深冷液化空气储能技术

大规模能量型储能技术是提升电网调峰能力，缓解冀北 电网弃风限电的重要手段。 3
多种储能技术性能对比分析
储能方式 储能密度 Wh/L
抽水蓄能 压缩空气 铅蓄电池 锂离子电池 液流电池 0.5-1.5
效率 %
规模 MW
寿命 年
40-60 20-40 3—5 8—10 8—10
安全性 建设投资 元/kWh
发电机
完成子系统设计 •空气液化子系统 空气分离 •储热储冷子系统 •膨胀发电子系统 提出12.5MW × 8h 液化空气进入储罐 的深冷液化空气储能 系统技术方案 液化空气储罐 完成设备选型 •绝热压缩机 •换热/冷、储热/冷、 汽化器 电能返回电网 •级间加热的膨胀机
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深冷液化空气储能系统—系统计算
智研院基于前期的储热等研究工作，初步完成换热器及 深冷储罐的计算分析，正在开展与企业的联合设计工作
深冷液化空气储能系统—占地和造价
张北示范工程深冷液化空气储能装置布置
设备布置
压缩机、膨胀发电机组、储热蓄冷罐体、液化空气储罐、换热器、风
机泵阀和控制保护小室
占地面积约：2000平方米 设备造价：
按照国内外设备造价不同，系统主体造价2~2.5亿
输入 功率 7.7MW 输入 功率 12.4MW
主压缩机
压力 温度 状态 1bar 15℃ 气态
空气 净化
循环 压缩机
液态空气 储罐 液化组件
G 储热罐 低温泵
级间加热
深冷储罐
气化器
输出 功率
ห้องสมุดไป่ตู้
12.5MW
G
膨胀透平
再热器
压力 1.2bar 温度 状态 29℃ 气态
• 完成系统仿真计算和主参数的设计，验证了流程设计的准确性； • 考虑了关键设备的耗能、换热器效能、管道压力损失等，完成系统的 效率分析计算； • 依据国内设备厂家所提供数据，可实现效率为54.5%，冷热综合利用 11 效率可达60%以上。
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深冷液化空气储能系统—经济性效益分析
深冷液化空气储能的作用主要体现在提升电力系统调峰能力 与消纳弃风电。 经济效益 弃风电消纳的节电效益 降低电力系统峰谷差，提高电力系统经济性 增加电力系统调峰能力，产生显著节煤效益 效益分析 按照每天12.5MW机组发电8小时计，电费取风电 电价0.54元/kWh 每年可以产生1892万元电费收入
储热技术回收压缩余 热取代补燃，保证系 统效率
将空气液化并储存， 同时回收压缩余热和 膨胀余冷，提升系统 效率
• 德国Huntorf电站， 290MW×2h
• 美国McIntosh电站， 110M×26h
• 在建德国Adele电 站，90MW×4h • 中国芜湖500KW× 1h 小型样机
• 英国Slough电站， 350KW×7h • 在建Manchester 电站5MW×3h • 中国廊坊1.5MW × 1h试验样机
消防设计说明
本装置火灾类别大部分为丁、戊类，涉及的主要物料有空气、液空 等，主要生产介质为空气，不燃不爆，火险等级较低。
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一、储能需求及深冷液化空气储能技术
二、智研院相关工作
三、小结
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小结 • 大规模能量型深冷液化空气储能技术，可用于 提升张北示范区内电网的调峰能力，对于规模 化接纳新能源电力、缓解弃风限电具有重要意 义。
目前正在开展与GE、西门子等国外厂家的联合设计
深冷液化空气储能系统—关键设备开发
换热器 • 功能：用于高压空气的冷却和膨胀前 端的加热 • 选型：管壳式的换热器，可实现高压 气体的换热过程 深冷储罐 功能： 储存气化器出口的冷能，并用于制 冷过程，降低液化功耗 结构设计： 采用球状的储冷载体，搭建基 于储冷载体的固定床式储冷换热装置 主要参数：最低存储温度达-150℃
高 高 较好 较好 较好 200-1000 300-2000 1000-2000 2000-5000 5000-8000
70%-85% 100-1000 40%~70% 70%~75% 80%~86% 70%~80% 1-300 1 0.5-20 0.5-10
