压缩空气储能装置 20161207
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主要部件 的储能方式。 包括压缩机、膨胀机、燃烧室、储气室、电动机/发电机以及控制系统及辅助设备。
国外商业应用： 1、1949年，德国首次提出CAES概念，即利用多余的电能驱动压缩机压缩空气，将电能转化为机械 能，最后转化为空气的内能存储。 第一个投入商用运行的CAES是1978年建于德国Hundorf的一台290MW机组。 2、美国1991年美国AlabamaElectricCooperative公司在阿拉巴马州的McIntosh建成世界第二台商用 国外应用 与发展 CAES，机组功率为110MW，整个建设耗时30个月，耗资6500万美元，这台机组能够在14min之内 并网。 3、第三台商业运行CAES，也是目前世界上最大容量的CAES，计划建在Ohio州的Norton，整个电 站装机容量为2700MW，共有9台机组，压缩空气储存在一个现有的位于地下2200ft深的石灰石矿井 在建项目： 在建设35MW的CAES电站，以色列也在建设一个100MW、利用含水层洞穴储存的CAES电站。 规划项目： 其他正在规划或建设的CAES电站有：意大利的针对含水岩层的研究用25MW的CAES发电设施；以 色列的研究用硬岩含水层3x100MW的CAES发电设施等。 研究方向： 目前国内还没有压缩空气储能电网的商业应用，但是已经从五个方面逐步开展了一些相关工 作，包括系统总体设计和分析、蓄热器、放热器、系统集成和示范、政策和商业机制研究。 深入研究，主要分为三大类： 第一类是研究小型百千瓦以下的，有浙江大学、西安交通大学等; 第二类主要做技术经济性分析，包括中科院工程热物理所、华北电力大学等; 第三类主要研究压气机，研究小型压缩空气储能的有浙大工程物理所，漩涡式的有山东大学， 向心式的是中国科学院工程热物理研究所。另外，哈尔滨工业大学在储气装置方面也有一定研究。 集成示范方面， 我国从十千瓦级到百千瓦级都有研究。 浙江大学在上世纪90年代做过10千瓦左右的压缩空气动力汽车的研究。 国内发展 山东大学依靠涡旋式的发动机作出研究，并得到了“863”项目前沿项目的支持。 2014年，清华大学做了500千瓦的装置，实现了超过百千瓦的装置。 2016年5月份，国家发展改革委、国家能源局印发了《能源技术革命创新行动计划(2016～2030 年)》，其中，储能技术作为能源互联网和可再生能源产业发展的关键技术被列为中国未来15年的关 键创新任务之一。 为抢占新型储能技术制高点，2016年国家电网公司研究了压缩空气储能示范工程实施方案，明 确了建设规模、组织形式等。工程将依托张北风光储输二期工程建设，通过能量型规模化储能技 术，提高新能源消纳水平，发挥风光储输工程的示范作用。 张北的示范项目建成后，将成为世界上储能容量最大的压缩空气储能系统。前期研发团队依据 国内设备厂家所提供数据，通过热力学计算分析，开展了系统的工艺方案的设计研究。系统能量密 度可达约100wh/L，是传统压缩空气储能系统能量密度的20倍以上。该系统电电转换效率为50～ 60%。 2016年11月22日，启迪清洁能源集团与卢强院士研究团队在清华科技园签署协议成立合资公 司，共同推动压缩空气储能先进技术的应用 在中科院工程热物理所最近设计的1.5兆瓦压缩空气储能耦合装置中，左边是燃气轮机装置，右 边是余热回收和制冷。工作方式是运用压气机进行充电，在放电的时候，通过输电来压缩空气。这 分布式供 冷应用案 例 种燃机可以分布式运行，比如可以在楼宇项目中推广。 在广东的一个楼宇系统中，最高电负荷达到了1725千瓦，研究人员通过配备压缩空气储能，实 现了削峰填谷。燃气装机达到1252千瓦时，系统效率从23.1%提高到26.5%，综合效率也从18.9%提 高到29.4%。系统效率的提高，也让总装机大幅度下降，减少了成本投入。 目前我们在1.5兆瓦压缩空气储能系统中，效率是50%~55%，我们希望在10兆瓦时，效率达到 60%~65%，单位造价降至8000元人民币，这是我们的发展目标和对未来的预测。
