中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：壓縮空氣儲(chǔ)能已經(jīng)邁入商業(yè)化發(fā)展初期階段，但圍繞該項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新仍在繼續(xù)，其中從單一工作介質(zhì)向復(fù)合工作介質(zhì)研究成為一個(gè)新的突破口，國(guó)內(nèi)外正有多個(gè)團(tuán)隊(duì)在研究這樣一種摻水的新型氣液混合儲(chǔ)能技術(shù)。
1 給壓縮空氣儲(chǔ)能摻水？
“目前，壓縮空氣儲(chǔ)能在釋能過(guò)程中，主要以經(jīng)過(guò)膨脹的高壓氣體驅(qū)動(dòng)透平機(jī)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。但當(dāng)前主流的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)基本都存在一個(gè)共同的缺陷，就是在空氣壓縮和膨脹過(guò)程中的熱量損失較大，運(yùn)行效率降低。”中電萬(wàn)網(wǎng)國(guó)際工程咨詢(xún)（北京）有限公司首席科學(xué)家黃貴雄指出。
考慮在新能源開(kāi)發(fā)中配儲(chǔ)的需要，基于壓縮空氣儲(chǔ)能的基本原理，在結(jié)合抽水蓄能發(fā)電中“利用空氣壓油調(diào)節(jié)大型水輪機(jī)”的實(shí)踐后，黃貴雄技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，發(fā)明了一種“氣液混合循環(huán)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)”，并在2020年11月獲得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專(zhuān)利認(rèn)證。
“這套系統(tǒng)的基本原理就是‘水壓氣、氣儲(chǔ)能、氣壓水、水發(fā)電’。”黃貴雄表示。從本質(zhì)上看，氣液混合循環(huán)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)與壓縮空氣儲(chǔ)能的原理是一致的，只不過(guò)工作介質(zhì)在原來(lái)的空氣基礎(chǔ)上又增加了水，由單一的空氣做功，變成了空氣+水聯(lián)合做功。在蓄能階段，由高壓水泵替代壓縮機(jī)，向壓力容器內(nèi)泵水，借助水的不可壓縮性壓縮空氣；在釋能階段，高壓空氣驅(qū)動(dòng)水流帶動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電，從而替代了以往壓縮空氣儲(chǔ)能中的透平機(jī)組發(fā)電，可以大大提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。
在對(duì)專(zhuān)利進(jìn)行授權(quán)后，國(guó)網(wǎng)湖南電力對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試，完成了專(zhuān)有技術(shù)實(shí)證原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并于2023年發(fā)布了技術(shù)成果。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備占地面積小，無(wú)排放、無(wú)染污，不受水資源和地理?xiàng)l件限制，應(yīng)用場(chǎng)景比較廣泛，同時(shí)系統(tǒng)涉及的水輪機(jī)、水泵等設(shè)備效率高，系統(tǒng)效率有保障等特點(diǎn)。
基本工作原理
黃貴雄補(bǔ)充道：“相比目前的壓縮空氣儲(chǔ)能，氣液混合循環(huán)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)在相對(duì)封閉的壓力容器內(nèi)可以做到往復(fù)循環(huán)，增加系統(tǒng)本身的節(jié)能量。”比如，水從充水容器泵入充氣容器。當(dāng)充氣容器中的水位上升時(shí)，它會(huì)像活塞一樣壓縮空氣。一旦氣壓足夠高，空氣就會(huì)被送去儲(chǔ)存，最初充滿(mǎn)空氣的容器現(xiàn)在充滿(mǎn)了水。另一方面，原來(lái)裝滿(mǎn)水的容器現(xiàn)在充滿(mǎn)了空氣。而后，水可以被泵送回第一個(gè)容器進(jìn)行另一個(gè)壓縮循環(huán)。只要蓄水池中有多余的電力和空間，該過(guò)程就會(huì)重復(fù)。膨脹過(guò)程亦是如此。
壓縮空氣儲(chǔ)能的關(guān)鍵設(shè)備之一就是儲(chǔ)氣庫(kù)裝置。目前，鹽穴、人工硐室、人工罐體在壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目中皆有應(yīng)用。在人工罐體方面，就在今年7月，中集安瑞科旗下石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司成功交付170臺(tái)4500m3壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化供氣單元，該批產(chǎn)品將服務(wù)于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市的三峽現(xiàn)代能源創(chuàng)新示范園“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)基地，能夠確保壓縮空氣儲(chǔ)能在各種極端條件下的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。
“目前，我國(guó)已經(jīng)掌握大容量罐體的制造工藝，這對(duì)實(shí)現(xiàn)氣液混合循環(huán)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)十分有幫助?！秉S貴雄說(shuō)，“而且，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，建設(shè)周期短，可將容器深埋地下，基本不占用地上面積。在同等規(guī)模下，相比鹽穴的設(shè)計(jì)，具有一定的經(jīng)濟(jì)性?！?
