中國儲能網(wǎng)訊：3.3.6成本估算
由于全球各地尚未建造大型A-CAES系統(tǒng)，因此必須從報告和學(xué)術(shù)文獻獲得參考。然而，這些來源中有許多提供了D-CAES系統(tǒng)的估計值，或者沒有具體說明該系統(tǒng)是非絕熱的還是絕熱的。這給CAES的真實成本與報告成本帶來了不確定性。
盡管如此，可以開發(fā)出高、中、低成本的估算值，并與報告的數(shù)字進行比較。例如，天然氣發(fā)電廠和熱儲能系統(tǒng)的成本信息可用于分別估算CAES系統(tǒng)電力和能源容量的參考成本。由于CAES系統(tǒng)的地上部件（如壓縮機、膨脹機和熱交換器）技術(shù)成熟，它們的成本可以給定的工廠進行估計?？梢允褂脕碜跃酃馓柲軕?yīng)用的數(shù)據(jù)以一定的準確度估算低溫和中溫蓄熱的成本。高溫儲存（600℃以上）的成本更不確定。大部分剩余的不確定性CAES成本來自空氣儲能成本的不確定性。
使用消費者價格指數(shù)，根據(jù)指定年份至2020年的通貨膨脹調(diào)整成本。如果沒有指定年份，則使用發(fā)布日期。此外，一些消息來源假設(shè)往返效率高于實踐中可能實現(xiàn)的效率，并且沒有將往返效率分解為充電效率和放電效率。根據(jù)研究團隊的計算，充電和放電效率具有相似的值。因此，作為簡單的近似值，報告的往返效率的平方根用于近似充電和放電效率。為了標準化成本估算，將引用的能源成本乘以近似放電效率與模擬的放電效率的比率。報告的效率高于研究團隊的估計，這種方法會增加能源成本。同樣，將電力成本乘以模擬報告的往返效率與往返效率的比率。在對通貨膨脹和效率進行調(diào)整之后，研究團隊對六項估算值進行平均，以得出2020年電力和能源成本的單一估算值。
研究團隊通過應(yīng)用來自提供近期和2050年成本估算的參考文獻中的成本降低假設(shè)，使用對2020年成本的估計來預(yù)測到2050年的成本。由于沒有建造A-CAES項目，在這里產(chǎn)生了額外的不確定性。根據(jù)對文獻的回顧，假設(shè)在高成本、中成本和低成本情景下，從2020年到2050年，電力成本可能分別下降0%、8%和24%。作為背景，美國國家可再生能源實驗室發(fā)布的2020年度技術(shù)基準(ATB)預(yù)測，天然氣發(fā)電廠的投資成本將在2020年至2050年間下降14%。盡管這份報告沒有解釋這些假設(shè)的基礎(chǔ)，但設(shè)計和渦輪機械和其他燃氣輪機部件的制造改進通常也適用于CAES系統(tǒng)。同樣使用文獻中的值作為假設(shè)的基礎(chǔ)，即在2020年至2050年期間，高、中和低成本情景的能源成本可能分別下降0%、11%和50%。研究團隊的低能源成本情景反映了改進選址和開發(fā)空氣儲存設(shè)施的潛力，以及熱儲能成本的下降。表3.4總結(jié)了研究團隊對2020年和2050年成本和效率值的估計。
表3.4 2020年到2050年A-CAES的成本假設(shè)
鑒于成本數(shù)據(jù)有限，沒有估算A-CAES系統(tǒng)的放電和能量組件的固定和可變運維成本。這是將A-CAES排除在容量擴展建模分析之外的原因之一。但是，可以將A-CAES成本與其他建模儲能選項的成本進行比較，以推斷該技術(shù)的潛在作用。在電力與能源的資本成本方面，如果A-CAES能夠?qū)崿F(xiàn)類似的低能源成本，則它可以作為長時儲能的選項。否則，A-CAES在長時儲能或短時儲能方面將沒有競爭力。
3.3.7 CAES技術(shù)改進的潛力
