用電網(wǎng)過剩或非峰值電能將空氣壓縮至高壓狀態(tài)，并儲存至地下鹽穴;在高峰用電時，再將壓縮空氣加以釋放做功發(fā)電。

鹽穴，即鹽礦開采后留下的礦洞，是儲存高壓空氣的理想場所。江蘇常州金壇西北部的丘陵地帶地下1000多米的深處，有一個巨大的鹽礦。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，相當于兩個半太湖水的重量。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(jié)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(jīng)理王國華介紹，他們通過造腔和注采技術(shù)控制，讓這些分布在地下1000米深處的鹽穴呈現(xiàn)不同的形態(tài)，有的似鐘、有的像梨，這些鹽穴是天然的儲氣罐。

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(shè)發(fā)電裝機超過4000兆瓦的壓縮空氣儲能電站。

非補燃技術(shù)可實現(xiàn)零碳排放

壓縮空氣儲能并非新技術(shù)，但數(shù)十年來，相關(guān)工程基本處于停滯不前的狀態(tài)。壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以分為補燃式和非補燃式兩類。

“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(tǒng)運行過程中需要消耗化石燃料，其電能轉(zhuǎn)換效率較低。”金壇壓縮空氣儲能項目總工程師、清華大學電機系教師薛小代告訴科技日報記者，這樣的運行方式既不經(jīng)濟也不環(huán)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(shù)路線。經(jīng)過數(shù)年的研發(fā)、小規(guī)模試驗，全套技術(shù)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(shè)一套商業(yè)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金壇壓縮空氣儲能項目。

清華大學盧強院士介紹說，與國外壓縮空氣儲能電站相比，該項目最大的創(chuàng)新點是在世界上首次采用了非補燃技術(shù)，在壓縮空氣發(fā)電過程中不依賴外界能源，從而實現(xiàn)零碳排放。

在夜晚電力較為富余時，金壇壓縮空氣儲能項目會利用多級壓縮機，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(zhuǎn)換。壓縮空氣過程中會產(chǎn)生大量的熱能，溫度可達300攝氏度，在國外的壓縮空氣儲能電站，這些熱能被白白浪費，而我國采取的辦法是通過熱交換設(shè)備將熱能儲存在幾個巨大的儲熱裝置中，實現(xiàn)能量的存儲轉(zhuǎn)化。

到了白天電力需求較大時，壓縮空氣被釋放出來，經(jīng)儲熱裝置中的熱能加熱后，成為了數(shù)百攝氏度的高溫高壓氣，進入空氣透平發(fā)電，完成了空氣壓力勢能到電能的轉(zhuǎn)換。

多了熱交換，少了燃氣加熱，一進一出后，金壇壓縮空氣儲能項目工程的電能轉(zhuǎn)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(wǎng)試驗成功驗證了鹽穴儲氣系統(tǒng)、儲熱換熱系統(tǒng)、新型空氣透平發(fā)電系統(tǒng)所有首臺套設(shè)備的研制成果，為非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，是壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要里程碑，將為我國壓縮空氣儲能乃至能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供強有力支撐。

“中國創(chuàng)造”與“中國制造”齊頭并進

實現(xiàn)鹽穴壓縮空氣儲能發(fā)電，理論推導看似簡單，但是將原理圖轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用卻并非易事，每一步都凝結(jié)著設(shè)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(guān)鍵設(shè)備基本空白。”梅生偉告訴記者，由于在國內(nèi)無法找到現(xiàn)成的大流量壓縮機、大功率換華(熱交換設(shè)備)、透平膨脹機等關(guān)鍵設(shè)備，他們只能帶著相關(guān)廠家技術(shù)人員在現(xiàn)場研究開發(fā)。作為世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站，該項目所有主設(shè)備均為國產(chǎn)首臺套。

金壇壓縮空氣儲能項目承擔方充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，中鹽集團利用先進的造腔和注采技術(shù)，承擔地下儲氣庫建設(shè);中國華能集團發(fā)揮電力專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，承擔項目的建設(shè)和運維。同時，項目建設(shè)還集結(jié)了我國能源行業(yè)的“國家隊”，國家電網(wǎng)、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(shè)。

在“中國創(chuàng)造”實踐方面，依托清華大學非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)，金壇壓縮空氣儲能項目申請專利百余項，建立了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系;研發(fā)了高負荷離心壓縮機、高參數(shù)換熱器、大型空氣透平等關(guān)鍵設(shè)備，實現(xiàn)了主裝備的完全國產(chǎn)化。在“中國標準”創(chuàng)建方面，該項目發(fā)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(yè)標準，以及3個團體標準，逐漸構(gòu)建了中國壓縮空氣儲能標準體系。

張雄偉介紹，為幫助這一項目盡早并網(wǎng)發(fā)電，國家電網(wǎng)常州供電公司于2020年10月啟動了進線工程建設(shè)，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(jù)測算，金壇壓縮空氣儲能項目投運后，全年可節(jié)約標準煤3萬噸，減少二氧化碳排放6.08萬噸。