依托清華大學(xué)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)，金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目申請(qǐng)專利百余項(xiàng)，建立了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系;研發(fā)了高負(fù)荷離心壓縮機(jī)、高參數(shù)換熱器、大型空氣透平等關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了主裝備的完全國(guó)產(chǎn)化。

近日，壓力超過(guò)100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)世界最大的空氣透平做功，向國(guó)家電網(wǎng)發(fā)出我國(guó)首個(gè)大型壓縮空氣儲(chǔ)能電站的第一度電。這標(biāo)志著世界首個(gè)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站——金壇壓縮空氣儲(chǔ)能國(guó)家試驗(yàn)示范項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目)并網(wǎng)試驗(yàn)成功，我國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得了重大進(jìn)展。

該電站是壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域唯一國(guó)家示范項(xiàng)目，也是國(guó)家能源局和江蘇省重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目，一期工程發(fā)電裝機(jī)60兆瓦，儲(chǔ)能容量300兆瓦時(shí)，遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)模1000兆瓦。

非補(bǔ)燃意味著什么?這種儲(chǔ)能發(fā)電方式投運(yùn)將會(huì)為電網(wǎng)安全和發(fā)展清潔能源帶來(lái)哪些改變?

地下鹽穴成了天然儲(chǔ)氣罐

近年來(lái)，隨著對(duì)光伏和海上風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，我國(guó)新能源發(fā)電裝機(jī)容量迅猛增加。以江蘇為例，截至2020年底，新能源發(fā)電裝機(jī)容量已突破4000萬(wàn)千瓦，占全省發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?2.8%。新能源“看天吃飯”的特性使得電網(wǎng)易出現(xiàn)較大峰谷差，因而電網(wǎng)面臨巨大的新能源消納和電力供需平衡壓力。因此，建設(shè)大規(guī)模儲(chǔ)能發(fā)電設(shè)施，就成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的迫切需求。

國(guó)家電網(wǎng)常州供電公司項(xiàng)目管理中心副主任張雄偉介紹，抽水蓄能是實(shí)現(xiàn)電能大規(guī)模儲(chǔ)存和“削峰填谷”較普遍的解決方案，但目前江蘇省抽水蓄能資源幾乎已開(kāi)發(fā)殆盡。相比之下，鹽穴儲(chǔ)能因壽命長(zhǎng)、成本低、安全環(huán)保、占地面積小，就成為了發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能的重要方向。

鹽穴儲(chǔ)能是通過(guò)鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)是用電網(wǎng)過(guò)剩或非峰值電能將空氣壓縮至高壓狀態(tài)，并儲(chǔ)存至地下鹽穴;在高峰用電時(shí)，再將壓縮空氣加以釋放做功發(fā)電。

鹽穴，即鹽礦開(kāi)采后留下的礦洞，是儲(chǔ)存高壓空氣的理想場(chǎng)所。江蘇常州金壇西北部的丘陵地帶地下1000多米的深處，有一個(gè)巨大的鹽礦。金壇探明的地下鹽礦面積為66.5平方公里，總儲(chǔ)量達(dá)125億多噸，相當(dāng)于兩個(gè)半太湖水的重量。開(kāi)采地下鹽礦通常是將水注入鹽層，待鹽溶解后再抽出鹵水，鹽礦開(kāi)采結(jié)束后形成了一個(gè)個(gè)地下鹽穴。中鹽華能儲(chǔ)能科技有限公司副總經(jīng)理王國(guó)華介紹，他們通過(guò)造腔和注采技術(shù)控制，讓這些分布在地下1000米深處的鹽穴呈現(xiàn)不同的形態(tài)，有的似鐘、有的像梨，這些鹽穴是天然的儲(chǔ)氣罐。

目前，金壇擁有地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)約1000萬(wàn)立方米，理論上可以建設(shè)發(fā)電裝機(jī)超過(guò)4000兆瓦的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。

非補(bǔ)燃技術(shù)可實(shí)現(xiàn)零碳排放

壓縮空氣儲(chǔ)能并非新技術(shù)，但數(shù)十年來(lái)，相關(guān)工程基本處于停滯不前的狀態(tài)。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩類。

“目前，國(guó)際上投入商運(yùn)的2套壓縮空氣儲(chǔ)能電站均為補(bǔ)燃式，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要消耗化石燃料，其電能轉(zhuǎn)換效率較低。”金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目總工程師、清華大學(xué)電機(jī)系教師薛小代告訴科技日?qǐng)?bào)記者，這樣的運(yùn)行方式既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。

如何尋找突破口?