此外，除了在儲(chǔ)存裝置方面，我國(guó)在水泵、水輪機(jī)制造方面工藝成熟。黃貴雄表示，按照水輪機(jī)在抽水蓄能中的應(yīng)用來(lái)看，該系統(tǒng)一臺(tái)機(jī)組的理論裝機(jī)規(guī)模可以做到100萬(wàn)千瓦，目前水輪機(jī)的技術(shù)是可以達(dá)到的。而且，相比膨脹透平發(fā)電機(jī)組，從制造精度、原材料等方面來(lái)看，水輪機(jī)的造價(jià)要更具經(jīng)濟(jì)性。尤其在制造精度方面，兩者至少存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。同時(shí)，在接近室溫環(huán)境下運(yùn)行的水輪機(jī)，會(huì)使該系統(tǒng)的維護(hù)成本也相對(duì)較低。
2 海內(nèi)外更多團(tuán)隊(duì)的研發(fā)嘗試
上述國(guó)網(wǎng)湖南電力在針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證方面，并沒(méi)有公布具體的參數(shù)和結(jié)果，在效率和經(jīng)濟(jì)性方面比較模糊。
把視角轉(zhuǎn)移至國(guó)外，以色列能源存儲(chǔ)公司Augwind Energy開(kāi)發(fā)了一套名為“Air Battery”的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其原理與上述儲(chǔ)能系統(tǒng)基本一致，使用閉環(huán)液體活塞機(jī)構(gòu)在地下近等溫過(guò)程中壓縮和膨脹空氣?？蛇_(dá)到比一般壓縮空氣儲(chǔ)能更理想的儲(chǔ)放效率，大約為80%。
然而，在實(shí)際應(yīng)用中，該公司在以色列南部以試點(diǎn)規(guī)模（250千瓦，1兆瓦時(shí)）安裝了Air Battery系統(tǒng)，往返效率（RTE）達(dá)到21%。2024年初，該系統(tǒng)重新調(diào)試，目前的試點(diǎn)容量為0.5MW/1MWh，RTE大于47%，充電效率大于64%，放電效率大于73%。該項(xiàng)目是Augwind空氣電池儲(chǔ)能技術(shù)的小規(guī)?？尚行匝菔?。Augwind現(xiàn)在準(zhǔn)備進(jìn)一步推動(dòng)AirBattery走向商業(yè)化。
但他們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)完全商業(yè)化的Air Battery系統(tǒng)效率能夠達(dá)到60%以上。
Air Battery系統(tǒng)關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)及模塊設(shè)計(jì)參考
來(lái)源：Augwind Energy官網(wǎng)
此外，西安交通大學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)同樣根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能原理研究開(kāi)發(fā)了“新型抽水壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)”，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)研究證明：該系統(tǒng)的運(yùn)行效率可以達(dá)到65%，系統(tǒng)儲(chǔ)能過(guò)程中水氣共容腔體內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)近等溫壓縮，釋能過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)近等溫膨脹。
為提升壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的響應(yīng)速度，團(tuán)隊(duì)又提出一種先進(jìn)抽水壓縮空氣復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)，如下圖所示。
抽水壓縮空氣復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
來(lái)源：《先進(jìn)抽水壓縮空氣復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)》
