依托清華大學(xué)非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能技術(shù)，金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)目申請專利百余項(xiàng)，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(fù)荷離心壓縮機(jī)、高參數(shù)換熱器、大型空氣透平等關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)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(biāo)志著世界首個非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站——金壇壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目（以下簡稱金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)目）并網(wǎng)試驗(yàn)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(jìn)展。
該電站是壓縮空氣儲能領(lǐng)域唯一國家示范項(xiàng)目，也是國家能源局和江蘇省重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目，一期工程發(fā)電裝機(jī)60兆瓦，儲能容量300兆瓦時(shí)，遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)模1000兆瓦。
非補(bǔ)燃意味著什么？這種儲能發(fā)電方式投運(yùn)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(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，我國新能源(4.210, -0.06, -1.41%)發(fā)電裝機(jī)容量迅猛增加。以江蘇為例，截至2020年底，新能源發(fā)電裝機(jī)容量已突破4000萬千瓦，占全省發(fā)電裝機(jī)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的迫切需求。
國家電網(wǎng)常州供電公司項(xiàng)目管理中心副主任張雄偉介紹，抽水蓄能是實(shí)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(shí)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(shí)，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(dá)125億多噸，相當(dāng)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(jī)超過4000兆瓦的壓縮空氣儲能電站。
非補(bǔ)燃技術(shù)可實(shí)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(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩類。
“目前，國際上投入商運(yùn)的2套壓縮空氣儲能電站均為補(bǔ)燃式，系統(tǒng)運(yùn)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(xiàng)目總工程師、清華大學(xué)電機(jī)系教師薛小代告訴科技日報(bào)記者，這樣的運(yùn)行方式既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。
如何尋找突破口？
2011年，清華大學(xué)盧強(qiáng)、梅生偉團(tuán)隊(duì)開始探索非補(bǔ)燃式技術(shù)路線。經(jīng)過數(shù)年的研發(fā)、小規(guī)模試驗(yàn)，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(yùn)行的大型壓縮空氣儲能電站。2017年，國家能源局批準(zhǔn)中鹽集團(tuán)、中國華能集團(tuán)與清華大學(xué)共同實(shí)施金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)目。
清華大學(xué)盧強(qiáng)院士介紹說，與國外壓縮空氣儲能電站相比，該項(xiàng)目最大的創(chuàng)新點(diǎn)是在世界上首次采用了非補(bǔ)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(shí)現(xiàn)零碳排放。
在夜晚電力較為富余時(shí)，金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)目會利用多級壓縮機(jī)，將空氣壓縮注入地下鹽穴，氣壓達(dá)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(dá)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(fèi)，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(shí)現(xiàn)能量的存儲轉(zhuǎn)化。
到了白天電力需求較大時(shí)，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(jìn)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?xì)饧訜?，一進(jìn)一出后，金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)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(xiàng)目首席科學(xué)家，青海大學(xué)副校長、清華大學(xué)教授梅生偉介紹，此次并網(wǎng)試驗(yàn)成功驗(yàn)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(bǔ)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(qiáng)有力支撐。
“中國創(chuàng)造”與“中國制造”齊頭并進(jìn)
實(shí)現(xiàn)鹽穴壓縮空氣儲能發(fā)電，理論推導(dǎo)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(jì)團(tuán)隊(duì)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(jī)、大功率換華（熱交換設(shè)備）、透平膨脹機(jī)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(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，該項(xiàng)目所有主設(shè)備均為國產(chǎn)首臺套。
金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)目承擔(dān)方充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，中鹽集團(tuán)利用先進(jìn)的造腔和注采技術(shù)，承擔(dān)地下儲氣庫建設(shè)；中國華能集團(tuán)發(fā)揮電力專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，承擔(dān)項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)維。同時(shí)，項(xiàng)目建設(shè)還集結(jié)了我國能源行業(yè)的“國家隊(duì)”，國家電網(wǎng)、東方電氣(17.180, -0.58, -3.27%)、哈爾濱電氣、上海電氣(4.760, -0.09, -1.86%)、中國能建(2.140, -0.05, -2.28%)、中國電建(6.640, -0.05, -0.75%)、中國石油(4.770, -0.04, -0.83%)、中國石化(4.110, 0.01, 0.24%)、沈鼓集團(tuán)和浙建集團(tuán)均參與了項(xiàng)目建設(shè)。
在“中國創(chuàng)造”實(shí)踐方面，依托清華大學(xué)非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能技術(shù)，金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)目申請專利百余項(xiàng)，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(fù)荷離心壓縮機(jī)、高參數(shù)換熱器、大型空氣透平等關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了主裝備的完全國產(chǎn)化。在“中國標(biāo)準(zhǔn)”創(chuàng)建方面，該項(xiàng)目發(fā)布了我國首個壓縮空氣儲能電站KKS編碼標(biāo)準(zhǔn)，立項(xiàng)壓縮空氣儲能首個國家標(biāo)準(zhǔn)、首個電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及3個團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，逐漸構(gòu)建了中國壓縮空氣儲能標(biāo)準(zhǔn)體系。
張雄偉介紹，為幫助這一項(xiàng)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(jìn)線工程建設(shè)，為這一儲能電站單獨(dú)新建了一條近8公里的110千伏線路，對附近變電站進(jìn)行了擴(kuò)建。據(jù)測算，金壇壓縮空氣儲能項(xiàng)目投運(yùn)后，全年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3萬噸，減少二氧化碳排放6.08萬噸。