本節(jié)簡要介紹一些可用于改進CAES的技術(shù)概念、性能或成本。本次討論主要集中在可能相關(guān)的概念上，可以確定合適的地下儲存地點的情況。只有液態(tài)空氣儲能才有意義地解決了地上空氣儲存的問題。研究團隊討論了可應(yīng)用于D-CAES和A-CAES系統(tǒng)的兩個概念；然后討論液態(tài)空氣儲能和關(guān)于絕熱或絕熱系統(tǒng)特有的其他概念。
（1）渦輪機
如圖3.7所示，在排放期間將空氣節(jié)流到第一臺渦輪機的輸入壓力的要求顯著降低了CAES系統(tǒng)的排放效率。這種效率損失可以通過可變壓力節(jié)流閥來減少。在排放過程中，節(jié)流閥依次將空氣調(diào)節(jié)到兩個壓力水平，并且兩個渦輪機都可以保持在恒定的運行條件下。在排放過程開始時，壓縮空氣被節(jié)流以匹配高壓渦輪進口；然后它串聯(lián)通過兩個渦輪機。當洞穴壓力低于第一個渦輪入口所需的壓力時，壓縮空氣繞過第一個渦輪并被節(jié)流，以匹配第二臺渦輪的入口壓力。通過節(jié)流閥減少有效功損失，提高了系統(tǒng)的排放效率。
（2）燃氣輪機的再利用
已經(jīng)提出的一種削減成本的方法是重新使用計劃關(guān)閉的天然氣發(fā)電廠的燃氣輪機以降低CAES充電和放電電力的成本。
然而，CAES系統(tǒng)仍然需要其他組件來執(zhí)行諸如熱交換、蓄熱和空氣儲存等功能。而要重新使用現(xiàn)有的燃氣輪機，需要進行重大修改。這些單元包含集成的壓縮機和渦輪機。而在膨脹的過程中產(chǎn)生的一部分動力驅(qū)動壓縮機，而其余的動力用于發(fā)電。這種操作模式需要同時進行壓縮和膨脹。然而，對于CAES系統(tǒng)操作，壓縮（充電）和膨脹（放電）步驟必須分離。處理這種設(shè)計差異的一種方法是通過向燃氣輪機單元添加離合器機構(gòu)來分離壓縮機和膨脹機。另一種方法是使用一半的氣體通過從壓縮機中移除葉片，并添加旁路以僅使用膨脹機，反之亦然。通過這種修改，需要兩個燃氣輪機來構(gòu)建壓縮機和膨脹機。
另一個考慮因素是燃氣輪機設(shè)計為在特定壓力下運行比率和最大壓力限制內(nèi)，因此它們只能用于低壓的壓縮和膨脹階段。這種改造方法的另一個挑戰(zhàn)是現(xiàn)有渦輪機的位置可能與地下空氣儲存可用的地點不一致。或者重新利用燃氣輪機會產(chǎn)生成本。鑒于這些問題，重新利用退役的燃氣輪機似乎不太可能是一個有吸引力的選擇。
（3）液態(tài)空氣儲能(LAES)
液態(tài)空氣儲能(LAES)系統(tǒng)通過將空氣壓縮至液態(tài)進行儲能，與A-CAES系統(tǒng)類似，但隨后空氣在其壓力降至接近外部環(huán)境水平之前被冷卻。而其減壓過程可以將空氣溫度降溫約為-196℃，其中一些空氣變成液體（空氣是混合氣體；它的主要成分是氮氣，在-195.8℃時液化）。而未變成液體的空氣在環(huán)境壓力下仍為冷氣體，這種空氣通過熱交換器來冷卻高壓的環(huán)境溫度的氣體。為了發(fā)電，液態(tài)空氣可以加熱膨脹成為氣體，然后通過一個或多個渦輪機使用的布雷頓循環(huán)技術(shù)發(fā)電。在任何一種方法中，壓縮產(chǎn)生的熱量都會被儲存起來，以便在放電期間使用，就像A-CAES一樣。在放電期間回收冷熱能并將該能量用于下一個充電循環(huán)的能力是LAES系統(tǒng)獨有的。
LAES系統(tǒng)的充電和放電功率容量可以獨立調(diào)整大小，就像在CAES系統(tǒng)一樣。
