世界首個“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲能電站投產(chǎn)

　　藏在地下的“空氣充電寶”

　　本報記者 王珍

　　能否想到，我們身邊無處不在的空氣，既可儲能，也可發(fā)電？

　　在江蘇常州，就有這樣一座利用空氣來儲能、發(fā)電的電站——金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站。近日，該電站正式投產(chǎn)。這是世界首個“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲能電站，也是國內(nèi)首次利用鹽穴資源的發(fā)電項目。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”。

　　作為空氣儲能領(lǐng)域的國家試驗示范項目，它的成功投產(chǎn)，標(biāo)志著我國壓縮空氣儲能技術(shù)實現(xiàn)從理論實驗到工程應(yīng)用質(zhì)的飛躍，堪稱我國新型儲能技術(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”壓縮空氣儲能技術(shù)是實現(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，對促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)升級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”又是如何實現(xiàn)的？記者近日采訪了該項目有關(guān)負(fù)責(zé)同志。

　　安全環(huán)保儲能新方式

　　用電低谷壓縮空氣儲能，高峰釋放發(fā)電

　　6月24日9時57分，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站集控室內(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號機(jī)組于“10時17分準(zhǔn)時并網(wǎng)調(diào)峰”。

　　一時間，集控室內(nèi)相關(guān)工作人員忙碌起來。

　　啟動暖管操作，給換熱器預(yù)熱；打開儲氣鹽穴井口的控制閥，壓力接近140個大氣壓的空氣從地下千米深處的鹽穴奔涌而出，驅(qū)動空氣透平膨脹機(jī)沖轉(zhuǎn)……10時17分，發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)時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)。

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　　下午3時，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，利用低谷電或可再生能源棄電把空氣壓縮，存儲在地下鹽穴；在用電高峰時，釋放高壓空氣，帶動發(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)大時發(fā)電就多，風(fēng)小時發(fā)電就少。夜晚用電負(fù)荷較小時，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)電量反而會少，導(dǎo)致電不夠用。這對電網(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)模儲能設(shè)施顯得尤為迫切。

　　目前已有的儲能技術(shù)大致可以分為兩大類：一類是物理儲能，比如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；另一類是化學(xué)儲能，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；飛輪儲能技術(shù)適用于軌道交通等小規(guī)模儲能；而電池儲能雖然能量轉(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)?！比A能金陵電廠副總經(jīng)理、中鹽華能儲能科技有限公司總經(jīng)理藺通告訴記者，而壓縮空氣儲能可以說是目前唯一能與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲能技術(shù)，“相比之下，壓縮空氣儲能規(guī)模大，又安全環(huán)保、占地面積小，是大規(guī)模儲能領(lǐng)域開發(fā)的新趨勢?！?/p>

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

　　江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站項目是我國空氣儲能領(lǐng)域的國家試驗示范項目，由中國華能集團(tuán)、中鹽集團(tuán)和清華大學(xué)三方項目團(tuán)隊共同開發(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，儲能容量30萬千瓦時，預(yù)計年發(fā)電量約1億千瓦時。

　　“可為江蘇電網(wǎng)提供±6萬千瓦調(diào)峰能力?！碧A通告訴記者，對于電網(wǎng)峰谷差較大的江蘇而言，這樣的“充電寶”無疑是一場“及時雨”。

　　千年鹽穴變身“儲氣罐”

　　發(fā)電5小時能滿足6萬人一天用電需求

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

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

　　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)，適于儲存石油、天然氣等重要戰(zhàn)略物資，也是儲存高壓空氣的理想場所。與新建鋼罐等壓力容器儲存的方式相比，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能電站。這些鹽穴多分布在地下800米到1000米，抗壓能力強(qiáng)?！比A能江蘇公司金陵電廠儲能項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能電站項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，氣密封測試完全能夠滿足空氣儲能的要求，最高可承受200個標(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，整個建設(shè)經(jīng)歷了將近兩年時間。

　　“如果把鹽穴比作一個體積固定的超大號氣球，那么儲能的過程就是吹氣球的過程。”藺通給記者打了個比方。他告訴記者，該項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個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣壓縮為140個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的高壓空氣，存入“氣球”；待用電高峰時，再釋放高壓空氣，驅(qū)動空氣透平膨脹機(jī)，讓“風(fēng)車”旋轉(zhuǎn)起來，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

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

　　記者了解到，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站二期項目規(guī)模計劃400兆瓦，三期項目規(guī)模預(yù)計達(dá)到1000兆瓦以上。以金壇擁有的鹽穴儲氣庫總量來看，將來儲能能力可達(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，可為壓縮空氣儲能提供優(yōu)良的儲氣條件，是壓縮空氣儲能地下儲氣庫的首選。未來，棄礦洞、人工地下儲氣庫等其他地下空間也是地下儲氣庫的可行選項。

　　世界首次實現(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，用鹽穴來儲能發(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)的鹽穴壓縮空氣儲能電站都需要燒煤或天然氣來加熱空氣，這個過程就叫做“補(bǔ)燃”，不可避免地會產(chǎn)生污染物排放。

　　而金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站，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)生的大量熱能儲存起來。待發(fā)電時，再將儲存的熱能釋放，成為天然的“助推劑”。儲能、發(fā)電整個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度電來儲能，最終只能發(fā)出20度電。金壇鹽穴壓縮空氣儲能工程采用“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)計制造和工程化應(yīng)用難題?！碧A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個巨大的罐體十分顯眼，空氣壓縮時產(chǎn)生的熱能就是儲存在這里。兩座大廠房中間，密密麻麻的管道縱橫交錯，實現(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)時我拿到這個圖紙的時候，感覺震驚。各種錯綜復(fù)雜的管道牽扯到各個專業(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……形成了一個相當(dāng)于五六層立交橋的形式，每一個管道的走向、用途、埋深、直徑等都各不相同?！绷钟⒒貞浧鸪醯巾椖繒r的情景，從設(shè)備設(shè)計研發(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。

　　在電站廠房內(nèi)，有一個通體白色的“大家伙”，叫做空氣透平膨脹機(jī)?！伴L9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?！碧峒按?，藺通十分自豪。這一裝置就相當(dāng)于發(fā)動機(jī)，是發(fā)電的“動力源”，“發(fā)電前，空氣透平膨脹機(jī)開始暖機(jī)升速，隨后存儲在鹽穴中的高壓低溫空氣和儲存在導(dǎo)熱油罐中的熱能被同時釋放，電站便開始發(fā)電了。

　　從項目萌芽、落地規(guī)劃到初具雛形、正式投產(chǎn)，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站項目團(tuán)隊嘗盡了酸甜苦辣：近十年的研發(fā)，歷時兩年建設(shè)。

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

　　如今，已形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲能技術(shù)體系，核心設(shè)備實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化，申請專利百余項，發(fā)布了國內(nèi)首個壓縮空氣儲能電站KKS編碼類標(biāo)準(zhǔn)……可以說，項目為新型電力系統(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)的實現(xiàn)。記者了解到，目前，金壇鹽穴壓縮空氣儲能二期項目建設(shè)工作正在加緊推進(jìn)。