世界首個“非補燃”壓縮空氣儲能電站投產(chǎn)
藏在地下的“空氣充電寶”
能否想到，我們身邊無處不在的空氣，既可儲能，也可發(fā)電?
在江蘇常州，就有這樣一座利用空氣來儲能、發(fā)電的電站——金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站。近日，該電站正式投產(chǎn)。這是世界首個“非補燃”壓縮空氣儲能電站，也是國內(nèi)首次利用鹽穴資源的發(fā)電項目。因容納壓縮空氣的“容器”——鹽穴位于地下近千米處，又被稱為藏在地下的“空氣充電寶”。
作為空氣儲能領(lǐng)域的國家試驗示范項目，它的成功投產(chǎn)，標志著我國壓縮空氣儲能技術(shù)實現(xiàn)從理論實驗到工程應(yīng)用質(zhì)的飛躍，堪稱我國新型儲能技術(shù)發(fā)展的里程碑。中國科學(xué)院院士盧強表示，鹽穴“非補燃”壓縮空氣儲能技術(shù)是實現(xiàn)新能源大規(guī)模消納、建設(shè)新型電力系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)之一，對促進我國能源結(jié)構(gòu)升級和保障能源電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有十分重大的意義。
那么，這個藏在地下的“空氣充電寶”到底能存多少電，是如何充電、放電的?“非補燃”又是如何實現(xiàn)的?記者近日采訪了該項目有關(guān)負責(zé)同志。
安全環(huán)保儲能新方式
用電低谷壓縮空氣儲能，高峰釋放發(fā)電
6月24日9時57分，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站集控室內(nèi)，電話鈴聲響起。正在當班的值長鄧建軍收到國網(wǎng)江蘇電力公司調(diào)度處指令，要求電站1號機組于“10時17分準時并網(wǎng)調(diào)峰”。
一時間，集控室內(nèi)相關(guān)工作人員忙碌起來。
啟動暖管操作，給換熱器預(yù)熱;打開儲氣鹽穴井口的控制閥，壓力接近140個大氣壓的空氣從地下千米深處的鹽穴奔涌而出，驅(qū)動空氣透平膨脹機沖轉(zhuǎn)……10時17分，發(fā)電機組準時并入塢家變電站電網(wǎng)開始發(fā)電。
10余分鐘后，發(fā)電機組達到滿負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
……
下午3時，發(fā)電機組解列。此輪次發(fā)電作業(yè)完成。
在用電低谷時，利用低谷電或可再生能源棄電把空氣壓縮，存儲在地下鹽穴;在用電高峰時，釋放高壓空氣，帶動發(fā)電機組發(fā)電，保障用電需求。改變傳統(tǒng)電力“即發(fā)即用”現(xiàn)狀，削峰填谷，確保谷電不浪費、峰電有加持，正是金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站作為“充電寶”的功能所在。
近年來，隨著風(fēng)、光等新能源的大規(guī)模開發(fā)，我國清潔能源裝機容量迅猛增加。據(jù)國家能源局最新消息，截至今年5月底，我國可再生能源發(fā)電總裝機達到11億千瓦。其中，常規(guī)水電3.6億千瓦、抽水蓄能0.4億千瓦，風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等新能源發(fā)電裝機突破7億千瓦。
但是，風(fēng)、光等新能源發(fā)電需要“看天吃飯”，受環(huán)境影響很大。以風(fēng)電為例，風(fēng)大時發(fā)電就多，風(fēng)小時發(fā)電就少。夜晚用電負荷較小時，有可能發(fā)電量大，造成很多發(fā)出來的電無法上網(wǎng);相反，白天用電高峰期，可能發(fā)電量反而會少，導(dǎo)致電不夠用。這對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來隱患。
在這樣的大背景下，建設(shè)大規(guī)模儲能設(shè)施顯得尤為迫切。
目前已有的儲能技術(shù)大致可以分為兩大類：一類是物理儲能，比如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等;另一類是化學(xué)儲能，主要包括各種電池，如鉛酸電池、鋰電池等。
記者了解到，不同的儲能技術(shù)各有優(yōu)劣。抽水蓄能發(fā)電效率高、規(guī)模大，但需要豐富的水資源，受地理環(huán)境的影響很大;飛輪儲能技術(shù)適用于軌道交通等小規(guī)模儲能;而電池儲能雖然能量轉(zhuǎn)換速度快，但是壽命有限、成本較高，還有后續(xù)處理問題。