储能分类
目前世界上储能技术各有不同，大致可分为物理储能（抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、相变储能等）、化 学储能（铅酸电池、锂系电池、液流电池、钠硫电池等）、电磁储能（超导储能等）。
压缩空气蓄能（CAES Compressed Air Energy Storage）
产生背景 定义 1、我国主要电网峰谷差越来越大，电网调峰问题日渐突出，调峰有赖于蓄能技术的发展。 2、在峰谷分时电价体制下，采用合适的蓄能方式可以提高供电质量、调峰填谷，并且保证机组运行 压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的 海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电 蓄能原理： 压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作 为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存 于贮气室中。当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机作 工作原理 功发电，满足系统调峰需要。 CAES电站工作原理： 压气机、电动机、贮气室等组成的蓄能子系统中将电站低谷的低价电能通过压缩空气储存在岩 穴、废弃矿井等储气室中，蓄能时通过联轴器将电动机/发电机和压气机耦合，与燃气轮机解耦合； 电力系统峰荷时，利用压缩空气燃烧驱动燃气轮机发电，燃气轮机、燃烧室以及加热器等即发电子 系统，发电时电动/发电机与燃气轮机耦合、与压气机解耦合。 1、按照研发方面， 压缩空气储能被分为三类，使用不同热源的被称为燃烧燃料的压缩空气储能;第二种是带蓄热的 空气储能，将空气压缩热进行存储，用电高峰将压缩热取出来，提高空气的温度;第三种是无热源压 分类 缩空气储能，一般为了减少系统投资、降低系统复杂程度，系统不采用热源，主要用于备用电源使 用，对效率不敏感。 2、按照系统大小， 压缩空气储能又被分为大型百兆瓦级和小型千瓦级系统。研究人员根据压缩空气储能系统是否可 以同其他热力循环系统耦合，在传统压缩空气储能研究中获得了很多研究成果。 1、小/微型压缩空气蓄能电站：管道、大型罐子等压力容器。（单机容量为100 MW；微小型 存储空间 CAES，单机容量为10 MW） 2、大型压缩空气蓄能电站，三种存储地点：地下盐岩矿内的岩洞、现存矿洞或挖掘成的岩石洞、地 下含水的岩石层。（大型CAES存储规模在100MW级） 使用寿命 只要不存在泄漏问题，压缩空气储能的周期不受限制。 压缩空气储能装置的寿命比较长，可以达到30~50年，如果保养得当，甚至可以超过这个年限。 优点： 1、投资少，运行维护费用低 2、动态响应快、运行方式灵活 优缺点 3、经济性能高、环境污染小 4、占地面积小 缺点： 远离负荷中心，需要一定的地质条件。 技术方案 自1949年提出压缩空气储能技术以来，围绕提高效率和储能密度，先后发展出传统压缩空气储能技 术、绝热压缩空气储能技术、深冷液化空气储能技术和超临界压缩空气储能技术四种主要技术方案 。 第一代： 压缩空气与燃料混合燃烧，提高燃料燃烧效率。德国Htmtorf电站采用的是第一代CAES系统。 第二代： 技术发展 与第一代CAES系统相似，技术有所改进，效率更高，经济效益更好。美国McIntosh电站采用的 是第二代CAES系统。 第三代： 压缩或膨胀过程绝热，发电过程不使用燃料，无尾气排放。CAES系统在压缩空气过程中会储存 热能，并在气体膨胀时给气体加热。第三代CAES系统目前仍在研发阶段。