2011年，清華大學(xué)盧強(qiáng)、梅生偉團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索非補(bǔ)燃式技術(shù)路線。經(jīng)過(guò)數(shù)年的研發(fā)、小規(guī)模試驗(yàn)，全套技術(shù)方案逐漸成熟起來(lái)，科研人員不滿足于“制作盆景”，他們渴望建設(shè)一套商業(yè)化運(yùn)行的大型壓縮空氣儲(chǔ)能電站。2017年，國(guó)家能源局批準(zhǔn)中鹽集團(tuán)、中國(guó)華能集團(tuán)與清華大學(xué)共同實(shí)施金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目。

清華大學(xué)盧強(qiáng)院士介紹說(shuō)，與國(guó)外壓縮空氣儲(chǔ)能電站相比，該項(xiàng)目最大的創(chuàng)新點(diǎn)是在世界上首次采用了非補(bǔ)燃技術(shù)，在壓縮空氣發(fā)電過(guò)程中不依賴外界能源，從而實(shí)現(xiàn)零碳排放。

在夜晚電力較為富余時(shí)，金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目會(huì)利用多級(jí)壓縮機(jī)，將空氣壓縮注入地下鹽穴，氣壓達(dá)到12—14兆帕，完成了電能到空氣壓力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換。壓縮空氣過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，溫度可達(dá)300攝氏度，在國(guó)外的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，這些熱能被白白浪費(fèi)，而我國(guó)采取的辦法是通過(guò)熱交換設(shè)備將熱能儲(chǔ)存在幾個(gè)巨大的儲(chǔ)熱裝置中，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化。

到了白天電力需求較大時(shí)，壓縮空氣被釋放出來(lái)，經(jīng)儲(chǔ)熱裝置中的熱能加熱后，成為了數(shù)百攝氏度的高溫高壓氣，進(jìn)入空氣透平發(fā)電，完成了空氣壓力勢(shì)能到電能的轉(zhuǎn)換。

多了熱交換，少了燃?xì)饧訜?，一進(jìn)一出后，金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目工程的電能轉(zhuǎn)換效率提升至60%以上，并且全過(guò)程無(wú)燃燒、無(wú)排放。

該項(xiàng)目首席科學(xué)家，青海大學(xué)副校長(zhǎng)、清華大學(xué)教授梅生偉介紹，此次并網(wǎng)試驗(yàn)成功驗(yàn)證了鹽穴儲(chǔ)氣系統(tǒng)、儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)、新型空氣透平發(fā)電系統(tǒng)所有首臺(tái)套設(shè)備的研制成果，為非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要里程碑，將為我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能乃至能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐。

“中國(guó)創(chuàng)造”與“中國(guó)制造”齊頭并進(jìn)

實(shí)現(xiàn)鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電，理論推導(dǎo)看似簡(jiǎn)單，但是將原理圖轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用卻并非易事，每一步都凝結(jié)著設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的縝密思考和辛勤付出。

“我們遇到最大的障礙就是關(guān)鍵設(shè)備基本空白。”梅生偉告訴記者，由于在國(guó)內(nèi)無(wú)法找到現(xiàn)成的大流量壓縮機(jī)、大功率換華(熱交換設(shè)備)、透平膨脹機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，他們只能帶著相關(guān)廠家技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)研究開(kāi)發(fā)。作為世界首個(gè)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站，該項(xiàng)目所有主設(shè)備均為國(guó)產(chǎn)首臺(tái)套。

金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目承擔(dān)方充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，中鹽集團(tuán)利用先進(jìn)的造腔和注采技術(shù)，承擔(dān)地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè);中國(guó)華能集團(tuán)發(fā)揮電力專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，承擔(dān)項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)維。同時(shí)，項(xiàng)目建設(shè)還集結(jié)了我國(guó)能源行業(yè)的“國(guó)家隊(duì)”，國(guó)家電網(wǎng)、東方電氣、哈爾濱電氣、上海電氣、中國(guó)能建、中國(guó)電建、中國(guó)石油、中國(guó)石化、沈鼓集團(tuán)和浙建集團(tuán)均參與了項(xiàng)目建設(shè)。

在“中國(guó)創(chuàng)造”實(shí)踐方面，依托清華大學(xué)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)，金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目申請(qǐng)專利百余項(xiàng)，建立了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系;研發(fā)了高負(fù)荷離心壓縮機(jī)、高參數(shù)換熱器、大型空氣透平等關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了主裝備的完全國(guó)產(chǎn)化。在“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)”創(chuàng)建方面，該項(xiàng)目發(fā)布了我國(guó)首個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站KKS編碼標(biāo)準(zhǔn)，立項(xiàng)壓縮空氣儲(chǔ)能首個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、首個(gè)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及3個(gè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，逐漸構(gòu)建了中國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系。

張雄偉介紹，為幫助這一項(xiàng)目盡早并網(wǎng)發(fā)電，國(guó)家電網(wǎng)常州供電公司于2020年10月啟動(dòng)了進(jìn)線工程建設(shè)，為這一儲(chǔ)能電站單獨(dú)新建了一條近8公里的110千伏線路，對(duì)附近變電站進(jìn)行了擴(kuò)建。據(jù)測(cè)算，金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目投運(yùn)后，全年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放6.08萬(wàn)噸。