中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨第二屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“新能源、新機(jī)遇、新高度”。
會(huì)議期間，組委會(huì)邀請(qǐng)了西安交通大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院王煥然分享主題報(bào)告《抽水壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
王煥然：各位專(zhuān)家，大家好。因?yàn)橐咔?，我不能親臨現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)給大家，所以只能從線(xiàn)上匯報(bào)了。我匯報(bào)的題目是：抽水壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，報(bào)告人王煥然，來(lái)自西安交通大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院。匯報(bào)分四部分進(jìn)行，一是背景介紹，二是現(xiàn)有壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)存在的問(wèn)題。三是抽水壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。四是應(yīng)用方案。
背景介紹。2020年習(xí)總書(shū)記提出了碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略總目標(biāo)，意味著“十四五”乃至更長(zhǎng)一段時(shí)間，超常規(guī)發(fā)展光伏和風(fēng)電等可再生能源是實(shí)現(xiàn)“3060”目標(biāo)的必然選擇。圍繞著以新能源為主的電力系統(tǒng)的構(gòu)建，探索研究?jī)?chǔ)能技術(shù)，推廣儲(chǔ)能技術(shù)和新能源與常規(guī)能源協(xié)同發(fā)展，安全有序的推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保證電力系統(tǒng)的靈活性和安全性，是目前或者今后長(zhǎng)時(shí)期面臨的重要任務(wù)和課題。到目前為止，電能大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)仍然是世界性難題，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：儲(chǔ)能時(shí)間要長(zhǎng)，規(guī)模要大，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率高、儲(chǔ)能成本要低和建設(shè)周期要短，還要綠色環(huán)保，所有這些加起來(lái)導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題到目前為止沒(méi)有根本性解決，它還是一個(gè)難題。
西安交通大學(xué)始終致力于儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化方面的研究，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)成立了第一個(gè)儲(chǔ)能專(zhuān)業(yè)，我們也是首批成立了國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)。現(xiàn)在我們的目標(biāo)就是提高儲(chǔ)能效率，降低儲(chǔ)能成本，這是我們的一個(gè)目標(biāo)。我們的策略是充分發(fā)揮現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，摒棄它的缺點(diǎn)，把優(yōu)點(diǎn)保留，針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)所在區(qū)域的場(chǎng)景，我們定制相應(yīng)的儲(chǔ)能方案，達(dá)到上述目標(biāo)。我們的成果是壓縮空氣儲(chǔ)能，我們用壓縮空氣儲(chǔ)能與抽水壓縮空氣儲(chǔ)能的有機(jī)融合技術(shù)，為此我們發(fā)明了50多項(xiàng)專(zhuān)利，有幾十篇SCI論文，其中有多篇ESCI論文。另外，我們針對(duì)不同的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景建立了相應(yīng)的儲(chǔ)能技術(shù)方案。
