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依托清华大学非补燃压缩空气储能技术,金坛压缩空气储能项目申请专利百余项,建立了具有完全自主知识产权的技术体系;研发了高负荷离心压缩机、高参数换热器、大型空气透平等关键设备,实现了主装备的完全国产化。

  近日,压力超过100个大气压的空气从地下千米深处的盐穴奔涌而出,驱动世界最大的空气透平做功,向国家电网发出我国首个大型压缩空气储能电站的第一度电。这标志着世界首个非补燃压缩空气储能电站——金坛压缩空气储能国家试验示范项目(以下简称金坛压缩空气储能项目)并网试验成功,我国新型储能技术的研发和应用取得了重大进展。

  该电站是压缩空气储能领域唯一国家示范项目,也是国家能源局和江苏省重点推进项目,一期工程发电装机60兆瓦,储能容量300兆瓦时,远期建设规模1000兆瓦。

  非补燃意味着什么?这种储能发电方式投运将会为电网安全和发展清洁能源带来哪些改变?

  地下盐穴成了天然储气罐

  近年来,随着对光伏和海上风电的大规模开发,我国新能源发电装机容量迅猛增加。以江苏为例,截至2020年底,新能源发电装机容量已突破4000万千瓦,占全省发电装机总容量的22.8%。新能源“看天吃饭”的特性使得电网易出现较大峰谷差,因而电网面临巨大的新能源消纳和电力供需平衡压力。因此,建设大规模储能发电设施,就成为构建新型电力系统,实现碳达峰、碳中和的迫切需求。

  国家电网常州供电公司项目管理中心副主任张雄伟介绍,抽水蓄能是实现电能大规模储存和“削峰填谷”较普遍的解决方案,但目前江苏省抽水蓄能资源几乎已开发殆尽。相比之下,盐穴储能因寿命长、成本低、安全环保、占地面积小,就成为了发展大规模储能的重要方向。

  盐穴储能是通过盐穴压缩空气储能技术实现的,该技术是用电网过剩或非峰值电能将空气压缩至高压状态,并储存至地下盐穴;在高峰用电时,再将压缩空气加以释放做功发电。

  盐穴,即盐矿开采后留下的矿洞,是储存高压空气的理想场所。江苏常州金坛西北部的丘陵地带地下1000多米的深处,有一个巨大的盐矿。金坛探明的地下盐矿面积为66.5平方公里,总储量达125亿多吨,相当于两个半太湖水的重量。开采地下盐矿通常是将水注入盐层,待盐溶解后再抽出卤水,盐矿开采结束后形成了一个个地下盐穴。中盐华能储能科技有限公司副总经理王国华介绍,他们通过造腔和注采技术控制,让这些分布在地下1000米深处的盐穴呈现不同的形态,有的似钟、有的像梨,这些盐穴是天然的储气罐。

  目前,金坛拥有地下盐穴储气库约1000万立方米,理论上可以建设发电装机超过4000兆瓦的压缩空气储能电站。

  非补燃技术可实现零碳排放

  压缩空气储能并非新技术,但数十年来,相关工程基本处于停滞不前的状态。压缩空气储能系统可以分为补燃式和非补燃式两类。

  “目前,国际上投入商运的2套压缩空气储能电站均为补燃式,系统运行过程中需要消耗化石燃料,其电能转换效率较低。”金坛压缩空气储能项目总工程师、清华大学电机系教师薛小代告诉科技日报记者,这样的运行方式既不经济也不环保。

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  如何寻找突破口?

  2011年,清华大学卢强、梅生伟团队开始探索非补燃式技术路线。经过数年的研发、小规模试验,全套技术方案逐渐成熟起来,科研人员不满足于“制作盆景”,他们渴望建设一套商业化运行的大型压缩空气储能电站。2017年,国家能源局批准中盐集团、中国华能集团与清华大学共同实施金坛压缩空气储能项目。

  清华大学卢强院士介绍说,与国外压缩空气储能电站相比,该项目最大的创新点是在世界上首次采用了非补燃技术,在压缩空气发电过程中不依赖外界能源,从而实现零碳排放。

  在夜晚电力较为富余时,金坛压缩空气储能项目会利用多级压缩机,将空气压缩注入地下盐穴,气压达到12—14兆帕,完成了电能到空气压力势能的转换。压缩空气过程中会产生大量的热能,温度可达300摄氏度,在国外的压缩空气储能电站,这些热能被白白浪费,而我国采取的办法是通过热交换设备将热能储存在几个巨大的储热装置中,实现能量的存储转化。

  到了白天电力需求较大时,压缩空气被释放出来,经储热装置中的热能加热后,成为了数百摄氏度的高温高压气,进入空气透平发电,完成了空气压力势能到电能的转换。

  多了热交换,少了燃气加热,一进一出后,金坛压缩空气储能项目工程的电能转换效率提升至60%以上,并且全过程无燃烧、无排放。

  该项目首席科学家,青海大学副校长、清华大学教授梅生伟介绍,此次并网试验成功验证了盐穴储气系统、储热换热系统、新型空气透平发电系统所有首台套设备的研制成果,为非补燃压缩空气储能技术的商业化应用奠定了基础,是压缩空气储能技术研发和应用的重要里程碑,将为我国压缩空气储能乃至能源产业的可持续发展提供强有力支撑。

  “中国创造”与“中国制造”齐头并进

  实现盐穴压缩空气储能发电,理论推导看似简单,但是将原理图转化为工程应用却并非易事,每一步都凝结着设计团队的缜密思考和辛勤付出。

  “我们遇到最大的障碍就是关键设备基本空白。”梅生伟告诉记者,由于在国内无法找到现成的大流量压缩机、大功率换华(热交换设备)、透平膨胀机等关键设备,他们只能带着相关厂家技术人员在现场研究开发。作为世界首个非补燃压缩空气储能电站,该项目所有主设备均为国产首台套。

  金坛压缩空气储能项目承担方充分发挥各自优势,中盐集团利用先进的造腔和注采技术,承担地下储气库建设;中国华能集团发挥电力专业技术优势,承担项目的建设和运维。同时,项目建设还集结了我国能源行业的“国家队”,国家电网、东方电气、哈尔滨电气、上海电气、中国能建、中国电建、中国石油、中国石化、沈鼓集团和浙建集团均参与了项目建设。

  在“中国创造”实践方面,依托清华大学非补燃压缩空气储能技术,金坛压缩空气储能项目申请专利百余项,建立了具有完全自主知识产权的技术体系;研发了高负荷离心压缩机、高参数换热器、大型空气透平等关键设备,实现了主装备的完全国产化。在“中国标准”创建方面,该项目发布了我国首个压缩空气储能电站KKS编码标准,立项压缩空气储能首个国家标准、首个电力行业标准,以及3个团体标准,逐渐构建了中国压缩空气储能标准体系。

  张雄伟介绍,为帮助这一项目尽早并网发电,国家电网常州供电公司于2020年10月启动了进线工程建设,为这一储能电站单独新建了一条近8公里的110千伏线路,对附近变电站进行了扩建。据测算,金坛压缩空气储能项目投运后,全年可节约标准煤3万吨,减少二氧化碳排放6.08万吨。(记者 张晔)

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