压缩空气储能关键技术及应用展望

梅生伟清华大学电机系电力系统国家重点实验室2015年12月8日压缩空气储能关键技术及应用展望一、研究背景二、研究现状三、压缩空气储能系统(TICC500)四、应用前景展望2/591.1大规模储能技术的研究意义国家战略需求：大规模可再生能源持续开发和利用现状与挑战中国风电、光伏装机容量世界第一八大风电基地，在世界上：•并网规模最大•输送距离最远•电压等级最高风光电源随机波动性强年可用风速3000小时，实际利用率仅为1900小时/年亟需开展大规模储能技术研究3/591.1大规模储能技术的研究意义构建坚强的智能电网是我国未来电网的发展方向1、实现新能源的规模接入2、提高电网的输送能力和电网的稳定性3、保障供电安全性、可靠性4、实现高度信息化、自动化、互动化“十二·五”规划中明确指出“适应大规模跨区输电和新能源发电并网的要求，加快现代电网体系建设，进一步扩大西电东送规模，完善区域主干电网，发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术，依托信息、控制和储能等先进技术，推进智能电网建设，切实加强城乡电网建设与改造，增强电网优化配置电力能力和供电可靠性。”4/591.1大规模储能技术的研究意义暖通系统动态控制屋顶光伏微型风力发电机插电式混合动力车需求侧管理智能计量计费分布式储能分布式风力发电CHP/districtheatingnetwork热泵/分布式热电联供屋顶光伏智能传感器智能传感器并网可再生能源集中式电网储能智能变电站核电燃煤（气）火电厂燃料排放控制氢能发电煤、天然气、氢、生物质等的燃料运输网络生物质能水电变电站相邻电网的HVDC互联智能变电站FACTSFACTS小型储能储能技术广泛应用于未来智能电网以及能源互联网建设的发电、输电、配电、用电4大环节，尤其是大规模储能技术是实现构建坚强智能电网的关键之一。大规模物理储能技术主要是抽水蓄能（受地形、水资源限制）和压缩空气储能5/591.2大规模储能技术的对比抽水蓄能•优势：大功率，大容量，低成本•劣势：场地要求特殊电池储能•优势：高能量密度，高效率•劣势：寿命限制，环保约束压缩空气储能•优势：大功率，大容量•劣势：空气能量密度低,常规CAES需要天然气补燃抽水蓄能、电池储能均存在若干局限性，非补燃压缩空气储能（NSF-CAES，non-supplementaryfiredCompressedAirEnergyStorage）是智能电网的可行选择6/591.2大规模储能技术的对比压缩空气储能优点•不受地理条件限制•无资源约束，工作介质为空气•环境友好•寿命长，设计寿命大于40年•冷-热-电三联供，综合效率高不足•储能密度低•需要巨大的储气室，选用地下洞穴储气，选址困难7/591.3压缩空气储能的作用聚纳新能源•提高聚纳大规模风力发电和光伏发电系统的能力削峰填谷•在负荷低谷时吸纳多余发电能力，并在高峰时向电网馈电增加旋转备用•可等效为功率和电压均可调的同步发电系统，且响应迅速弃风电力供暖•利用CAES的冷热电三联供，通过存储弃风电，来进行供暖8/59全世界范围内投运或在建的压缩空气储能电站共10处（投运5处，在建5处），装机容量1.26GW（投运435MW,在建825MW）。目前，我国还没有投运的压缩空气储能电站。名称国容量(MWh)功率等级(MW)储气装置效率(%)用途Huntorf德580290矿洞31万m342调峰、调频、旋转备用、黑启动Mcintosh美2860110岩盐层28.3万m354调峰、调频、旋转备用PGECAU美3000300地下储罐涉密调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源ATK美0.060.08储气罐涉密电气票据管理、施工现场供电Texas美5001岩洞涉密平滑可再生能源Apex美33285317岩洞建设中平滑可再生能源、调频、黑启动、爬坡支撑SustainX美1.51.5储气罐建设中平滑可再生能源、爬坡支撑、输电阻塞缓解、备用NextGen美40.59储气罐建设中调