首先介紹儲(chǔ)能，儲(chǔ)能分兩部分，一部分物理儲(chǔ)能，一部分化學(xué)儲(chǔ)能，我們最關(guān)注的是物理儲(chǔ)能里抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能，這兩個(gè)技術(shù)相對(duì)比較成熟。目前，國(guó)內(nèi)抽水蓄能設(shè)計(jì)技術(shù)比較成熟，施工技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)都比較豐富，所以國(guó)內(nèi)目前開(kāi)展了很多抽水蓄能電站建設(shè)，但是它的投資大，建設(shè)周期長(zhǎng)，所以短時(shí)間內(nèi)不能適配目前階段的可再生能源發(fā)展需求。壓縮空氣儲(chǔ)能正好具備環(huán)保性和建設(shè)周期短的特性，所以目前國(guó)內(nèi)外把這個(gè)事情視為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。
我們把壓縮空氣儲(chǔ)能凝練成了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，把壓縮和冷卻器做了這樣一個(gè)模塊，從這張圖上我們可以看出來(lái)，在壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)程中，我們這個(gè)單元的計(jì)算結(jié)果表明了什么呢？黃線(xiàn)是最終我們要儲(chǔ)存的壓縮空氣可用能量。這里邊就有一個(gè)問(wèn)題，我們看出來(lái)隨著壓比的增加，可用能效率是降低的過(guò)程，這里邊熱能占的部分越來(lái)越大，這個(gè)系統(tǒng)的損失也在略微增大，隨著壓比的增加，壓縮熱占總能耗的比例增加。冷卻過(guò)程中氣體的溫度將被消耗一部分?（可用能），就是熱能部分的?，轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低?，F(xiàn)在我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論。
1978年，德國(guó)Huntorf電站建了壓縮空氣儲(chǔ)能電站，也是第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行電站，具有完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)電站的特點(diǎn)是處在鹽穴中，進(jìn)鹽穴的空氣要被冷卻，但一般不超過(guò)80度，100度以?xún)?nèi)。發(fā)電的時(shí)候，壓縮空氣直接與燃?xì)饣旌先紵訜幔缓蟾邷鼗旌蠚馔ㄟ^(guò)透平發(fā)電，這個(gè)加熱溫度大概是600度到650度左右。美國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的發(fā)電功率是110兆瓦，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電26個(gè)小時(shí)，電站利用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，跟Huntorf電站一樣，直接冷卻到100度以?xún)?nèi)，然后發(fā)機(jī)組系統(tǒng)做了改進(jìn)，把尾氣通過(guò)一個(gè)回?zé)崞鬟M(jìn)行回收再排空，鹽穴中的壓縮空氣首先被回?zé)崞骷訜嶂笤龠M(jìn)入燃燒器，這個(gè)系統(tǒng)效率直接提到了54%。如果不考慮補(bǔ)燃的情況，其循環(huán)效率才達(dá)到25%，而剛才那個(gè)系統(tǒng)如果不考慮燃料加熱，其系統(tǒng)效率只有20%。所以這是我們特別要注意的一個(gè)問(wèn)題。
我們看看現(xiàn)在比較流行的另外一個(gè)叫先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，它規(guī)避了上面的兩個(gè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，把壓縮熱進(jìn)行回收，發(fā)電的時(shí)候再把儲(chǔ)存熱量回?zé)岬较到y(tǒng)中，從熱力學(xué)第一定律上講這個(gè)系統(tǒng)效率還是比較好的，但在改系統(tǒng)中它增加了多級(jí)換熱及儲(chǔ)熱放熱，系統(tǒng)不可逆損失增加。我們對(duì)Huntorf電站有一個(gè)詳細(xì)的分析結(jié)果，表明經(jīng)過(guò)?分析結(jié)果，Huntorf電站各部分?損失進(jìn)行一個(gè)對(duì)比，主要?損失發(fā)生在燃?xì)馔钙轿矚?、燃燒室、換熱器和壓縮機(jī)，透平、節(jié)流閥的?損失相對(duì)較小，換熱器和冷卻器里的?損失占總體損失的19%，還是比較大的，是除了燃燒室和尾氣之外的最大的一個(gè)?損失來(lái)源，除了這一部分，壓縮空氣壓縮過(guò)程中的發(fā)熱還有問(wèn)題，這是根源，下面我進(jìn)一步分析這個(gè)事情。
