世界首個(gè)“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲(chǔ)能電站投產(chǎn)

藏在地下的“空氣充電寶”

能否想到，我們身邊無處不在的空氣，既可儲(chǔ)能，也可發(fā)電?

在江蘇常州，就有這樣一座利用空氣來儲(chǔ)能、發(fā)電的電站——金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站。近日，該電站正式投產(chǎn)。這是世界首個(gè)“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲(chǔ)能電站，也是國內(nèi)首次利用鹽穴資源的發(fā)電項(xiàng)目。因容納壓縮空氣的“容器”——鹽穴位于地下近千米處，又被稱為藏在地下的“空氣充電寶”。

作為空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目，它的成功投產(chǎn)，標(biāo)志著我國壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)從理論實(shí)驗(yàn)到工程應(yīng)用質(zhì)的飛躍，堪稱我國新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的里程碑。中國科學(xué)院院士盧強(qiáng)表示，鹽穴“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)新能源大規(guī)模消納、建設(shè)新型電力系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)之一，對(duì)促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)升級(jí)和保障能源電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有十分重大的意義。

那么，這個(gè)藏在地下的“空氣充電寶”到底能存多少電，是如何充電、放電的?“非補(bǔ)燃”又是如何實(shí)現(xiàn)的?記者近日采訪了該項(xiàng)目有關(guān)負(fù)責(zé)同志。

安全環(huán)保儲(chǔ)能新方式

用電低谷壓縮空氣儲(chǔ)能，高峰釋放發(fā)電

6月24日9時(shí)57分，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站集控室內(nèi)，電話鈴聲響起。正在當(dāng)班的值長鄧建軍收到國網(wǎng)江蘇電力公司調(diào)度處指令，要求電站1號(hào)機(jī)組于“10時(shí)17分準(zhǔn)時(shí)并網(wǎng)調(diào)峰”。

一時(shí)間，集控室內(nèi)相關(guān)工作人員忙碌起來。

啟動(dòng)暖管操作，給換熱器預(yù)熱;打開儲(chǔ)氣鹽穴井口的控制閥，壓力接近140個(gè)大氣壓的空氣從地下千米深處的鹽穴奔涌而出，驅(qū)動(dòng)空氣透平膨脹機(jī)沖轉(zhuǎn)……10時(shí)17分，發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)時(shí)并入塢家變電站電網(wǎng)開始發(fā)電。

10余分鐘后，發(fā)電機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

……

下午3時(shí)，發(fā)電機(jī)組解列。此輪次發(fā)電作業(yè)完成。

在用電低谷時(shí)，利用低谷電或可再生能源棄電把空氣壓縮，存儲(chǔ)在地下鹽穴;在用電高峰時(shí)，釋放高壓空氣，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，保障用電需求。改變傳統(tǒng)電力“即發(fā)即用”現(xiàn)狀，削峰填谷，確保谷電不浪費(fèi)、峰電有加持，正是金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站作為“充電寶”的功能所在。

近年來，隨著風(fēng)、光等新能源的大規(guī)模開發(fā)，我國清潔能源裝機(jī)容量迅猛增加。據(jù)國家能源局最新消息，截至今年5月底，我國可再生能源發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到11億千瓦。其中，常規(guī)水電3.6億千瓦、抽水蓄能0.4億千瓦，風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等新能源發(fā)電裝機(jī)突破7億千瓦。

但是，風(fēng)、光等新能源發(fā)電需要“看天吃飯”，受環(huán)境影響很大。以風(fēng)電為例，風(fēng)大時(shí)發(fā)電就多，風(fēng)小時(shí)發(fā)電就少。夜晚用電負(fù)荷較小時(shí)，有可能發(fā)電量大，造成很多發(fā)出來的電無法上網(wǎng);相反，白天用電高峰期，可能發(fā)電量反而會(huì)少，導(dǎo)致電不夠用。這對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。

在這樣的大背景下，建設(shè)大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施顯得尤為迫切。

目前已有的儲(chǔ)能技術(shù)大致可以分為兩大類：一類是物理儲(chǔ)能，比如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等;另一類是化學(xué)儲(chǔ)能，主要包括各種電池，如鉛酸電池、鋰電池等。

記者了解到，不同的儲(chǔ)能技術(shù)各有優(yōu)劣。抽水蓄能發(fā)電效率高、規(guī)模大，但需要豐富的水資源，受地理環(huán)境的影響很大;飛輪儲(chǔ)能技術(shù)適用于軌道交通等小規(guī)模儲(chǔ)能;而電池儲(chǔ)能雖然能量轉(zhuǎn)換速度快，但是壽命有限、成本較高，還有后續(xù)處理問題。

“當(dāng)前應(yīng)用最成熟的是抽水蓄能技術(shù)。”華能金陵電廠副總經(jīng)理、中鹽華能儲(chǔ)能科技有限公司總經(jīng)理藺通告訴記者，而壓縮空氣儲(chǔ)能可以說是目前唯一能與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，“相比之下，壓縮空氣儲(chǔ)能規(guī)模大，又安全環(huán)保、占地面積小，是大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域開發(fā)的新趨勢(shì)。”

