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压缩空气储能技术原理及应用案例介绍

作者:中国储能电站网 来源:交能网 时间:2019-06-12 浏览:

压缩空气储能技术原理及特点

压缩空气储能技术(compressed air energy storage),简称CAES,是一种利用压缩空气来储能的技术。目前,压缩空气储能技术,是继抽水蓄能之后,第二大被认为适合GW级大规模电力储能的技术。

其工作原理是,在用电低谷时段,利用电能将空气压缩至高压并存于洞穴或压力容器中,使电能转化为空气的内能存储起来;在用电高峰时段,将高压空气从储气室释放,进入燃烧室燃烧利用燃料燃烧加热升温后,驱动涡轮机发电。其原理图如下:

一套完整的压缩空气系统五大关键设备组成:由压缩机、冷却器、压力容器、回热器、涡轮机以及发电机。各部件作用如下,

压缩机:将空气压缩,将电能转化为空气内能,空气压力可达70-100 bar,温度可达 1000 ° C;

冷却器:热交换设备,用于存入压力容器前的冷却,防止空气在压力容器或洞穴中压力减少

压力容器:存储冷却后的空气,若采用洞穴存储,则需要满足耐压程度较高、密封性较好的地质条件

回热器:热交换设备或燃烧室,将空气温度提高至1000℃左右,使涡轮机持续长时间稳定运行,以便于提高涡轮机效率。

涡轮机:空气通过涡轮机降压,内能转化为动能。

发电机:多为同步发电机,将动能转化为电能

目前压缩空气系统存在着诸多问题,其中最重要的是其与抽水蓄能一样太受地理条件约束,建造压缩空气系统,需要特殊的地理条件来作为大型储气室,如高气密性的岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等,这一限制是影响这项技术推广的重要因素之一。此外传统的空气压缩系统,系统效率仅为40%-55%,相比抽水蓄能的80%,效率较低。

由其原理,可以知道,压缩空气储能很大一部分能量,在压缩空气过程中转化为热能,没有得到有效利用,这是导致这项技术效率低下的重要原因。要想提高压缩空气系统效率,可以将压缩过程中产生的热量通过储热器存储起来,待发电过程中用这部分热量预热压缩空气,可以达到回收热量的目的,这一改进技术,称为绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)。目前这一系统仍未有实际示范项目投入运行,该系统面临的最大挑战如何保证储热器的储热时常以及如何能做到更经济合理的系统设计。

压缩空气储能技术优缺点

随着储能需求的不断增长,压缩空气储能作为储能量级唯一可与抽水蓄能相媲美的大规模储能,技术正越来越受到青睐。其优点如下:

• 快速启动时间(<15分钟)

• 能量密度和功率密度较高

• 具备黑启动能力

• 日常运营成本低

• 地球表面的地下储存空间小

• 设备的使用寿命长,损耗低

•  压缩空气自放电率低

•  对于绝热压缩空气其系统效率较高(70-75%),且不需要借助传统化石能源加热压缩空气,能够真正做到碳中和。

压缩空气储能技术具有调频(二次和三次调频),电压调节,峰值负载调节,负载平衡,静止储备,黑启动能力,未来应用空间十分广大,且该项技术良好的区域相关性,在我国三北地区有巨大发展潜力,同时可用于海上风电储能(北海盐洞)。

然而,压缩空气储能但同时也受各方面因素约束,如:

•  投资成本高,投资回报长(投资回报> 25年)

•  建成系统,必须满足某些地质条件(压力密封洞穴),且盐洞成较高

•  对于绝热系统,蓄热器自放电率高

•  对于非绝热系统效率又比较低(<55%)

而且这项技术经验不足,目前仅运行两个(较旧的)非绝热压缩空气储能项目; 绝热系统目前还没有示范项目投入运行。考虑到地理因素,洞穴开挖也会对环境造成一定的影响,且洞穴的合适位置数量有限,通常洞穴用作天然气或石油储存,更具有经济效益。最后,分散存储系统的竞争日益激烈,在小规模储能容量下,这项技术的竞争力暂时不足以与其他技术相媲美。

压缩空气储能案例

德国Huntorf压缩空气电站

来源:E.ON KraftwerkeGmbH

Huntorf是德国1978年投入商业运行的电站,目前仍在运行中,是世界上最大容量的压缩空气储能电站。其示意图如下:

机组的压缩机功率60MW,释能输出功率为290MW,最长额定输出时间为2小时。系统将压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中,矿洞总容积达3.1×105m³,压缩空气的压力最高可达10MPa。机组可连续充气8h,连续发电2h。该电站在1979年至1991年期间共启动并网5000多次,平均启动可靠性97.6%。电站采用天然气补燃方案,实际运行效率约为42%,扣除补燃后的实际效率为19%。

德国Huntorf压缩空气电站参数

美国McIntosh压缩空气电站

来源:http://www.escn.com.cn/news/145-3.html

美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站1991年投入商业运行,是世界上第二座投入运营的商业压缩空气储能电站。该系统压缩机组功率为50MW,发电功率为110MW。储气洞穴在地下450m,总容积为5.6×105m³,压缩空气储气压力为7.5MPa。可以实现连续41h空气压缩和26h发电,机组从启动到满负荷约需9min。该电站由Alabama州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。与Huntorf类似的是,仍然采用天然气补燃,实际运行效率约为54%,扣除补燃后的实际效率20%。

美国McIntosh压缩空气电站参数

参考资料:

[1] Technologischer Überblick zurSpeicherung von Elektrizität-ISEA RWTH Aachen

[2] Stromspeicherpotenziale für Deutschland-Universität Stuttgart

[3] 细说储能:压缩空, 赵乾乾  http://www.escn.com.cn/news/show-411677.html

[4] 压缩空气储能技术研发现状及应用前景, 高科技与产业化http://www.cnenergynews.cn/xny_183/cn/201807/t20180716_661013.html

[5] 压缩空气储能应用现状及发展趋势, 余耀孙华许俊斌曹晨霞林尧,中国压缩机网http://www.compressor.cn/ 

关键字:压缩空气储能

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