然而與CAES系統(tǒng)不同的是，LAES系統(tǒng)具有選址靈活性，因為所有組件都部署在地上。液態(tài)空氣的能量密度估計約為95kWh/立方米，約為CAES能量密度的10～20倍。這顯著減少了地上存儲相關(guān)的挑戰(zhàn)。LAES系統(tǒng)的儲能容量隨其低溫罐和冷熱儲熱器的大小而變化。使用漢普森-林德循環(huán)、克勞德循環(huán)或其他循環(huán)的氣體液化技術(shù)是一種成熟的工藝，已用于工業(yè)氣體供應(yīng)、天然氣液化和其他應(yīng)用。與其他液化工藝相比，LAES系統(tǒng)的新穎之處在于循環(huán)利用熱能，這是將往返效率提高約50%～60%的關(guān)鍵。在非LAES系統(tǒng)液化設(shè)施中，不可能從壓縮和膨脹中回收熱量，因為通常是對外排放的。與附近來源的廢熱集成可以進一步提高LAES系統(tǒng)的效率。
對于LAES系統(tǒng)，技術(shù)成熟度不是主要關(guān)注點，盡管氣體液化設(shè)施確實需要先進的工業(yè)能力和熟練的勞動力。關(guān)鍵問題集中在成本和效率上。鑒于迄今為止的技術(shù)發(fā)展有限，目前尚無可靠的成本估算。
（4）具有電阻加熱蓄熱的A-CAES
對于典型的A-CAES系統(tǒng)，蓄熱器的溫度取決于壓縮機的壓力比以及是否采用中間冷卻設(shè)備的決定。電阻加熱可用于提高蓄熱溫度。對于給定體積的存儲空氣，較高的溫度會提高排放效率和能量容量。此外，較高的溫度增加了壓縮階段的設(shè)計靈活性。
由于電阻加熱在用于壓縮的能量之外引入了額外的能量，因此根據(jù)其定義，具有這一功能的系統(tǒng)不再是絕熱系統(tǒng)，但它們?nèi)匀豢梢宰鳛橐环N電力存儲形式。在文獻中，這些系統(tǒng)被描述為“熱儲能和壓縮空氣儲能系統(tǒng)的組合”或“混合熱儲能-CAES”。
開發(fā)商可以設(shè)計蓄熱系統(tǒng)以滿足每個膨脹階段的最高允許溫度。對于高壓渦輪機，其最高溫度受到材料限制。對于最終膨脹階段，允許的渦輪機入口溫度可能與開放式布雷頓渦輪機的溫度一樣高，約為1,400℃。通過電阻加熱，CAES系統(tǒng)的蓄熱組件可以類似于熱儲能系統(tǒng)。
（5）用于電網(wǎng)脫碳的A-CAES
盡管D-CAES不是本章的重點，但在考慮整個電力系統(tǒng)脫碳的更大挑戰(zhàn)時，該技術(shù)可能會發(fā)揮作用。正如研究報告討論的建模分析所示，即使在碳排放高度受限的情況下，也會部署可調(diào)度的發(fā)電資源，例如具有碳捕獲和封存（碳捕獲率約為90%）的燃氣輪機。與碳捕獲和封存(CCS)配對的D-CAES系統(tǒng)可以被視為類似于帶有碳捕獲和封存(CCS)功能的燃氣輪機。不同之處在于，D-CAES系統(tǒng)可以使用低碳電力提前壓縮空氣，從而提高排放過程中的燃油效率。當儲存的空氣耗盡時，D-CAES設(shè)備可以切換模式以同時操作壓縮機和膨脹系統(tǒng)，就像天然氣發(fā)電機一樣?；蛘呖梢允褂脷錃獯嫣烊粴?，以消除對現(xiàn)場碳捕獲和封存(CCS)的需求。
3.3.8 與壓縮空氣儲能技術(shù)相關(guān)的總結(jié)和建議
盡管幾十年來人們一直對A-CAES感興趣，并且具有運行兩個D-CAES儲能系統(tǒng)的經(jīng)驗，但這種儲能技術(shù)的部署并沒有取得成功。地上CAES一直是開發(fā)商的研究主題，但研究團隊認為這是不切實際的選擇。地下空氣儲存的CAES在地上部分方面并不存在重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，而其面臨的挑戰(zhàn)是如何尋找和開發(fā)合適的地下場所來儲存壓縮空氣。