一個(gè)傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能，電能在轉(zhuǎn)變壓力勢(shì)能的時(shí)候通過(guò)壓縮機(jī)，我這里邊熱能沒(méi)被回收，直接排空了，所以沒(méi)被利用。另外一個(gè)方面，我用天然氣進(jìn)行捕捉或者用煤進(jìn)行捕捉，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的原理就能看得很清楚了，如果不補(bǔ)燃，系統(tǒng)效率一定不會(huì)高，因?yàn)閴嚎s熱實(shí)際上占比非常大，占?jí)嚎s機(jī)驅(qū)動(dòng)功率百分之六十多，而電能是優(yōu)質(zhì)能源，一旦轉(zhuǎn)變成熱能之后，被轉(zhuǎn)變電能的部分應(yīng)該很少，尤其是儲(chǔ)熱的時(shí)候不可能太高。先進(jìn)絕對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能，如果把這個(gè)熱回收起來(lái)儲(chǔ)存，在熱量?jī)?chǔ)存過(guò)程中?損失非常大。我再把儲(chǔ)熱回到膨脹系統(tǒng)中發(fā)電，這樣還會(huì)造成很大的損失，實(shí)際上這里面整個(gè)系統(tǒng)效率是非常有限的。
正是因?yàn)樗嬖趬嚎s熱，這也是壓縮空氣儲(chǔ)能的一個(gè)固有缺陷，它能不能解決呢？我們提出了一種新的技術(shù)叫抽水壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。我們的研究思路是這樣的，針對(duì)剛才傳統(tǒng)壓縮空氣存在的那些問(wèn)題，我們提出要想使這個(gè)系統(tǒng)將來(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化必須解決兩個(gè)問(wèn)題高效和低儲(chǔ)能成本，我們必須重新構(gòu)造壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造的時(shí)候一定要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，等溫壓縮，非絕熱膨脹。因?yàn)槟壳暗脑O(shè)備不能滿(mǎn)足這一要求，所以我們要研究專(zhuān)用的設(shè)備，這個(gè)專(zhuān)用設(shè)備一定要保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，還要確保過(guò)程高效。這樣完成之后，現(xiàn)有的物理儲(chǔ)能問(wèn)題有可能會(huì)解決掉。我們的思路是這樣的，比如抽水蓄能規(guī)模大，效率高，不需要燃料，同樣壓縮空氣儲(chǔ)能規(guī)模也大，不受地理限制，建設(shè)周期短，單位造價(jià)比抽水蓄能相對(duì)低，但它的密度又比抽水蓄能高，能不能把這兩種技術(shù)融合起來(lái)，然后把它的優(yōu)點(diǎn)保留，把缺點(diǎn)去除掉。我們是基于這種想法提出的。抽水蓄能的原理就是實(shí)際上就是一個(gè)低位水庫(kù)，一個(gè)高位水庫(kù)，讓水輪機(jī)放在低位水庫(kù)上面，從物理本質(zhì)上講就是把這個(gè)高位水庫(kù)水位勢(shì)能轉(zhuǎn)變成水輪機(jī)進(jìn)出的壓差。同樣，如果右邊這個(gè)圖我們構(gòu)建這樣一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的水輪機(jī)進(jìn)出口壓差跟抽水蓄能水輪進(jìn)口處壓力差完全一樣，流量也一樣，意味著這兩個(gè)系統(tǒng)完全是等效的。為此，我們構(gòu)建了抽水蓄能物理模型。假如這里是50個(gè)大氣壓，相當(dāng)于有500米水頭，發(fā)電時(shí)候有500米一個(gè)落差，這是我們做抽水蓄能的一個(gè)最基本的思路。
