國際首套10MW先進壓縮空氣儲能示範系統
儲能是解決可再生能源大規模接入、提高常規電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術，是國家大力支持的戰略性新興產業。
而壓縮空氣儲能（CAES）具有規模大、單位成本低、壽命長、安全環保等諸多優點，備受業內的關注。
近日，中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心在國際學術期刊《能源》（Energy）上發表了一項最新研究成果：用計算流體力學的方法建立了壓縮空氣儲能透平膨脹機內部流場三維數值模型，研究了透平膨脹機氣動效率和磨損量隨葉頂間隙和膨脹比的變化規律，找到了在保證對透平膨脹機效率影響較小的前提下，可顯著降低磨損量的最佳葉頂間隙取值範圍和透平膨脹機運行工況區間。
從追趕到領先
中國科學院工程熱物理研究所副所長陳海生研究員告訴《中國科學報》，傳統的壓縮空氣儲能技術是一種源於燃氣輪機技術的儲能系統。在用電低谷，通過電動機帶動壓縮機將空氣壓縮並儲存於儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室同燃料一起燃燒，然後驅動透平做功，帶動發電機發電。
然而，陳海生介紹，傳統的壓縮空氣儲能技術存在依賴儲氣洞穴、依賴化石燃料以及系統效率較低等瓶頸問題。
中國科學院工程熱物理研究所高級工程師紀律告訴記者，工程熱物理所通過十餘年的努力，突破了1~10MW壓縮空氣儲能各項關鍵技術，於2013年在廊坊建成國際首套1.5MW新型壓縮空氣儲能示範系統，於2016年在貴州畢節建成國際首套也是目前唯一一套10MW新型壓縮空氣儲能示範系統，效率達60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統。
據了解，新型壓縮空氣儲能技術研發主要有以下三個方面的技術進步：首先，由於氣體壓縮過程會產生壓縮熱，通過蓄熱技術回收這部分熱量再利用，不必燃燒化石燃料提供熱量；其次，可以採用壓縮空氣液化儲存或高壓氣態儲存在儲氣裝置中，擺脫對儲氣洞穴的依賴；此外，通過高效的壓縮、膨脹、超臨界蓄熱及換熱，系統集成優化，整體提高系統效率。
「透平膨脹機是系統核心的做功發電裝置，其效率及運行特性對於壓縮空氣儲能系統的整體運行情況具有決定性影響。」中國科學院工程熱物理研究所助理研究員王星博士說。
據研究人員介紹，他們此次的研究是為了滿足壓縮空氣儲能在我國西部地區的應用需求，針對當地環境的特點，而對透平膨脹機做出優化分析。雖然我國西部地區的風能、太陽能資源豐富，適合應用壓縮空氣儲能技術，然而當地空氣粉塵含量較高，對透平膨脹機內「高流速、高轉速」特徵的核心部件具有潛在的危害。
王星等研究人員發現，增大渦輪葉片和殼體之間的葉頂間隙可以減少磨損，然而增加葉頂間隙會增加流動損失。同時，透平膨脹機內部流動三維特徵明顯，使粉塵運動特徵複雜，需要對流場進行研究和組織，實現對部件抗磨損性能的主動優化。為此，研究人員通過耦合納維—斯託克斯方程和Tabakoff & Grant磨損量半經驗公式，建立了透平膨脹機「氣—固」多相流三維數值模型，通過求解模型獲得了各部件磨損量的分布特徵。結果顯示，透平膨脹機導葉尾緣、動葉前緣及二者間的輪轂、機匣等部位磨損較嚴重，建議增強進口過濾，施加防磨塗層等，優化葉片的抗磨損性能。
紀律說，通過大量的基礎研究和關鍵技術突破，工程熱物理所完成了1~10MW新型壓縮空氣儲能系統研發，創造了「國際首套、規模最大、效率最高、專利和論文數量最多」等多個世界第一。
從2005年開始基礎研究，到2009年關鍵技術研發，到2016年10MW技術工程示範，用了約10年時間，我國的新型壓縮空氣儲能技術完成了從追趕到領先的跨越。
2017年，工程熱物理所開始研發100MW級新型壓縮空氣儲能技術，預計2020年完成樣機研製，額定效率將達到70%左右。示範項目建成後，將成為國際上規模最大、效率最高的新型壓縮空氣儲能電站，有效促進我國壓縮空氣儲能技術及產業發展。
一個萬億價值鏈
那麼，為什麼要建設儲能系統呢？又為什麼要發展壓縮空氣儲能技術呢？
陳海生告訴記者，現行的電力系統由原材料、發電、輸電、配電和用電這五大價值鏈組成。「用消費品零售業來做類比的話，就好比原料、生產、運輸、分配和消費都有了，唯獨沒有倉儲這個環節。」
陳海生介紹，電力系統用戶端每日的用電負荷是波動變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當前的發電裝機容量與電網容量需要按最大需求建設，發電端根據用電端的實時動態負荷進行匹配。在用電低谷時，發電機組停機或低負荷運行，這導致發電裝機容量和電網容量的利用率低。
不僅如此，這種現行系統的動態平衡存在風險，比如近年來在印度、韓國、美國、英國等地都發生了大面積停電事故。增加儲能系統為電力系統提供緩衝，不失為有效的解決方案之一。
據陳海生介紹，截至2018年底，我國儲能裝機為31.2GW，約佔全國電力總裝機的1.6%，低於世界2.7%的平均水平。據國際能源署預測，到2050年，我國儲能裝機將達到200GW以上，佔電力總裝機的比例將提高至10%~15%，可以催生一個萬億級的產業。
能源革命的支撐技術
除了解決上述傳統能源的用電負荷波動的問題，儲能技術對於可再生能源大規模開發利用和分布式能源系統的發展也有重要的支撐作用。
陳海生說，儲能技術可將間斷、不穩定、不可控的可再生能源發電儲存起來，再按照需求平穩、可控地釋放，具有平滑波動、跟蹤調度輸出、調峰調頻等功能，可促進可再生能源電力大規模併網，有效解決棄風、棄光問題。
分布式能源系統是未來高效、低碳、高安全性能源系統的主要發展趨勢之一。可是，分布式能源系統相較於大電網，具有負荷波動大、系統調節能力差、故障率高等問題。
陳海生表示，儲能技術可作為負荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問題，提高分布式能源系統供電的可靠性、穩定性。
因此，儲能技術被稱為「能源革命的支撐技術」。
有了壓縮空氣儲能充當穩壓器，可以將可再生能源、分布式能源產生的急劇波動的低質量電能「變廢為寶」「點石成金」，從而促進可再生能源、分布式能源產業的發展，社會效益巨大。
壓縮空氣儲能的未來發展
陳海生告訴記者，目前壓縮空氣儲能產業的發展需要聚焦性能、示範和電價機制三個方面。
首先是要繼續提高該技術的性能，降低成本。大規模化是壓縮空氣儲能技術的發展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。
其次是多做示範。目前新型壓縮空氣儲能技術的示範系統數量少、規模小，不能滿足技術發展的示範需求，因此迫切需要政府、企業、科研院所加大支持和投入力度，多建示範項目，推動技術應用和產業化。
最後是要建立合理的電價機制。目前，其他大規模儲能技術尚未享受到和抽水蓄能同樣的兩部制電價機制。「因此，如能進一步全面體現壓縮空氣儲能對電力系統的貢獻，形成合理的電價機制，將有效地激勵壓縮空氣儲能等各項新型儲能技術產業的發展和應用推廣。」陳海生說。
（原載於《中國科學報》 2019-08-26 第7版 能源化工)