1.8~6
60-120(液化) 30-100 100-200 20-70
• 智研院目前已经掌握深冷液化空气储能系统的 设计技术、冷热高效利用技术，正在和相关厂 家联合开发关键设备。
深冷液化空气储能系统—关键设备开发
功能
• 压缩机： 利用绝热式压缩过程，将入口的 常温空气压缩到高温高压的状态 • 膨胀机 ：利用级间加热的膨胀过程，将高 压空气膨胀降压，并对外输出机械能
选型和设计
优选了离心式、轴流式、以及离心和轴流 复合式等几种主要方案，正在开展深入设计。
主要参数：
压缩机功率：7.7MW和12.4MW（输入） 膨胀机功率：12.5MW（输出）
钠硫电池
150-300
75%~85%
0.5-30
8—10
一般
1500-3000
抽水蓄能和压缩空气储能是满足大规模调峰的能量型储能技术。 抽水蓄能受限于地理条件和水资源的约束；压缩空气储能技术正 向高效、低成本、无地理条件限制的方向发展。 4
压缩空气技术路线比较
传统 先进绝热 深冷液化
燃料补燃提升透平机 入口空气温度和压力， 提升系统效率
深冷液化空气储能技术 及智研院相关工作
一、储能需求及深冷液化空气储能技术
二、智研院相关工作
三、小结
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冀北电网储能需求分析
冀北电网新能源分布情况
冀北电网风电反调峰日曲线图
冀北电网内新能源发电呈高速发展趋势 。按照河北省可再生能源发 展规划， 2020 年，新能源消费量将占终端能源消费总量的 30% ； 2030年，将达到50%。 调峰约束是影响冀北风电消纳的重要因素 。风电呈现明显的反调峰 特性，约30%的风电弃风是由于调峰约束所致。
深冷液化空气储能技术-技术原理
储热系 统 电能 输入 压缩 制冷 液态空 气存储 汽化 膨胀 电能 输出
净化 空气 入口
深冷存 储系统 空气 出口
充电过程
存储过程
放电过程
空气液化子系统
储热储冷子系统
膨胀发电子系统
深冷液化空气储能技术—示范工程
英国伦敦深冷储能示范 工程 •建 于 2010 年 ， 容 量 350kW × 7h ， 验 证 了 技术可行性。 英国曼彻斯特深冷储能 示范工程 •计划 2016 年投运，容 量 5MW × 3h ，设计效 率55%。
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深冷液化空气储能系统—维护与消防设计
系统维护说明
液化空气储能每天夜间谷电时间储电，转化为液态空气，白天峰电
时间放电，采用自动控制，安全可靠，运行维护量小。 运行人员可以由风光储输示范基地运行人员兼职。 运维人员只需对压缩机、膨胀机等设备进行日常巡视检查。 每3-5年进行系统大修，大修时间10-15天左右。主要设备随系统大 修进行检验检测
1200~5200
有
600~1300
有 12000~18000 4200~9100
140~300
无 12000 (10MW) 4200~8000(>50MW)
4000~6000
深冷液化空气储能技术，空气以低压、低温、液态存储，能量密度 高；低压罐体，安全性好，且不受地理位置限制；预期效率 6 50%~70% ，具有很好的应用前景。
英国伦敦深冷储能示范工程实景图
一、储能需求及深冷液化空气储能技术
二、智研院相关工作
三、小结
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深冷液化空气储能系统--技术方案设计
常温空气 空气净化
低温气体
膨胀机 压缩机 电网接入 制冷机
深冷发电系统的余冷 深冷储罐 深冷泵 余冷进入深冷储罐储罐
汽化
换热器
深冷空气 热源输入 （常温空气或者低品位废热） 透平机
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深冷液化空气储能技术优势
传统 功率MW 能量密度 Wh/L 设计效率% 存储方式 存储压力 MPa 安全性 占地 m2/MW 地理条件限制 成本 RMB/kW 100~800 1.8~5.1 40~54 洞穴 7~10 差 先进绝热 1~800 3~6 50~70 小规模 高压储罐 大规模 洞穴 3~30 差 深冷液化 10~300 60~120 50~70 低压储罐式 0.5~1 （液态空气） 好