“當前應(yīng)用最成熟的是抽水蓄能技術(shù)。”華能金陵電廠副總經(jīng)理、中鹽華能儲能科技有限公司總經(jīng)理藺通告訴記者，而壓縮空氣儲能可以說是目前唯一能與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲能技術(shù)，“相比之下，壓縮空氣儲能規(guī)模大，又安全環(huán)保、占地面積小，是大規(guī)模儲能領(lǐng)域開發(fā)的新趨勢。”
壓縮空氣儲能是一種新型儲能技術(shù)。今年2月國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中，曾多次提到這一技術(shù)。
江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站項目是我國空氣儲能領(lǐng)域的國家試驗示范項目，由中國華能集團、中鹽集團和清華大學(xué)三方項目團隊共同開發(fā)，中國華能集團江蘇公司負責(zé)建設(shè)、調(diào)試和運維，一期工程發(fā)電裝機60兆瓦，儲能容量30萬千瓦時，預(yù)計年發(fā)電量約1億千瓦時。
“可為江蘇電網(wǎng)提供±6萬千瓦調(diào)峰能力。”藺通告訴記者，對于電網(wǎng)峰谷差較大的江蘇而言，這樣的“充電寶”無疑是一場“及時雨”。
千年鹽穴變身“儲氣罐”
發(fā)電5小時能滿足6萬人一天用電需求
在距離金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站東北方向一公里左右的茅八井，是這個電站的核心部分——鹽穴。
“這是儲存壓縮空氣的地方，就相當于抽水蓄能的水庫。”藺通介紹說，儲氣的裝置有很多，比如壓力容器、管線鋼等，“利用鹽穴資源儲氣發(fā)電，這在國內(nèi)尚屬首次。”
鹽穴，即地下鹽層被開采后留下的礦洞，密封性良好且多數(shù)處于閑置狀態(tài)，適于儲存石油、天然氣等重要戰(zhàn)略物資，也是儲存高壓空氣的理想場所。與新建鋼罐等壓力容器儲存的方式相比，利用鹽穴可顯著降低原材料、用地等方面的成本。
“我國鹽穴資源豐富，目前僅金壇就擁有地下鹽穴資源約1000萬立方米，理論上可以建設(shè)超過4000兆瓦的壓縮空氣儲能電站。這些鹽穴多分布在地下800米到1000米，抗壓能力強。”華能江蘇公司金陵電廠儲能項目部副主任林迎虎告訴記者，但這并不意味著所有的鹽穴都可以作為壓縮空氣儲存裝置，還需要滿足容積適當、地質(zhì)穩(wěn)定、距離合適等條件。
金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站項目所使用的茅八井鹽穴位于地下1000米左右，梨形腔體最大直徑約80米，高度超過100米，容積超過22萬立方米，相當于105個標準泳池。且鹽穴壁光滑，整體形態(tài)比較穩(wěn)定，氣密封測試完全能夠滿足空氣儲能的要求，最高可承受200個標準大氣壓。
不過，鹽穴原本的口徑較小，承擔(dān)不了高流量、高速率的氣流運輸?？蒲腥藛T決定對其進行改造：將原有的一口老井封堵，重新鉆探了兩口大口徑的井。不過由于國內(nèi)是首次鉆探大口徑鹽井，因此困難很多，整個建設(shè)經(jīng)歷了將近兩年時間。
“如果把鹽穴比作一個體積固定的超大號氣球，那么儲能的過程就是吹氣球的過程。”藺通給記者打了個比方。他告訴記者，該項目攻克了世界上參數(shù)最高的離心式壓縮機，這是“吹氣”的關(guān)鍵裝置，通過這一裝置，可將1個標準大氣壓的空氣壓縮為140個標準大氣壓的高壓空氣，存入“氣球”;待用電高峰時，再釋放高壓空氣，驅(qū)動空氣透平膨脹機，讓“風(fēng)車”旋轉(zhuǎn)起來，從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。
“我們一般是晚上11點、12點用電低谷期開始儲能，到第二天早上，一個儲能周期是8個小時。”林迎虎告訴記者，用電高峰期滿負荷發(fā)電，一個小時能發(fā)6萬度電，可以連續(xù)發(fā)5個小時，“也就是30萬度電，相當于6萬居民一天的用電量。”
記者了解到，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站二期項目規(guī)模計劃400兆瓦，三期項目規(guī)模預(yù)計達到1000兆瓦以上。以金壇擁有的鹽穴儲氣庫總量來看，將來儲能能力可達現(xiàn)在的60余倍。