該系統(tǒng)的儲(chǔ)能過(guò)程分為兩個(gè)階段:第一階段利用可再生能源驅(qū)動(dòng)水泵工作，通將水氣共容艙內(nèi)的空氣充入儲(chǔ)氣裝置中；第二階段改用可再生能源驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)機(jī)組將空氣壓縮至高壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電能到壓力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的釋能過(guò)程也分為兩個(gè)階段:第一個(gè)釋能階段系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備為水輪機(jī)機(jī)組;第二個(gè)釋能階段的發(fā)電設(shè)備為空氣透平機(jī)機(jī)組。在第一階段，儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)的高壓空氣經(jīng)過(guò)節(jié)流閥后，進(jìn)入水氣共容艙并推動(dòng)水氣共容艙內(nèi)的水進(jìn)入水輪機(jī)，水輪機(jī)在額定工況下工作并對(duì)外供電；在第二階段，儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)和水氣共容艙內(nèi)的高壓空氣經(jīng)過(guò)節(jié)流閥后，與儲(chǔ)熱器釋放的高溫載熱介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，高壓空氣升溫后進(jìn)入空氣透平機(jī)對(duì)外做功輸出電能。研究顯示，該套系統(tǒng)可將電儲(chǔ)能成本降至0.2元/kWh。
在技術(shù)成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化示范工程方面，該團(tuán)隊(duì)參與了華能驛城區(qū)抽水壓縮空氣復(fù)合儲(chǔ)能項(xiàng)目。據(jù)了解，2022年11月30日，河南省駐馬店驛城區(qū)人民政府與華能河南中原燃?xì)獍l(fā)電有限公司舉行抽水壓縮空氣復(fù)合儲(chǔ)能項(xiàng)目對(duì)接會(huì)，并于后期成功簽約，但目前關(guān)于該項(xiàng)目動(dòng)態(tài)的可查信息較少。
2023年3月由寶牛集團(tuán)有限公司參與建設(shè)的，位于江西省贛州市的無(wú)壩蓄水（復(fù)合）空氣儲(chǔ)能電站及配套項(xiàng)目也是采用類(lèi)似技術(shù)原理的儲(chǔ)能技術(shù)。
3 關(guān)鍵技術(shù)：溫度控制
與空氣單一介質(zhì)做功不同，上述“水+空氣”復(fù)合工作介質(zhì)的壓縮空氣儲(chǔ)能均涉及到一個(gè)核心關(guān)鍵詞“等溫”。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在壓縮過(guò)程中通常會(huì)導(dǎo)致氣體溫度大幅升高，這是由于壓縮時(shí)間一般很短，壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量來(lái)不及散失，產(chǎn)生了一個(gè)近乎絕熱的過(guò)程，因此需要比等溫壓縮消耗更多的功。而當(dāng)氣體長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氣罐中時(shí)，溫度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)總體壓縮效率降低，尤其是在高壓比情況下，提高氣體與水和外界的傳熱性能，使實(shí)際過(guò)程接近等溫是提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)效率的關(guān)鍵之一。本文所講的系統(tǒng)便是等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。
等溫技術(shù)的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)等溫壓縮膨脹過(guò)程，其核心關(guān)鍵即高效控溫技術(shù)。其特點(diǎn)為需要使熱量被快速導(dǎo)出，從而實(shí)現(xiàn)溫度的近似恒定。目前常見(jiàn)控溫方式主要是采用液體活塞技術(shù)、液體噴淋技術(shù)或者泡沫技術(shù)，利用水比熱容較大的特點(diǎn)，通過(guò)增強(qiáng)氣液兩相直接的接觸增加做功過(guò)程的熱量傳遞，減少氣體溫度變化，近似實(shí)現(xiàn)等溫過(guò)程。
對(duì)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究最早出現(xiàn)在美國(guó)，其后逐漸出現(xiàn)在不同的國(guó)家技術(shù)團(tuán)隊(duì)中，并取得相應(yīng)的研究成果。在各路技術(shù)中，盡管實(shí)現(xiàn)近等溫的方式有所不同，但都能在一定程度上降低壓縮及膨脹過(guò)程中溫度變化的幅度。
現(xiàn)有等溫壓縮空氣儲(chǔ)能研究
總的來(lái)看，國(guó)內(nèi)外關(guān)于這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用并不多，國(guó)內(nèi)基本處于技術(shù)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的前期階段，國(guó)外也無(wú)過(guò)多的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)可供參考。