怎樣構(gòu)成真正一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)呢？我們發(fā)明了恒壓型抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，核心就是水氣共容原理，其核心我們叫水氣共容艙，高壓空氣作用于水氣共容艙內(nèi)的水，實(shí)際上空氣是恒壓的高壓空氣。圖中的抽水蓄能的部分，水輪機(jī)和水泵的工作介質(zhì)是水，它這里不會(huì)發(fā)熱，可以在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，這個(gè)系統(tǒng)效率一定是比較高的。怎么保持水氣共容艙壓力恒定呢？實(shí)際上這里邊就耦合了一個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)跟傳統(tǒng)系統(tǒng)不一樣，這是個(gè)閉式的系統(tǒng)，不是開(kāi)放的。在抽水蓄能的時(shí)候，為了保持水氣共容艙壓力恒定，把多余的氣體抽到高壓儲(chǔ)罐里。同樣在勢(shì)能過(guò)程中，隨著水位的降低，為了保持水氣共容艙壓力恒定，我必須通過(guò)高壓儲(chǔ)氣罐的高壓空氣不斷補(bǔ)充，這樣我們就完成了兩個(gè)抽水蓄能和壓力空氣儲(chǔ)能的一個(gè)復(fù)合。如果抽水蓄能這一塊高效，我們能把壓縮空氣儲(chǔ)能這一塊也保持高效，問(wèn)題就解決了。在增壓部分，我要讓壓縮空氣盡可能少發(fā)熱甚至不發(fā)熱，這就是我們的設(shè)計(jì)思路。如果這樣，這個(gè)系統(tǒng)一定是高效的。能量轉(zhuǎn)換圖，把電能轉(zhuǎn)變成壓力勢(shì)能，不在外面補(bǔ)熱了，這樣系統(tǒng)可以做得簡(jiǎn)單，理論上可以做得高效。
這里邊有一個(gè)問(wèn)題必須解決，在高壓狀態(tài)下水氣會(huì)不會(huì)溶解？如果水中溶解大量空氣，原理雖很好，但對(duì)水輪機(jī)會(huì)有傷害？為此，我們利用狀態(tài)方程和分子動(dòng)力學(xué)模型研究了水氣溶解過(guò)程以及擴(kuò)散過(guò)程，用兩三年把這事情徹底搞明白了，找到了解決方案。抽水和放水的時(shí)候會(huì)不會(huì)對(duì)水氣共容艙內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行傷害呢？我們進(jìn)行了一系列仿真研究，不同進(jìn)水和出水管道的布置方式，這是放水過(guò)程，這是抽水過(guò)程，這是同時(shí)進(jìn)行。這個(gè)過(guò)程就研究我在抽水過(guò)程中會(huì)不會(huì)對(duì)水面氣體進(jìn)行卷吸，把這個(gè)過(guò)程都研究了，怎么減少這個(gè)氣泡的裹脅，我們研究了其特性。把這事情搞明白之后，我們建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，剛才那個(gè)系統(tǒng)中的高壓氣罐，用的是個(gè)6兆帕，這里是叫水氣共容艙，用的是4兆帕。在這個(gè)系統(tǒng)中，這是水輪發(fā)電，這是水泵和水泵機(jī)組，這是4兆帕的，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室模擬400米水頭，水頭可以任意調(diào)節(jié)的。驗(yàn)證結(jié)果是比較滿(mǎn)意的，通過(guò)了陜西省科技廳在2020年4月份組織的一個(gè)成果鑒定及現(xiàn)場(chǎng)的演示。結(jié)論：第一，該系統(tǒng)具有較高的電電轉(zhuǎn)化效率。第二，系統(tǒng)的響應(yīng)特性比較好，可以達(dá)到45秒。第三，實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示我們，可以設(shè)計(jì)等溫壓縮機(jī)，我們現(xiàn)在已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)，并且在測(cè)試中。
解決了電站轉(zhuǎn)運(yùn)效率的問(wèn)題，還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)解決，怎么降低儲(chǔ)能成本？我們針對(duì)不同的環(huán)境，設(shè)計(jì)了不同技術(shù)方案。這里面有一個(gè)水池水泵和水輪機(jī)，也可以是水泵水輪機(jī)，同樣用我們的這個(gè)思路，這是高壓儲(chǔ)氣罐，這就是我們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)透平，非絕熱膨脹，比如可以吸收部分增壓機(jī)的壓縮熱。目前，我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)氣壓力是8兆帕，膨脹性入口壓力10兆帕，水槽100米，用水量是1.16萬(wàn)平方米，比較大。儲(chǔ)氣罐的容積是2100立方米，這個(gè)系統(tǒng)我們可以做到2兆瓦/4兆瓦時(shí)，目前還沒(méi)有這種儲(chǔ)能系統(tǒng)，所以我們這個(gè)系統(tǒng)申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。我這個(gè)系統(tǒng)的效率接近70%了。
