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液態空氣儲能的現狀與前景

  • 2021-01-21
  • 來源:能源雜志

2020年6月,國家能源局印發《2020年能源工作指導意見》指出“穩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業發展。加大儲能發展力度”。大規模長時儲能技術是世界各國科技創新的重要戰略,也是實現技術引領的主要方向。

近年來,全球儲能產業得到快速發展,電源側、電網側和用戶側儲能市場規模在萬億美元以上,且每年以9%的速度增長,遠高于全球電力行業2.5%的增長率。尤其是以風、光為代表的可再生能源迅速發展為儲能行業發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,風電發電量4057億千瓦時,占全部發電量的5.5%;光伏發電裝機2.04億千瓦,光伏發電量2243億千瓦時,占全部發電量的3.1%。國內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定性,可再生能源大規模并網和安全穩定地運行仍存在壓力。

大規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濟性、安全性、循環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空氣儲能(LAES)技術是實現新能源并網消納、合理吸收低谷電、余熱資源,并可以穩定輸出冷、熱、電及工業用氣等多種能源的新型儲能方法。

液態空氣儲能技術原理

液態空氣儲能具有大規模長時儲能、清潔低碳、安全、長壽命和不受地理條件限制等突出優點,其應用場景廣泛,尤其是在可再生能源消納、電網調峰調頻、黑啟動、分布式能源、微網和綜合能源服務等領域具有特別優勢。

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

在釋能階段,液態空氣經低溫泵增壓后,通過蓄冷器儲存冷量并氣化,經壓縮熱(可選太陽能光熱或工業中低溫余熱)加熱后,產生高壓高溫氣體驅動空氣透平旋轉做功,帶動發電機發電并網。同時,系統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冷水用于夏季供冷。系統可根據不同季節不同的能量需求靈活調整冷熱電供應比例,實現經濟性最優。

未來的液空儲能電站將是一座可實現多能互補和多能聯供的智慧綜合能源基站。由于液態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,系統無任何安全性問題。正是基于其顯著優勢,液態空氣儲能有望成為最具發展前景的新興能源技術之一,也是未來智能電網的主流支撐技術之一。

低溫蓄冷技術是液空儲能核心

從液態空氣儲能的實踐看,英國Highview公司和伯明翰大學正在對液態空氣儲能技術進行研發及產業化,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。

在國內,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%,系統整體效率可達60%,達到國際領先水平。

低溫蓄冷技術是液態空氣儲能系統的核心,決定系統能量轉化率。依托低溫蓄冷技術可以存儲液態空氣復溫過程中產生的高品位冷能,可以用于預冷液化系統中的高壓空氣,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,團隊與國家電網科研團隊密切合作,在新型蓄冷介質、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成果。

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

同時,團隊完成了液空儲能系統和風電、太陽能光熱、燃氣輪機調峰電站、深度調峰火電廠及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供系統工程化實施方案以及經濟分析模型,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

針對液態空氣儲能大功率,高能量轉換效率、高可靠性的需求,未來建議開展百兆瓦級高效液態空氣儲能系統共性關鍵技術研究,重點部署大功率液態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、系統集成及運行控制技術研究。

目前,儲能商業模式并不明晰,且液態空氣儲能技術尚處于示范到商業化應用的過渡階段。我們認為,積極開展液態空氣儲能在發電側、電網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、電網、用戶等各方的廣泛支持。同時,基于液態空氣儲能的大規模長時儲能的優勢,在傳統分散儲能設備的基礎上,研究大規模共享儲能將會釋放液態空氣儲能更大的商業價值。

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