鹽丘、層狀鹽和硬巖中的洞穴是地下空氣儲存的有吸引力的選擇。然而，化學(xué)能（例如氫氣）儲存是這些地質(zhì)特征的競爭用途，考慮到其更高的能量密度，可能會更經(jīng)濟。研究表明多孔介質(zhì)（例如含水層和枯竭的油氣井）可用于部署CAES，但這些選項尚未得到證實。
A-CAES通常適用于長時儲能，其中能源成本低是關(guān)鍵指標。
這些系統(tǒng)的主要成本驅(qū)動因素是選址過程、空氣儲存設(shè)施的開發(fā)和儲熱設(shè)備。盡管CAES的成本估算受到多重不確定性的影響，但該技術(shù)的能源成本估算通常高于預(yù)計未來可用的其他儲能技術(shù)的估算。CAES的電力成本預(yù)計不會顯著下降。
提高效率和降低電力成本的潛在機會包括安裝旁路渦輪機、重復(fù)使用現(xiàn)有燃氣輪機以及對對蓄熱組件采電阻加熱。然而，這些選擇都沒有解決開發(fā)足夠的地下空氣儲存的關(guān)鍵問題。液態(tài)空氣儲存確實解決了空氣儲存的難題，因此它可能提供一條更有希望的前進道路。然而，鑒于液態(tài)空氣系統(tǒng)的開發(fā)處于早期階段，需要更多有關(guān)性能和成本的數(shù)據(jù)來評估液態(tài)空氣是否可以成為具有競爭力的儲能技術(shù)。
最終，A-CAES系統(tǒng)在地下存儲的部署似乎是可行的，并且在某些地質(zhì)資源有利的地區(qū)，它可能在未來發(fā)揮重要的作用。然而，隨著其他長時儲能技術(shù)的成熟，地質(zhì)限制和有限的成本降低潛力似乎會使CAES系統(tǒng)的競爭力隨著時間的推移而降低。除非液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)被證明是一個例外，否則CAES系統(tǒng)不太可能在美國或全球各地的電網(wǎng)規(guī)模儲能中發(fā)揮重要作用。
3.4 結(jié)論和要點
本章重點介紹兩種得到最廣泛討論的機械儲能形式：抽水蓄能（PSH）和壓縮空氣儲能（CAES）。
從技術(shù)或?qū)嵤┑慕嵌葋砜?，這些儲能形式幾乎沒有共同之處，但它們確實具有相對于其他技術(shù)（如化學(xué)儲能和電化學(xué)存儲）具有低能量密度的共同屬性。因此，抽水蓄能（PSH）和壓縮空氣儲能（CAES）設(shè)施占地面積大，必須在地質(zhì)有利的位置選址，并且無法實現(xiàn)模塊化。
（1）抽水蓄能設(shè)施
?就裝機功率和儲能容量而言，抽水蓄能（PSH）設(shè)施是迄今為止在美國和全球占主導(dǎo)地位的電力儲能技術(shù)。
?抽水蓄能（PSH）設(shè)施是的利用率一直在下降。在包括美國在內(nèi)的幾個國家，而對低成本、靈活的天然氣發(fā)電的依賴增加減少了抽水蓄能（PSH）設(shè)施的電價套利機會。
?由于目前對其服務(wù)的需求不足以及未來需求前景不確定，抽水蓄能（PSH）設(shè)施的增加部署仍面臨巨大障礙，盡管隨著對可再生能源發(fā)電的依賴增加，這種情況可能會發(fā)生變化。中國最近投資的大規(guī)模抽水蓄能（PSH）設(shè)施是由于具有獨特的體制和監(jiān)管條件，即使可能得到借鑒，也很難在其他國家和地區(qū)復(fù)制。