我們還在光伏基地做了一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，同樣有儲(chǔ)氣罐，高壓儲(chǔ)氣庫(kù)，低壓儲(chǔ)氣罐，這里是等溫壓縮機(jī)，膨脹機(jī)，我設(shè)計(jì)了一個(gè)小的系統(tǒng)，這就是光伏熱，通過(guò)壓縮空氣給它進(jìn)行加熱高壓空氣，太陽(yáng)能加熱之后進(jìn)入透平，我把透平尾氣的排熱量再通過(guò)一個(gè)回?zé)崞鳎倥乓幌碌蛪撼鋈ス?，為了保持恒力壓力，啟?dòng)水輪機(jī)發(fā)電，這就是整個(gè)系統(tǒng)的工作原理。目前做到1.1兆瓦和1兆瓦時(shí)的規(guī)模，效率做到71%，這是給光伏電站做的方案。另外一個(gè)是我們專(zhuān)門(mén)為煤礦設(shè)計(jì)的，完成了科研報(bào)告，規(guī)模做到110兆瓦和900兆瓦時(shí)。我簡(jiǎn)單介紹一下，很多煤礦在地下機(jī)房有一個(gè)水艙，也叫應(yīng)急水庫(kù)，挖煤的時(shí)候萬(wàn)一有多余透水就儲(chǔ)存在這個(gè)地方，關(guān)停的煤礦我可以利用這部分，利用的時(shí)候我們把這個(gè)作為一個(gè)儲(chǔ)水倉(cāng)，低位水庫(kù)，地面挖了一個(gè)高位水庫(kù)，這樣我可以建一個(gè)抽水蓄能系統(tǒng)，就跟我們現(xiàn)在有的抽水蓄能系統(tǒng)一樣，只不過(guò)就是我把這個(gè)低位水庫(kù)放在地下了，水輪機(jī)和水泵都被安裝在地下。同樣我們把煤礦的地下空間劃分了一下，對(duì)主道進(jìn)行封閉，它的密封性和安全性都比較有保證，然后把它作為空間。目前我們沒(méi)利用采空區(qū)。這個(gè)礦深是592米左右，我這個(gè)地下水艙體積只有一萬(wàn)多方，因?yàn)樗闹飨锏烙猩仙酵ǖ?，相?dāng)于有傾斜度，為了充分利用它，我把地下封閉空間，深度大約是600米，這它和地面水庫(kù)進(jìn)行連通，我保證這個(gè)空間的容積是可變的，有條件保證這個(gè)空間壓力恒定。
同樣是用我們研制的等溫壓機(jī)組，解決了現(xiàn)有壓縮空氣儲(chǔ)能的另外一個(gè)缺陷，閉口缺陷，容積不可變，我們把它變成容積可變的系統(tǒng)，就可以保證壓力是恒定的，這樣就解決了壓縮機(jī)的一個(gè)變功問(wèn)題。發(fā)電的時(shí)候也是一樣，我可以恒壓發(fā)電，如果發(fā)電的時(shí)候氣體放出來(lái)，壓力被降低，空間被減少，地面的水給它補(bǔ)充到這個(gè)空間里邊，保持容積可變，。這一塊我通過(guò)內(nèi)燃機(jī)補(bǔ)燃，這是我們另外一個(gè)專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)內(nèi)燃機(jī)用我們現(xiàn)在所有的代用燃料，如乙醚、甲醇等低碳燃料，高品位熱能用內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電，低品位熱能耦合到這個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，相當(dāng)于該系統(tǒng)非絕對(duì)膨脹過(guò)程提供了余熱熱源，這樣系統(tǒng)效率可以做得比較高，75%以上。這就是我們的一個(gè)研究思路。低位水庫(kù)大概一萬(wàn)多方，我就構(gòu)成這樣一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)構(gòu)成另外一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)復(fù)合在一起。建設(shè)周期三年可以完成，地下有個(gè)水電機(jī)水泵，地上是壓縮機(jī)膨脹機(jī)內(nèi)燃機(jī)。這個(gè)規(guī)模已經(jīng)做到110兆瓦900兆瓦時(shí)。
我們另外還做了一個(gè)方案，針對(duì)沒(méi)有礦井的，我們?cè)谌菰O(shè)計(jì)的是300兆瓦1800兆瓦時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際就按照剛才抽水壓縮空氣原理，高壓氣庫(kù)做的10兆帕，目前我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的高壓氣庫(kù)是10兆帕，體積是160萬(wàn)立方。中間一個(gè)增壓機(jī)，一個(gè)渦輪膨脹機(jī)，這個(gè)壓縮機(jī)機(jī)組實(shí)際上是作為我們做虛擬水壩用的一個(gè)備用壓縮機(jī)組，如果系統(tǒng)不漏氣，這個(gè)空壓機(jī)組都不用，如果漏氣，我就會(huì)啟動(dòng)它給高壓氣庫(kù)補(bǔ)氣。這就是水泵水輪機(jī)，地下是一個(gè)坑道，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際效率做到72%。這是目前我們具體的一個(gè)研究成果。
希望各位專(zhuān)家批評(píng)指正，謝謝各位。