有專家表示，地下鹽穴具有體積大、密閉性好、穩(wěn)定性高的天然優(yōu)勢，可為壓縮空氣儲能提供優(yōu)良的儲氣條件，是壓縮空氣儲能地下儲氣庫的首選。未來，棄礦洞、人工地下儲氣庫等其他地下空間也是地下儲氣庫的可行選項。
世界首次實現(xiàn)壓縮空氣零碳發(fā)電
電能轉(zhuǎn)換效率提升至60%以上，全過程無燃燒、無排放
其實，用鹽穴來儲能發(fā)電雖是國內(nèi)首次，但在世界上早有先例。金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站的特殊之處在于——“非補燃”技術(shù)的運用。
何為“非補燃”技術(shù)?即在壓縮空氣發(fā)電過程中不依賴煤、天然氣等外部能源燃燒。
據(jù)了解，鹽穴的高壓空氣被釋放出來后，需要加熱膨脹以產(chǎn)生更大的推力，維持系統(tǒng)的循環(huán)運行。目前世界上已投運的鹽穴壓縮空氣儲能電站都需要燒煤或天然氣來加熱空氣，這個過程就叫做“補燃”，不可避免地會產(chǎn)生污染物排放。
而金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站，則完全不依賴外界能源，是利用自身的“內(nèi)循環(huán)”，將壓縮空氣過程中產(chǎn)生的大量熱能儲存起來。待發(fā)電時，再將儲存的熱能釋放，成為天然的“助推劑”。儲能、發(fā)電整個過程全部是物理過程，所以沒有任何燃燒、排放。
據(jù)了解，當前國際上投運的鹽穴壓縮空氣儲能系統(tǒng)均為補燃式，去除化石燃料部分，其電能轉(zhuǎn)換效率只有20%左右。也就是說，用100度電來儲能，最終只能發(fā)出20度電。金壇鹽穴壓縮空氣儲能工程采用“非補燃”技術(shù)后，可將電能轉(zhuǎn)換效率提升至60%以上，在世界上首次實現(xiàn)壓縮空氣零碳發(fā)電。
“‘非補燃’技術(shù)在世界上沒有先例，我們攻克了壓縮機等一系列關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計制造和工程化應(yīng)用難題。”藺通說，國內(nèi)外都沒有任何技術(shù)方案可以參考，只能從零開始，一步步摸索。
在電站一側(cè)，7個巨大的罐體十分顯眼，空氣壓縮時產(chǎn)生的熱能就是儲存在這里。兩座大廠房中間，密密麻麻的管道縱橫交錯，實現(xiàn)“非補燃”技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)施——發(fā)夾式換熱器就在其中。
“當時我拿到這個圖紙的時候，感覺震驚。各種錯綜復(fù)雜的管道牽扯到各個專業(yè)，消防水管道、循環(huán)水管道、閉冷水管道以及熱油管道、冷油管道、電纜的電纜溝……形成了一個相當于五六層立交橋的形式，每一個管道的走向、用途、埋深、直徑等都各不相同。”林迎虎回憶起初到項目時的情景，從設(shè)備設(shè)計研發(fā)，到換熱介質(zhì)等卡脖子問題的解決，每一步都仍覺不可思議。
在電站廠房內(nèi)，有一個通體白色的“大家伙”，叫做空氣透平膨脹機。“長9米、高4米、重超160噸，是目前世界上最大的‘非補燃’式空氣透平設(shè)備。”提及此，藺通十分自豪。這一裝置就相當于發(fā)動機，是發(fā)電的“動力源”，“發(fā)電前，空氣透平膨脹機開始暖機升速，隨后存儲在鹽穴中的高壓低溫空氣和儲存在導(dǎo)熱油罐中的熱能被同時釋放，電站便開始發(fā)電了。
從項目萌芽、落地規(guī)劃到初具雛形、正式投產(chǎn)，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站項目團隊嘗盡了酸甜苦辣：近十年的研發(fā)，歷時兩年建設(shè)。
藺通至今仍記得2021年9月30日上午10點，電站發(fā)出第一度電的場景，“集控室內(nèi)，掌聲雷動，經(jīng)久不息。”
如今，已形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“非補燃”壓縮空氣儲能技術(shù)體系，核心設(shè)備實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化，申請專利百余項，發(fā)布了國內(nèi)首個壓縮空氣儲能電站KKS編碼類標準……可以說，項目為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供了技術(shù)支撐和基礎(chǔ)裝備，助力“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)。記者了解到，目前，金壇鹽穴壓縮空氣儲能二期項目建設(shè)工作正在加緊推進。