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源、黑启动Highview英2.450.35储气罐建设中调峰、调频、旋转备用、平滑可再生能源Adele德1000200储气罐建设中调峰、供电9/59德国：1978年，建成了世界上第一个商业性的CAES电厂——Huntorf储气方式：地下洞穴装机容量：290MW储气体积：31万m3充气时间：8小时发电时长：2小时系统效率：46%（含天然气补燃）19%（去除天然气补燃）每次发电消耗天然气：10万立方米10/59美国：1991年，建成了世界上第二个商业性的CAES电厂——McIntosh储气方式：地下洞穴发电容量：110MW压缩时间：41小时发电时间：26小时系统效率：54%（含天然气补燃）20%（去除天然气补燃）每次发电消耗天然气：35万立方米11/59英国：2012年启动一个350kW的试验性项目，液态空气储能（研究中）预计试运行时间：2015年储能容量：15MWh输出功率：5MW系统效率：暂无数据大容量高效低温蓄冷器是其技术难点12/59德国：ADELE先进绝热压缩空气储能（研究中）非补燃CAES，利用绝热压缩，将空气压缩至高温高压，回收利用高温压缩热。设计储能容量：360MWh设计输出功率：90MW系统理论效率：70%高温压缩（压缩机出口温度600℃以上）高温储热，技术难度大13/59韩国2011年开始CAES项目建设，研究内衬岩石洞室的可行性韩国：2011年开始建设内衬岩石洞室储气的补燃式CAES（研究中）混凝土衬砌钢衬混凝土塞储气空间石灰岩地下洞室位于地下100m深的石灰岩内，洞室直径5m，内部使用混凝土内衬，并且使用钢板密封，钢板的厚度是6mm。14/59储能时，压缩空气储能发电系统耗用电能将空气压缩并存于储气室中释能时，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后，驱动透平发电目前投运的CAES电站均为补燃式与非补燃压缩空气储能(NSF-CAES)相比需消耗大量天然气，同时也增加了碳排放15/59国际前沿动态—非补燃压缩空气储能（NSF-CAES）学术研究•瑞士洛桑联邦技术研究所：小型回热式压缩空气储能系统•丹麦科技大学：先进绝热式压缩空气储能系统•美国SustainX公司:新罕布什尔州,容量：1.5MWh,功率等级：1.5MW•德国RWE公司:阿戴尔，容量：1000MWh,功率等级：200MW•英国HighView公司:伯克希尔，容量：2.45MWh,功率等级：350kW国内：目前国内在压缩空气储能在发电工业应用方面为空白。非补燃式压缩空气储能（NSF-CAES)是储能技术研究热点与难点！《压缩空气储能发电关键技术及工程应用方案研究》（2012-2015，国家电网科技项目）16/59项目名称压缩空气储能发电关键技术及工程实用方案研究项目分类技术攻关起止时间2012年10月1日-2015年4月30日承担单位清华大学、中科院理化技术研究所、中国电力科学研究院项目负责人卢强主要内容压缩空气储能发电系统关键技术及500kW动态模拟系统的构建，为10MW大型压缩空气储能发电系统的建设提供理论基础和技术支撑项目基本情况17/59压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计1压缩空气储能发电系统建模与效率分析2压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计3压缩空气储能发电系统保护与控制研究4500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建518/593.1系统方案评估和总体设计压缩机储气装置透平膨胀机发电机回热系统非补燃压缩热回收高压储罐创新点压缩热回收(HeatRecovery)：综合利用效率高非补燃(WithoutAfterburning)：低碳效益显著高效储存(High-efficientContainers)：高能量密度基于压缩热回馈的非补燃压缩空气储能系统流程示意图19/593.1系统方案评估和总体设计四大子