主要部件 的储能方式。 包括压缩机、膨胀机、燃烧室、储气室、电动机/发电机以及控制系统及辅助设备。
国外商业应用： 1、1949年，德国首次提出CAES概念，即利用多余的电能驱动压缩机压缩空气，将电能转化为机械 能，最后转化为空气的内能存储。 第一个投入商用运行的CAES是1978年建于德国Hundorf的一台290MW机组。 2、美国1991年美国AlabamaElectricCooperative公司在阿拉巴马州的McIntosh建成世界第二台商用 国外应用 与发展 CAES，机组功率为110MW，整个建设耗时30个月，耗资6500万美元，这台机组能够在14min之内 并网。 3、第三台商业运行CAES，也是目前世界上最大容量的CAES，计划建在Ohio州的Norton，整个电 站装机容量为2700MW，共有9台机组，压缩空气储存在一个现有的位于地下2200ft深的石灰石矿井 在建项目： 在建设35MW的CAES电站，以色列也在建设一个100MW、利用含水层洞穴储存的CAES电站。 规划项目： 其他正在规划或建设的CAES电站有：意大利的针对含水岩层的研究用25MW的CAES发电设施；以 色列的研究用硬岩含水层3x100MW的CAES发电设施等。 研究方向： 目前国内还没有压缩空气储能电网的商业应用，但是已经从五个方面逐步开展了一些相关工 作，包括系统总体设计和分析、蓄热器、放热器、系统集成和示范、政策和商业机制研究。 深入研究，主要分为三大类： 第一类是研究小型百千瓦以下的，有浙江大学、西安交通大学等; 第二类主要做技术经济性分析，包括中科院工程热物理所、华北电力大学等; 第三类主要研究压气机，研究小型压缩空气储能的有浙大工程物理所，漩涡式的有山东大学， 向心式的是中国科学院工程热物理研究所。另外，哈尔滨工业大学在储气装置方面也有一定研究。 集成示范方面， 我国从十千瓦级到百千瓦级都有研究。 浙江大学在上世纪90年代做过10千瓦左右的压缩空气动力汽车的研究。 国内发展 山东大学依靠涡旋式的发动机作出研究，并得到了“863”项目前沿项目的支持。 2014年，清华大学做了500千瓦的装置，实现了超过百千瓦的装置。 2016年5月份，国家发展改革委、国家能源局印发了《能源技术革命创新行动计划(2016～2030 年)》，其中，储能技术作为能源互联网和可再生能源产业发展的关键技术被列为中国未来15年的关 键创新任务之一。 为抢占新型储能技术制高点，2016年国家电网公司研究了压缩空气储能示范工程实施方案，明 确了建设规模、组织形式等。工程将依托张北风光储输二期工程建设，通过能量型规模化储能技 术，提高新能源消纳水平，发挥风光储输工程的示范作用。 张北的示范项目建成后，将成为世界上储能容量最大的压缩空气储能系统。前期研发团队依据 国内设备厂家所提供数据，通过热力学计算分析，开展了系统的工艺方案的设计研究。系统能量密 度可达约100wh/L，是传统压缩空气储能系统能量密度的20倍以上。该系统电电转换效率为50～ 60%。 2016年11月22日，启迪清洁能源集团与卢强院士研究团队在清华科技园签署协议成立合资公 司，共同推动压缩空气储能先进技术的应用 在中科院工程热物理所最近设计的1.5兆瓦压缩空气储能耦合装置中，左边是燃气轮机装置，右 边是余热回收和制冷。工作方式是运用压气机进行充电，在放电的时候，通过输电来压缩空气。这 分布式供 冷应用案 例 种燃机可以分布式运行，比如可以在楼宇项目中推广。 在广东的一个楼宇系统中，最高电负荷达到了1725千瓦，研究人员通过配备压缩空气储能，实 现了削峰填谷。燃气装机达到1252千瓦时，系统效率从23.1%提高到26.5%，综合效率也从18.9%提 高到29.4%。系统效率的提高，也让总装机大幅度下降，减少了成本投入。 目前我们在1.5兆瓦压缩空气储能系统中，效率是50%~55%，我们希望在10兆瓦时，效率达到 60%~65%，单位造价降至8000元人民币，这是我们的发展目标和对未来的预测。
