一种基于液态空气储能的混合储能方案概述

一种基于液态空气储能的混合储能方案概述

范波,韩全通,胥志超

山东电力建设第三工程有限公司，山东，青岛

摘要：液态空气储能是一种利用空气作为介质的储能技术。主要特点是利用电网负荷低谷期或可再生能源电能，驱动压缩机压缩环境空气，将电能以液态空气形式储存，同时储存压缩热。在电网负荷高峰期或有发电需求时，液态空气经气化并加热后，产生高压气体驱动空气透平做功，带动发电机发电并网。具有储能密度高、长时储能、长寿命和对地理条件依赖小等优点，是潜在的大规模解决风电、光伏等波动性新能源并网消纳问题的一种技术手段。文章首先阐述了储能分类及液态空气储能的技术特点，同时介绍了一种液态空气储能与飞轮储能耦合解决新能源并网的技术方案，为解决新能源电网的电压支撑和功率响应问题提供借鉴。

关键词：液态空气储能；可再生能源；碳中和

0 引言

储能在电力消纳方面至关重要，截止2020年底，我国风电、太阳能发电装机约5.3亿千瓦，占总装机容量24％。未来新能源仍将保持快速发展势头，预计2030年风电和太阳能发电装机达到12亿千瓦以上，规模超过煤电，成为装机主体。无论是集中式新能源规模化集约化开发，还是分布式新能源就近消纳，都离不开储能技术的支持。2021年7月15日，国家发改委、能源局正式印发了《国家发展改革委 国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》。文件中指出：到2025年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变。新型储能技术创新能力显著提高，装机规模达3000万千瓦以上，接近当前新型储能装机规模的10倍。

1 储能市场及分类

截至2020年底，中国已投运储能项目累计装机规模35.6GW，同比增长9.8%;其中抽水蓄能累计装机占比最大，为89.30%，其次为电化学储能，累计装机规模3.28GW，占比9.2%。[2]储能电站是在多种电力能源与电力需求之间进行调节缓冲，相当于“蓄水池”的作用。储能的重要作用包括削峰填谷、改善电能质量、平抑功率波动等。

2液体空气储能与飞轮储能组合的混合储能方案

2.1 方案背景

英国某技术开发公司提出一种将液态空气储能系统与飞轮储能系统进行组合的混合储能技术方案，原理是利用飞轮储能功率快速响应和液态空气长时存储的低成本，通过适当的方式接电网来提供频率响应和电压调节，功率缺额后的电力系统频率响应的过程如图1所示，目的是解决新能源并网问题，并提升储能电站的多功能性及投资价值。

2.2 液态空气储能原理

液态空气储能是一种利用液态空气进行电力储存的储能技术。具有大规模长时储能、清洁低碳、安全、长寿命和不受地理条件限制等突出优点，其应用场景广泛，尤其是在可再生能源消纳、电网调峰调频、黑启动、分布式能源、微网和综合能源服务等领域具有特别优势。该技术利用液态空气替代空气进行电能储存具有储能密度高、储能容量大、储存压力低及安全可等都方面的技术优势。从技术原理看，在储能阶段，储能系统利用可再生能源电能或电网夜间低谷电驱动压缩机压缩环境空气，将电能以常压低温液态空气形式储存，同时存储压缩热。在释能阶段，液态空气经气化并加热后，产生高压高温气体驱动膨胀机做功，带动发电机发电并网。

2.3 飞轮储能原理

    飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能装置是一种由电能-动能-电能的高效率机电能量转换装备系统，飞轮转子在真空室内工作，在无风阻的环境下进行，这样的设计结构减少了运行中的能量损耗、提高了飞轮的转速。充电时，飞轮相当于电动机，将电能转换为动能，作为能量进行储存；放电时，飞轮相当于发电机，利用转速下降的惯性将动能转换为电能对负载进行释放。具有毫秒级瞬时大功率响应速度、使用寿命长、工作温度范围宽、能量转化效率高、易维护、可精确测量和控制等特点，适用于新能源调频，火电厂AGC调频，智能微电网等多个领域。

2.4 混合储能系统组成

混合储能系统由飞轮装置、飞轮附属系统包括真空系统及闭式冷却水系统等、同步发电机、润滑油系统、高压空气膨胀机、低压空气膨胀机、压缩机组、空气净化装置、液化装置及制冷膨胀机、储液装置、低温泵、蒸发器、储热装置、蓄冷装置等设备组成。动力岛布置形式如图。

图 动力岛布置形式

　 同步发电机是混合储能系统的关键核心设备，也是储能系统与电网的电力耦合接口，在向外输出电能的过程中起到关键作用。发电机效率可达97％, 总重约220吨，定子重约180吨，转子重约40吨。

飞轮与发电机的额定转速相同，转动惯量（mass moment of inertia）约26500 kg·m²，配套有真空系统，飞轮总重约90吨，转子重约55吨。

高压膨胀机（HP Air Expanding Turbine）总重约26吨，转子重约2吨。低压膨胀机（LP Air Expanding Turbine）总重约42吨，转子重约12吨。

自动同步离合器（

Synchro Self Shifting(SSS) Clutch）安装于低压膨胀机与飞轮之间，重约9吨。

2.5 存在的挑战

系统本身设计比较复杂，飞轮、发电机、膨胀机、离合器等需要专门定制，在生产制造、售后环节可能面临挑战，无以往项目经验可参考。

3 结论

液态空气储能具有规模大、成本低、效率高、环境友好等优点，是最具发展潜力的大规模储能技术之一。2021年8月，中国科学院工程热物理研究所正式启动300MW先进压缩空气系统的技术开发工作。在新型储能大力发展的趋势中，液态空气储能系统及其混合储能方案，是积具发展潜力的大规模储能技术之一。

参考文献

[1]国家发展改革委，国家能源局. 关于加快推动新型储能发展的指导意见 发改能源规〔2021〕1051号.

[2]国家能源局. “新能源+储能”动力更足. http://www.nea.gov.cn/2021-08/27/c_1310152774.htm

[3]中国电力网. 2020年全国电力版图. http://www.chinapower.com.cn/zx/tjzl/20210315/57932.html