系统空气压缩子系统、高压储气子系统回热利用子系统、透平发电子系统五大关键设备压缩机、储气罐、换热器透平机、发电机20/593.1系统方案评估和总体设计电能输入压缩机储气装置透平膨胀机发电机压缩热（供暖）低温空气（制冷）输出电能高温高压常温高压低温低压高温低压常温常压压缩热交换节流调速加热常温常压膨胀压缩介质状态变化过程21/593.1系统方案评估和总体设计①五级压缩③三级膨胀②级间回热22/59压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计1压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计3压缩空气储能发电系统保护与控制研究4500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建5压缩空气储能发电系统建模与效率分析223/59整体建模研究•数学上属于一类高阶强非线性系统•模块化的建模思想，压缩机、气路、贮气室等分别建模•研究气体方程中质量、能量、动量之间的关系，进而建立各部分气动模型•进一步建立系统与电网接口部分及相应电动子系统的精准模型并将储能子系统模型和发电子系统模型联立，即可得到回热式压缩空气储能实验系统气、热、电全过程整体模型3.2建模与效率分析24/593.2建模与效率分析--模型研究基本假设•等熵过程，温度在压缩过程中保持恒定；•气体为理想气体，且有恒定的比热；inoutdVGGdt()ininoutoutsdmuGhGhQWdtinoutdVGGdt()ininoutoutdmuGhGhQdt_12111cAinpinPmPcTP__AinAoutmmdtmdt0inoutGG0ininoutoutatgtGhGhPoutdecinvkvoutdecinPP压缩机模型透平模型减速器模型储气罐模型25/593.2建模与效率分析--仿真平台构建压缩空气储能实验系统专用仿真平台•通用部件的数学模型：包括压缩机、换热器、高压控制阀、发电机等单元部件•专用部件数学模型：包括热能储存设备、透平膨胀机、高压储气罐等•系统仿真模型建立和单元技术选择：建立系统仿真模型，开展多技术选择系统方案模拟研究，针对技术链上各个环节的不同技术选择组成的系统开展模拟，获得物质和能量特性26/593.2建模与效率分析--仿真平台构建构建了压缩空气储能实验系统专用仿真平台27/593.2建模与效率分析--仿真平台构建构建了压缩空气储能实验系统专用仿真平台负荷变化情况下发电机输出转矩与透平机械转矩动态响应仿真波形CAES输出功率与储气罐压强关系能量效率与储气罐内气体压强的关系28/593.2建模与效率分析--系统效率分析效率分析：补燃式压缩空气储能发电系统CAES能量转换效率：德国Huntorf电站•采用天然气补燃•能量转换效率：42%29/59效率分析：非补燃式压缩空气储能发电系统3.2建模与效率分析--系统效率分析30/59压缩环节耗能：发电环节释能：系统总效率：效率分析：非补燃式压缩空气储能发电系统3.2建模与效率分析--系统效率分析31/59压缩空气储能发电系统方案评估和总体设计1压缩空气储能发电系统建模与效率分析2压缩空气储能发电系统保护与控制研究4500kW压缩空气储能发电动态模拟系统构建5压缩空气储能发电系统关键设备参数优化设计332/593.3关键设备参数优化设计•压缩比、进出口空气的温度、压强等状态参数空气压缩机的参数优化设计•气体的温度、压强、体积以及气罐的尺寸等高压储气罐的参数优化设计•膨胀级数、进出口空气的温度、压强等状态参数透平膨胀机参数优化设计33/593.3关键设备参数优化设计--压缩机工况优化：采用多级非稳态压缩流程(保证排气压力与背压相同)，使得压缩过程耗功最少。（上图左）设备选型：采用双作用自卸荷式活塞式压缩机，通过卸荷阀调整压缩机运行工况，实现非稳态压缩。（上图右）34/593.3关键设备参数优化设计--压缩机五级非稳态压缩压力3MPa至10MPa压缩机：双作用活塞形式，采用多工况运行模式，效率提高20%以上压缩机级数进气压力(MPa)排气