储能分类
目前世界上储能技术各有不同，大致可分为物理储能（抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、相变储能等）、化 学储能（铅酸电池、锂系电池、液流电池、钠硫电池等）、电磁储能（超导储能等）。
压缩空气蓄能（CAES Compressed Air Energy Storage）
产生背景 定义 1、我国主要电网峰谷差越来越大，电网调峰问题日渐突出，调峰有赖于蓄能技术的发展。 2、在峰谷分时电价体制下，采用合适的蓄能方式可以提高供电质量、调峰填谷，并且保证机组运行 压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的 海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电 蓄能原理： 压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作 为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存 于贮气室中。当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机作 工作原理 功发电，满足系统调峰需要。 CAES电站工作原理： 压气机、电动机、贮气室等组成的蓄能子系统中将电站低谷的低价电能通过压缩空气储存在岩 穴、废弃矿井等储气室中，蓄能时通过联轴器将电动机/发电机和压气机耦合，与燃气轮机解耦合； 电力系统峰荷时，利用压缩空气燃烧驱动燃气轮机发电，燃气轮机、燃烧室以及加热器等即发电子 系统，发电时电动/发电机与燃气轮机耦合、与压气机解耦合。 1、按照研发方面， 压缩空气储能被分为三类，使用不同热源的被称为燃烧燃料的压缩空气储能;第二种是带蓄热的 空气储能，将空气压缩热进行存储，用电高峰将压缩热取出来，提高空气的温度;第三种是无热源压 分类 缩空气储能，一般为了减少系统投资、降低系统复杂程度，系统不采用热源，主要用于备用电源使 用，对效率不敏感。 2、按照系统大小， 压缩空气储能又被分为大型百兆瓦级和小型千瓦级系统。研究人员根据压缩空气储能系统是否可 以同其他热力循环系统耦合，在传统压缩空气储能研究中获得了很多研究成果。 1、小/微型压缩空气蓄能电站：管道、大型罐子等压力容器。（单机容量为100 MW；微小型 存储空间 CAES，单机容量为10 MW） 2、大型压缩空气蓄能电站，三种存储地点：地下盐岩矿内的岩洞、现存矿洞或挖掘成的岩石洞、地 下含水的岩石层。（大型CAES存储规模在100MW级） 使用寿命 只要不存在泄漏问题，压缩空气储能的周期不受限制。 压缩空气储能装置的寿命比较长，可以达到30~50年，如果保养得当，甚至可以超过这个年限。 优点： 1、投资少，运行维护费用低 2、动态响应快、运行方式灵活 优缺点 3、经济性能高、环境污染小 4、占地面积小 缺点： 远离负荷中心，需要一定的地质条件。 技术方案 自1949年提出压缩空气储能技术以来，围绕提高效率和储能密度，先后发展出传统压缩空气储能技 术、绝热压缩空气储能技术、深冷液化空气储能技术和超临界压缩空气储能技术四种主要技术方案 。 第一代： 压缩空气与燃料混合燃烧，提高燃料燃烧效率。德国Htmtorf电站采用的是第一代CAES系统。 第二代： 技术发展 与第一代CAES系统相似，技术有所改进，效率更高，经济效益更好。美国McIntosh电站采用的 是第二代CAES系统。 第三代： 压缩或膨胀过程绝热，发电过程不使用燃料，无尾气排放。CAES系统在压缩空气过程中会储存 热能，并在气体膨胀时给气体加热。第三代CAES系统目前仍在研发阶段。