壓縮空氣儲(chǔ)能是一種新型儲(chǔ)能技術(shù)。今年2月國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中，曾多次提到這一技術(shù)。

江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目是我國空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目，由中國華能集團(tuán)、中鹽集團(tuán)和清華大學(xué)三方項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)，中國華能集團(tuán)江蘇公司負(fù)責(zé)建設(shè)、調(diào)試和運(yùn)維，一期工程發(fā)電裝機(jī)60兆瓦，儲(chǔ)能容量30萬千瓦時(shí)，預(yù)計(jì)年發(fā)電量約1億千瓦時(shí)。

“可為江蘇電網(wǎng)提供±6萬千瓦調(diào)峰能力。”藺通告訴記者，對(duì)于電網(wǎng)峰谷差較大的江蘇而言，這樣的“充電寶”無疑是一場(chǎng)“及時(shí)雨”。

千年鹽穴變身“儲(chǔ)氣罐”

發(fā)電5小時(shí)能滿足6萬人一天用電需求

在距離金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站東北方向一公里左右的茅八井，是這個(gè)電站的核心部分——鹽穴。

“這是儲(chǔ)存壓縮空氣的地方，就相當(dāng)于抽水蓄能的水庫。”藺通介紹說，儲(chǔ)氣的裝置有很多，比如壓力容器、管線鋼等，“利用鹽穴資源儲(chǔ)氣發(fā)電，這在國內(nèi)尚屬首次。”

鹽穴，即地下鹽層被開采后留下的礦洞，密封性良好且多數(shù)處于閑置狀態(tài)，適于儲(chǔ)存石油、天然氣等重要戰(zhàn)略物資，也是儲(chǔ)存高壓空氣的理想場(chǎng)所。與新建鋼罐等壓力容器儲(chǔ)存的方式相比，利用鹽穴可顯著降低原材料、用地等方面的成本。

“我國鹽穴資源豐富，目前僅金壇就擁有地下鹽穴資源約1000萬立方米，理論上可以建設(shè)超過4000兆瓦的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。這些鹽穴多分布在地下800米到1000米，抗壓能力強(qiáng)。”華能江蘇公司金陵電廠儲(chǔ)能項(xiàng)目部副主任林迎虎告訴記者，但這并不意味著所有的鹽穴都可以作為壓縮空氣儲(chǔ)存裝置，還需要滿足容積適當(dāng)、地質(zhì)穩(wěn)定、距離合適等條件。

金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目所使用的茅八井鹽穴位于地下1000米左右，梨形腔體最大直徑約80米，高度超過100米，容積超過22萬立方米，相當(dāng)于105個(gè)標(biāo)準(zhǔn)泳池。且鹽穴壁光滑，整體形態(tài)比較穩(wěn)定，氣密封測(cè)試完全能夠滿足空氣儲(chǔ)能的要求，最高可承受200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

不過，鹽穴原本的口徑較小，承擔(dān)不了高流量、高速率的氣流運(yùn)輸。科研人員決定對(duì)其進(jìn)行改造：將原有的一口老井封堵，重新鉆探了兩口大口徑的井。不過由于國內(nèi)是首次鉆探大口徑鹽井，因此困難很多，整個(gè)建設(shè)經(jīng)歷了將近兩年時(shí)間。

“如果把鹽穴比作一個(gè)體積固定的超大號(hào)氣球，那么儲(chǔ)能的過程就是吹氣球的過程。”藺通給記者打了個(gè)比方。他告訴記者，該項(xiàng)目攻克了世界上參數(shù)最高的離心式壓縮機(jī)，這是“吹氣”的關(guān)鍵裝置，通過這一裝置，可將1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣壓縮為140個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的高壓空氣，存入“氣球”;待用電高峰時(shí)，再釋放高壓空氣，驅(qū)動(dòng)空氣透平膨脹機(jī)，讓“風(fēng)車”旋轉(zhuǎn)起來，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

“我們一般是晚上11點(diǎn)、12點(diǎn)用電低谷期開始儲(chǔ)能，到第二天早上，一個(gè)儲(chǔ)能周期是8個(gè)小時(shí)。”林迎虎告訴記者，用電高峰期滿負(fù)荷發(fā)電，一個(gè)小時(shí)能發(fā)6萬度電，可以連續(xù)發(fā)5個(gè)小時(shí)，“也就是30萬度電，相當(dāng)于6萬居民一天的用電量。”

記者了解到，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站二期項(xiàng)目規(guī)模計(jì)劃400兆瓦，三期項(xiàng)目規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到1000兆瓦以上。以金壇擁有的鹽穴儲(chǔ)氣庫總量來看，將來儲(chǔ)能能力可達(dá)現(xiàn)在的60余倍。

