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压缩空气储能:技术动态与发展趋势
作者: 来源: 发布时间:2024-04-12 15:05:13 阅读次数:949

一、压缩空气储能:市场动态与发展趋势


2023年12月27日,国家能源局综合司发布《关于公示新型储能试点示范项目的通知》, “山东省肥城市300MW/1800MWh压缩空气储能示范项目”等12个压缩空气储能项目被列为新型储能试点示范项目。压缩空气储能的项目数量仅低于锂电池的17个,位居第二,这显示了压缩空气储能技术在我国能源战略中的重要位置,更展示了压缩空气储能技术的实际效能和在推动能源结构优化和促进可持续发展方面的关键作用。

本文深入探讨了压缩空气储能技术(CAES)的市场动态与发展趋势。CAES技术作为一种高效的能量存储解决方案,正逐步提升其性能并降低成本,以适应多变的工作条件和提高能源利用效率。此外,技术发展在热管理方面取得了显著进展,通过减少对外部热源和化石燃料的依赖,以及改进热回收机制,增强了系统的整体效率。国内研究特别注重发展非补燃技术,以尽可能地利用压缩过程中产生的热量。此外,研究也在寻求提高储能密度的新途径,例如开发超临界压缩空气储能技术,并考虑更多地利用盐穴资源。



二、什么是压缩空气储能?


压缩空气储能(CASE: Compressed Air Energy Storage)是一种在燃气轮机基础上发展起来的物理储能技术,其基本原理是:在储能过程中,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;在释能过程中,储气装置中的空气膨胀推动透平发电机发电。主要包含以下系统:

图1:压缩空气结构示意图

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(图片来源:大容量压缩空气储能关键技术)





压缩空气储能系统的关键性能主要由其三个主要组成部分决定:空气压缩子系统、储热子系统、膨胀发电子系统,这三个部分对系统性能起决定性影响。


压缩空气储能技术路线


压缩空气储能有多种技术路线,按照是否利用压缩热分为非绝热式、绝热式和等温式;按照工作介质存储状态分为气态、液态和超临界态;按照是否需要热源分为补燃式和非补燃式。根据储气方式,压缩空气储能可以分为地面储能、地下储能和水下储能3种建设模式。地面储能是以金属材料压力容器或其他材料储气仓作为储气装置;地下储能是以矿洞、盐穴、含水层、枯竭油气藏或人工硐室等作为储气装置;水下储能是以海底或湖底的人造球、储气罐等作为储气装置。


表1:压缩空气储能技术路线分类

(数据来源:《压缩空气储能技术经济特点和发展方向探析》、《大容量压缩空气储能关键技术》,《一种超临界压缩空气储能系统的热力学分析》、《水下压缩空气储能研究进展》、中国能源网)


压缩空气储能技术聚焦于提升系统性能和降低成本,特别是在压缩与膨胀的关键环节进行优化,以适应各种工作条件,从而提升整体效率。这一方向的显著成就包括2023年8月中国推出的首个300兆瓦级先进压缩空气储能膨胀机,该技术预计能将系统成本降低20%至30%,并将效率提高3%至5%。


在热管理领域,技术进步致力于减少对外部热源和化石燃料的依赖,通过改进的热回收系统减少热量散失,进而增强系统效率。国内研发特别重视非补燃技术的发展,以实现压缩过程中产生热量的最大化回收。


此外,研究还在不断探索提升系统储能密度的方法,如超临界压缩空气储能技术的开发。在储气方面,计划更多地利用盐穴资源,并开发大型高压储气罐,为压缩空气储能技术的广泛应用创造条件。


图2:300兆瓦级先进压缩空气储能系统多级高负荷膨胀机

(图片来源:中国能源新闻网)


三、压缩空气储能的优势与应用



高潜力长时储能技术路线


随着新型电力系统中风电、光伏等新能源装机及发电量电量占比不断提高,电力系统对能提供持久稳定电力支持的储能技术的需求也在增加。在此背景下,压缩空气储能作为一种长时储能技术路线,具有储能容量大、建设周期短、运行寿命长、安全环保等优点,成为和抽水蓄能媲美的大规模储能技术。与传统抽水蓄能相比,压缩空气储能的建设速度更快,选址更为灵活,并且对生态环境的影响更小。它能够使用储气罐作为储能介质,减少了对特定地理条件的依赖。此外,压缩空气储能技术在海洋等高腐蚀性环境中也能保持稳定运行,得益于水的静压特性,可以实现压缩空气的稳定存储。因此,水下压缩空气储能技术因其高效和适应性强,被视为海上风电集成和储能方案中的优秀选择。


压缩空气储能:应对电力系统“双高”挑战的解决方案

此外,压缩空气储能技术之所以受到储能领域的广泛关注,另一个原因是它能够有效地适应电力系统的特点和需求。随着新能源发电在电力系统中所占比例的持续上升,电力系统呈现出“双高”特征,即高比例接入的可再生能源和电力电子设备。这一现象导致了电力系统的发电和用电平衡问题,即高比例接入的可再生能源导致发用电不平衡的问题,同时高比例接入的电力电子设备使得传统的同步电网结构受到冲击,出现了低惯量、低阻尼和电压支撑能力减弱等问题,这些问题削弱了电力系统对扰动的抵抗能力,降低了系统的稳定性和恢复力,增加了电压波动的风险,甚至可能导致电网崩溃,成为新能源发展面临的主要障碍。


图3:电力系统安全稳定运行面临风险示意图