?充分優(yōu)化現(xiàn)有抽水蓄能設(shè)施以利用有組織的批發(fā)市場，可以使抽水蓄能設(shè)施目前產(chǎn)生的市場收入增加三倍以上。此外，很少有其他儲能技術(shù)顯示出能夠顯著抵消或超過其經(jīng)過通脹調(diào)整的購置成本的資本增值潛力。
?盡管如此，在競爭激烈的電力市場中新建的抽水蓄能設(shè)施的可行商業(yè)模式尚未得到證實。由此產(chǎn)生的不確定性和財務(wù)風險仍然是美國部署抽水蓄能設(shè)施的主要障礙。
?為電力部門的脫碳制定合理的時間表，并制定競爭機制以支持從抽水蓄能設(shè)施和其他儲能項目獲取服務(wù)的承購協(xié)議，這將有助于解決這些障礙。
?美國政府應(yīng)考慮采取進一步措施，延長抽水蓄能設(shè)施許可證的有效期，并將美國聯(lián)邦政府擁有的抽水蓄能設(shè)施實現(xiàn)私有化，以激勵有效利用。與此同時，美國電力行業(yè)和金融機構(gòu)應(yīng)繼續(xù)努力為抽水蓄能設(shè)施開發(fā)新的商業(yè)模式和融資策略。
（2）壓縮空氣儲能系統(tǒng)
?使用壓縮空氣實現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)模的儲能是一個傳統(tǒng)的想法，但只有兩個項目來證明這一概念（都是非絕熱系統(tǒng)，這意味著壓縮過程中的熱量不可逆地排放到環(huán)境中，并通過氣體燃燒恢復(fù)膨脹）。其他CAES項目（包括絕熱系統(tǒng)，其中捕獲壓縮熱量，與壓縮空氣分開存儲，并在膨脹過程中返回）已經(jīng)規(guī)劃，但尚未建成。
CAES系統(tǒng)也可以根據(jù)它們是否在地上或地下存儲壓縮空氣。由于地上空氣儲存的固有問題，CAES的電網(wǎng)規(guī)模部署取決于合適的大規(guī)模地下空氣儲存。
?即使地上CAES系統(tǒng)可以實現(xiàn)與其他電網(wǎng)平衡選項相比，具有競爭力的電力和能源成本，其他考慮因素（如效率、選址靈活性、響應(yīng)時間和模塊化）也將有利于部署電化學(xué)儲能技術(shù)或需求管理。由于這些原因，具有地上空氣儲存的CAES通常不適合短時儲能或長時儲能。
?只有液態(tài)空氣儲能才能有意義地解決地上空氣儲存。
?對潛在地下空氣儲存地點的區(qū)域分析通常在宏觀范圍內(nèi)進行，但必須在特定地點評估技術(shù)和經(jīng)濟可行性。
?如果可用于儲存應(yīng)用的鹽穴供應(yīng)在地質(zhì)上是有限的，那么化學(xué)能（即氫氣）儲能將具有更高價值，因此可能成為首選。
?需要對確定合適的地下空氣儲存地點的挑戰(zhàn)進行更多研究，以評估CAES是否可以在電網(wǎng)規(guī)模儲能應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
?如果能夠降低成本，A-CAES可以作為一種長時儲能選項。
?最后，帶有地下空氣儲存的A-CAES似乎是可行的，并且在一些地質(zhì)資源有利的地區(qū)，可能在未來發(fā)揮重要作用。然而，隨著其他長時儲能技術(shù)的日益成熟，地質(zhì)限制和有限的成本降低潛力似乎可能使CAES的競爭力隨著時間的推移而降低。除非液態(tài)空氣儲能被證明是一個主要例外，否則CAES不太可能在美國或全球的電網(wǎng)規(guī)模儲能中發(fā)揮重要作用。
（未經(jīng)允許，嚴禁轉(zhuǎn)載，不足之處，歡迎批評指正，未完待續(xù)）
