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液態(tài)空氣儲能的現(xiàn)狀與前景

能源雜志發(fā)布時間:2021-01-25 10:51:22

2020年6月,國家能源局印發(fā)《2020年能源工作指導意見》指出“穩(wěn)妥有序推進能源關鍵技術裝備攻關,推動儲能技術進步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。加大儲能發(fā)展力度”。大規(guī)模長時儲能技術是世界各國科技創(chuàng)新的重要戰(zhàn)略,也是實現(xiàn)技術引領的主要方向。

近年來,全球儲能產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展,電源側、電網(wǎng)側和用戶側儲能市場規(guī)模在萬億美元以上,且每年以9%的速度增長,遠高于全球電力行業(yè)2.5%的增長率。尤其是以風、光為代表的可再生能源迅速發(fā)展為儲能行業(yè)發(fā)展帶來巨大市場空間。

截至2019年底,全國風電裝機2.1億千瓦,風電發(fā)電量4057億千瓦時,占全部發(fā)電量的5.5%;光伏發(fā)電裝機2.04億千瓦,光伏發(fā)電量2243億千瓦時,占全部發(fā)電量的3.1%。國內(nèi)外專家學者一致認為到2050年,全球可再生能源占比將超過50%。然而,由于新能源間歇性和不穩(wěn)定性,可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)和安全穩(wěn)定地運行仍存在壓力。

大規(guī)模儲能技術的應用能有效解決上述問題。在諸多儲能技術中,可以規(guī)模應用的主要為抽水蓄能、大容量電池儲能和壓縮空氣儲能。抽水蓄能須建在具有合適地勢差和豐富水源的非嚴寒地帶,受地理條件限制較高;大容量電池儲能在經(jīng)濟性、安全性、循環(huán)壽命及廢舊電池處理等方面將面臨制約;壓縮空氣儲能具有綠色、安全、長壽命等優(yōu)點,但遺憾的是其嚴重依賴地理條件,儲能密度低,難以廣泛推廣。

基于新型深冷科技的液態(tài)空氣儲能(LAES)技術是實現(xiàn)新能源并網(wǎng)消納、合理吸收低谷電、余熱資源,并可以穩(wěn)定輸出冷、熱、電及工業(yè)用氣等多種能源的新型儲能方法。

液態(tài)空氣儲能技術原理

液態(tài)空氣儲能具有大規(guī)模長時儲能、清潔低碳、安全、長壽命和不受地理條件限制等突出優(yōu)點,其應用場景廣泛,尤其是在可再生能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、黑啟動、分布式能源、微網(wǎng)和綜合能源服務等領域具有特別優(yōu)勢。

從技術原理看,在儲能階段,儲能系統(tǒng)利用可再生能源電能或電網(wǎng)夜間低谷電驅(qū)動壓縮機壓縮環(huán)境空氣,高壓空氣經(jīng)蓄冷器預冷后節(jié)流液化,將電能以常壓低溫液態(tài)空氣形式儲存,同時存儲壓縮熱。

在釋能階段,液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵增壓后,通過蓄冷器儲存冷量并氣化,經(jīng)壓縮熱(可選太陽能光熱或工業(yè)中低溫余熱)加熱后,產(chǎn)生高壓高溫氣體驅(qū)動空氣透平旋轉(zhuǎn)做功,帶動發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)。同時,系統(tǒng)中富余的壓縮熱能可部分用于生活熱水供應或冬季采暖,部分用于吸收式制冷機組供應空調(diào)冷水用于夏季供冷。系統(tǒng)可根據(jù)不同季節(jié)不同的能量需求靈活調(diào)整冷熱電供應比例,實現(xiàn)經(jīng)濟性最優(yōu)。

未來的液空儲能電站將是一座可實現(xiàn)多能互補和多能聯(lián)供的智慧綜合能源基站。由于液態(tài)空氣的密度遠大于壓縮空氣的密度,其儲能密度(單位儲氣容積的發(fā)電量)是壓縮空氣儲能的15-20倍,不需要依賴特殊地理條件(地下鹽穴、礦井),也無需使用大量高壓容器,系統(tǒng)無任何安全性問題。正是基于其顯著優(yōu)勢,液態(tài)空氣儲能有望成為最具發(fā)展前景的新興能源技術之一,也是未來智能電網(wǎng)的主流支撐技術之一。

低溫蓄冷技術是液空儲能核心

從液態(tài)空氣儲能的實踐看,英國Highview公司和伯明翰大學正在對液態(tài)空氣儲能技術進行研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化,于2012年在英國建成350kW/2.5MWh實驗平臺。同時,該團隊于2014年開始建造5MW/15MWh示范項目,并正在美國開展50MW/250MWh儲能電站建設,將在2022年開始運轉(zhuǎn)。

在國內(nèi),2017年中科院理化所團隊在廊坊中試基地完成了100kW低溫液態(tài)空氣儲能示范平臺的建設,取得了良好的實驗結果,蓄冷效率達到了90%,系統(tǒng)整體效率可達60%,達到國際領先水平。

低溫蓄冷技術是液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的核心,決定系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率。依托低溫蓄冷技術可以存儲液態(tài)空氣復溫過程中產(chǎn)生的高品位冷能,可以用于預冷液化系統(tǒng)中的高壓空氣,大幅增加了空氣液化率。中科院理化所在該領域開展了多年研究,團隊與國家電網(wǎng)科研團隊密切合作,在新型蓄冷介質(zhì)、深低溫冷能傳遞機理等基礎研究,以及新型蓄冷工藝和結構設計等方面取得了一系列原創(chuàng)成果。

2020年,團隊搭建了500kW級固相蓄冷工程驗證平臺,可實現(xiàn)大功率模塊化串、并聯(lián)蓄冷;搭建了100kW級混合工質(zhì)蓄冷工程驗證平臺,可實現(xiàn)多種蓄冷工質(zhì)的低溫蓄冷實驗,并完成了-160℃溫區(qū)的混合工質(zhì)測試。

同時,團隊完成了液空儲能系統(tǒng)和風電、太陽能光熱、燃氣輪機調(diào)峰電站、深度調(diào)峰火電廠及LNG接收站的深度耦合應用研究,建立了多個功率等級基于液空儲能的多能互補和多能聯(lián)供系統(tǒng)工程化實施方案以及經(jīng)濟分析模型,促進了液空儲能技術在智慧綜合能源領域的應用。

建議推進百兆瓦級液空儲能技術研究

針對液態(tài)空氣儲能大功率,高能量轉(zhuǎn)換效率、高可靠性的需求,未來建議開展百兆瓦級高效液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)共性關鍵技術研究,重點部署大功率液態(tài)空氣儲能關鍵工藝研究、冷/熱能多級儲存利用技術研究、高效寬工況壓縮/膨脹技術研究、系統(tǒng)集成及運行控制技術研究。

目前,儲能商業(yè)模式并不明晰,且液態(tài)空氣儲能技術尚處于示范到商業(yè)化應用的過渡階段。我們認為,積極開展液態(tài)空氣儲能在發(fā)電側、電網(wǎng)側和用戶側等不同應用場景中應用分析,將有助于該技術的廣泛推廣,獲得能源投資企業(yè)、電網(wǎng)、用戶等各方的廣泛支持。同時,基于液態(tài)空氣儲能的大規(guī)模長時儲能的優(yōu)勢,在傳統(tǒng)分散儲能設備的基礎上,研究大規(guī)模共享儲能將會釋放液態(tài)空氣儲能更大的商業(yè)價值。


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