有專家表示，地下鹽穴具有體積大、密閉性好、穩(wěn)定性高的天然優(yōu)勢(shì)，可為壓縮空氣儲(chǔ)能提供優(yōu)良的儲(chǔ)氣條件，是壓縮空氣儲(chǔ)能地下儲(chǔ)氣庫的首選。未來，棄礦洞、人工地下儲(chǔ)氣庫等其他地下空間也是地下儲(chǔ)氣庫的可行選項(xiàng)。

世界首次實(shí)現(xiàn)壓縮空氣零碳發(fā)電

電能轉(zhuǎn)換效率提升至60%以上，全過程無燃燒、無排放

其實(shí)，用鹽穴來儲(chǔ)能發(fā)電雖是國內(nèi)首次，但在世界上早有先例。金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站的特殊之處在于——“非補(bǔ)燃”技術(shù)的運(yùn)用。

何為“非補(bǔ)燃”技術(shù)?即在壓縮空氣發(fā)電過程中不依賴煤、天然氣等外部能源燃燒。

據(jù)了解，鹽穴的高壓空氣被釋放出來后，需要加熱膨脹以產(chǎn)生更大的推力，維持系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。目前世界上已投運(yùn)的鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站都需要燒煤或天然氣來加熱空氣，這個(gè)過程就叫做“補(bǔ)燃”，不可避免地會(huì)產(chǎn)生污染物排放。

而金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站，則完全不依賴外界能源，是利用自身的“內(nèi)循環(huán)”，將壓縮空氣過程中產(chǎn)生的大量熱能儲(chǔ)存起來。待發(fā)電時(shí)，再將儲(chǔ)存的熱能釋放，成為天然的“助推劑”。儲(chǔ)能、發(fā)電整個(gè)過程全部是物理過程，所以沒有任何燃燒、排放。

據(jù)了解，當(dāng)前國際上投運(yùn)的鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)均為補(bǔ)燃式，去除化石燃料部分，其電能轉(zhuǎn)換效率只有20%左右。也就是說，用100度電來儲(chǔ)能，最終只能發(fā)出20度電。金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能工程采用“非補(bǔ)燃”技術(shù)后，可將電能轉(zhuǎn)換效率提升至60%以上，在世界上首次實(shí)現(xiàn)壓縮空氣零碳發(fā)電。

“‘非補(bǔ)燃’技術(shù)在世界上沒有先例，我們攻克了壓縮機(jī)等一系列關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和工程化應(yīng)用難題。”藺通說，國內(nèi)外都沒有任何技術(shù)方案可以參考，只能從零開始，一步步摸索。

在電站一側(cè)，7個(gè)巨大的罐體十分顯眼，空氣壓縮時(shí)產(chǎn)生的熱能就是儲(chǔ)存在這里。兩座大廠房中間，密密麻麻的管道縱橫交錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)“非補(bǔ)燃”技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)施——發(fā)夾式換熱器就在其中。

“當(dāng)時(shí)我拿到這個(gè)圖紙的時(shí)候，感覺震驚。各種錯(cuò)綜復(fù)雜的管道牽扯到各個(gè)專業(yè)，消防水管道、循環(huán)水管道、閉冷水管道以及熱油管道、冷油管道、電纜的電纜溝……形成了一個(gè)相當(dāng)于五六層立交橋的形式，每一個(gè)管道的走向、用途、埋深、直徑等都各不相同。”林迎虎回憶起初到項(xiàng)目時(shí)的情景，從設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)，到換熱介質(zhì)等卡脖子問題的解決，每一步都仍覺不可思議。

在電站廠房?jī)?nèi)，有一個(gè)通體白色的“大家伙”，叫做空氣透平膨脹機(jī)。“長9米、高4米、重超160噸，是目前世界上最大的‘非補(bǔ)燃’式空氣透平設(shè)備。”提及此，藺通十分自豪。這一裝置就相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)，是發(fā)電的“動(dòng)力源”，“發(fā)電前，空氣透平膨脹機(jī)開始暖機(jī)升速，隨后存儲(chǔ)在鹽穴中的高壓低溫空氣和儲(chǔ)存在導(dǎo)熱油罐中的熱能被同時(shí)釋放，電站便開始發(fā)電了。

從項(xiàng)目萌芽、落地規(guī)劃到初具雛形、正式投產(chǎn)，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)嘗盡了酸甜苦辣：近十年的研發(fā)，歷時(shí)兩年建設(shè)。

藺通至今仍記得2021年9月30日上午10點(diǎn)，電站發(fā)出第一度電的場(chǎng)景，“集控室內(nèi)，掌聲雷動(dòng)，經(jīng)久不息。”

如今，已形成具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)體系，核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)了100%國產(chǎn)化，申請(qǐng)專利百余項(xiàng)，發(fā)布了國內(nèi)首個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站KKS編碼類標(biāo)準(zhǔn)……可以說，項(xiàng)目為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供了技術(shù)支撐和基礎(chǔ)裝備，助力“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。記者了解到，目前，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能二期項(xiàng)目建設(shè)工作正在加緊推進(jìn)。