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够一座城用五小时,空气“充电宝”进入储能头部

壹零社发布时间:2024-05-10 08:41:08

  压气储能的能量转换效率是评估其性能的关键指标。传统压气储能存在能量损失和效率低的问题,而现代压气储能系统通过带储热系统提高转换效率。非绝热、绝热和等温非绝热是三条技术路线,其中等温非绝热压缩空气储能理论上转换效率可达95%,但面临技术和成本挑战。

  01“废热”的利用

  上一期我们已经介绍了压气储能的工作原理,这期要着重探究一下为什么压气储能的转换效率不高,又该如何提升。

  能量转换效率指的是,在能量储存和释放过程中实际可用的能量与输入能量的比值,这一指标对于评估储能技术的性能至关重要,因为它直接关系到系统在实际应用中的经济性和可行性。

  一般来说整个储能系统综合效率越高、收益就越高,以抽水蓄电站为例,若效率正好是75%,则在抽、发电上成本收益持平。

  当然,综合效率不仅仅包括能量转换效率,还包括自放电率、循环效率等等,自放电率反映了储能系统在静置状态下能量的自然损失,循环效率则考虑了储能系统在多次充放电循环过程中的能量损失。

  而压气储能电站的综合效率其实就是取决于能量转换效率。按照压气储能的工作流程,空气要先被压缩,这个阶段温度会升高并释放热量,这部分热能本身其实就是电能的一部分,所以能不能好好处理这部分热能,直接关系着整个压气储能系统的能量转换效率。

  传统压气储能会将我们上面提到的热能散去,这就直接造成了能源的损失,转换效率也低,比如1978年在德国最早投入运行的亨托夫(Huntorf)压气储能电站,它就不带储能系统,公开的转换效率在40%左右、实际运行效率大概在29%左右。同时,在放能过程中,储存于地下盐穴的高压空气通过透平(涡轮)向外做功,以前为了提高效率,还会使用天然气加热空气,这也不符合现在“双碳”目标的实现。

  不过,对于怎么利用这部分热能已经有了明确的方式。

  02 不断提高转换效率

  现代压气储能系统大多都是带储热系统的,根据对热能利用方式的不同,压气储能大致分为三条技术路线:非绝热压缩空气储能(D-CAES)、绝热压缩空气储能(A-CAES)、等温非绝热压缩空气储能(I-CAES)。

  D-CAES是比较传统的技术路线,就像上面提到的德国亨托夫压气储能电站一样,D-CAES的压缩系统会配备冷却器,将空气压缩产生的过多热量作为废热释放到大气中,基本浪费了用于执行压缩功的能量;压缩空气从储气室进入燃烧室后,也要利用天然气等燃料进一步提高温度,从而提升压缩空气的焓值并提高其做功能力,以达到提高循环效率的目的,也称之为补燃式压气储能。

  如上所述,这种技术路线的能量转换效率并不高,但优势在于能提供更长的储能时间——几乎和抽水蓄能的时长相当,更容易满足电力系统削峰填谷的需求,所以现在部分大规模储能项目还是会考虑D-CAES技术。

  而A-CAES应该是目前技术相对成熟且工程应用最多的非补燃式压气储能系统,它的特点就是对压气热能的回收利用。在储能过程中,压缩空气产生的热能会被回收储存在某种比热容较大的介质中,比如油(最高温可以达到300℃)、熔盐溶液(最高温600℃)或者陶瓷等等;在发电过程中,再利用回收的热能来加热高压空气,形成高温高压空气来驱动透平膨胀机发电。

  理论上看,这种路线非常之理想:相对于传统的D-CAES循环过程,A-CAES的储存压力和储存温度对循环效率没有影响,实现了循环过程中的能量平衡,即无需再依赖外部输入燃料。甚至能将压缩空气储能的转换效率提升到65%-70%。

  但是A-CAES是先压缩空气,再回收热能,这就要求其储热装置、换热装置、膨胀机等重要部件要长时间在高温条件下工作运行,对于机械的耐久性和稳定性要求较高,这就为其商业建设带来了较高的初始成本和运维成本。

  03 最先进的技术路线发展如何?

  更进一步的方式也有,即等温非绝热压缩空气储能(I-CAES)。I-CAES同样用比热容较大的介质储存热能,但和A-CAES不一样,它是即时回收,也就是一边压缩空气一边回收,这样不仅热能回收了,空气在压缩过程中温度其实还被控制在了一定范围内。

  再详细一点来说,I-CAES其实是强化了气水之间的换热:借助液体介质比热容大的特点,使气体和液体接触进行充分的热质交换,将气体在压缩或者膨胀时温度的变化控制在一个较小的范围内,因此大大降低了空气在运行过程中的温度变化,同时也减少了额外能量损失,使高发电效率成为可能。

  相关论文中也提到过转换效率与温度的关系。按照热力学理论,等温压缩过程中消耗的压缩功最小、等温膨胀过程中产生的膨胀功最大。换句话说,I-CAES系统如果采用多级压缩筒和膨胀筒以加强热交换,保持系统运行过程中的等温特性,那么整个系统几乎不会有热量散失,转换效率可以高达95%。

  当然,理论或实验室的结果,在真正工程落地过程中一般都会打折,等温压气储能系统也不例外,最瞩目的就是技术和成本问题。

  首先,作为先进压气储能技术的I-CAES,其大规模的等温控制技术尚不成熟。比如要维持工作温度,那么在储能过程的往复式压缩机中,就要通过使用带翅片的活塞和低循环速度来实现,也就意味着I-CAES仅适用于仅适用于低功率水平或者说小容量的储能场景,距离替代抽水蓄能还有一定距离。

  考虑到如今在发电侧,风电、光伏等可再生能源的大发展,使得电力系统波动性增强;在电能替代传统能源消费的驱使下,用电侧的居民用电峰谷差距持续拉大……新型电力系统的构建对灵活性资源的需求迫切,这也意味着,空气压缩储能系统尽管还需要突破技术与成本的束缚,但未来发展的市场空间只会越来越大。


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