壓氣儲(chǔ)能的能量轉(zhuǎn)換效率是評估其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)壓氣儲(chǔ)能存在能量損失和效率低的問題，而現(xiàn)代壓氣儲(chǔ)能系統(tǒng)通過帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)提高轉(zhuǎn)換效率。非絕熱、絕熱和等溫非絕熱是三條技術(shù)路線，其中等溫非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能理論上轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%，但面臨技術(shù)和成本挑戰(zhàn)。
01“廢熱”的利用
上一期我們已經(jīng)介紹了壓氣儲(chǔ)能的工作原理，這期要著重探究一下為什么壓氣儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)換效率不高，又該如何提升。
能量轉(zhuǎn)換效率指的是，在能量儲(chǔ)存和釋放過程中實(shí)際可用的能量與輸入能量的比值，這一指標(biāo)對于評估儲(chǔ)能技術(shù)的性能至關(guān)重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和可行性。
一般來說整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合效率越高、收益就越高，以抽水蓄電站為例，若效率正好是75%，則在抽、發(fā)電上成本收益持平。
當(dāng)然，綜合效率不僅僅包括能量轉(zhuǎn)換效率，還包括自放電率、循環(huán)效率等等，自放電率反映了儲(chǔ)能系統(tǒng)在靜置狀態(tài)下能量的自然損失，循環(huán)效率則考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)在多次充放電循環(huán)過程中的能量損失。
而壓氣儲(chǔ)能電站的綜合效率其實(shí)就是取決于能量轉(zhuǎn)換效率。按照壓氣儲(chǔ)能的工作流程，空氣要先被壓縮，這個(gè)階段溫度會(huì)升高并釋放熱量，這部分熱能本身其實(shí)就是電能的一部分，所以能不能好好處理這部分熱能，直接關(guān)系著整個(gè)壓氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。
傳統(tǒng)壓氣儲(chǔ)能會(huì)將我們上面提到的熱能散去，這就直接造成了能源的損失，轉(zhuǎn)換效率也低，比如1978年在德國最早投入運(yùn)行的亨托夫(Huntorf)壓氣儲(chǔ)能電站，它就不帶儲(chǔ)能系統(tǒng)，公開的轉(zhuǎn)換效率在40%左右、實(shí)際運(yùn)行效率大概在29%左右。同時(shí)，在放能過程中，儲(chǔ)存于地下鹽穴的高壓空氣通過透平(渦輪)向外做功，以前為了提高效率，還會(huì)使用天然氣加熱空氣，這也不符合現(xiàn)在“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
不過，對于怎么利用這部分熱能已經(jīng)有了明確的方式。
02 不斷提高轉(zhuǎn)換效率
現(xiàn)代壓氣儲(chǔ)能系統(tǒng)大多都是帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的，根據(jù)對熱能利用方式的不同，壓氣儲(chǔ)能大致分為三條技術(shù)路線：非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(D-CAES)、絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(A-CAES)、等溫非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(I-CAES)。
D-CAES是比較傳統(tǒng)的技術(shù)路線，就像上面提到的德國亨托夫壓氣儲(chǔ)能電站一樣，D-CAES的壓縮系統(tǒng)會(huì)配備冷卻器，將空氣壓縮產(chǎn)生的過多熱量作為廢熱釋放到大氣中，基本浪費(fèi)了用于執(zhí)行壓縮功的能量;壓縮空氣從儲(chǔ)氣室進(jìn)入燃燒室后，也要利用天然氣等燃料進(jìn)一步提高溫度，從而提升壓縮空氣的焓值并提高其做功能力，以達(dá)到提高循環(huán)效率的目的，也稱之為補(bǔ)燃式壓氣儲(chǔ)能。
如上所述，這種技術(shù)路線的能量轉(zhuǎn)換效率并不高，但優(yōu)勢在于能提供更長的儲(chǔ)能時(shí)間——幾乎和抽水蓄能的時(shí)長相當(dāng)，更容易滿足電力系統(tǒng)削峰填谷的需求，所以現(xiàn)在部分大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目還是會(huì)考慮D-CAES技術(shù)。
而A-CAES應(yīng)該是目前技術(shù)相對成熟且工程應(yīng)用最多的非補(bǔ)燃式壓氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，它的特點(diǎn)就是對壓氣熱能的回收利用。在儲(chǔ)能過程中，壓縮空氣產(chǎn)生的熱能會(huì)被回收儲(chǔ)存在某種比熱容較大的介質(zhì)中，比如油(最高溫可以達(dá)到300℃)、熔鹽溶液(最高溫600℃)或者陶瓷等等;在發(fā)電過程中，再利用回收的熱能來加熱高壓空氣，形成高溫高壓空氣來驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)發(fā)電。
理論上看，這種路線非常之理想：相對于傳統(tǒng)的D-CAES循環(huán)過程，A-CAES的儲(chǔ)存壓力和儲(chǔ)存溫度對循環(huán)效率沒有影響，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)過程中的能量平衡，即無需再依賴外部輸入燃料。甚至能將壓縮空氣儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)換效率提升到65%-70%。
但是A-CAES是先壓縮空氣，再回收熱能，這就要求其儲(chǔ)熱裝置、換熱裝置、膨脹機(jī)等重要部件要長時(shí)間在高溫條件下工作運(yùn)行，對于機(jī)械的耐久性和穩(wěn)定性要求較高，這就為其商業(yè)建設(shè)帶來了較高的初始成本和運(yùn)維成本。
03 最先進(jìn)的技術(shù)路線發(fā)展如何?
更進(jìn)一步的方式也有，即等溫非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(I-CAES)。I-CAES同樣用比熱容較大的介質(zhì)儲(chǔ)存熱能，但和A-CAES不一樣，它是即時(shí)回收，也就是一邊壓縮空氣一邊回收，這樣不僅熱能回收了，空氣在壓縮過程中溫度其實(shí)還被控制在了一定范圍內(nèi)。
再詳細(xì)一點(diǎn)來說，I-CAES其實(shí)是強(qiáng)化了氣水之間的換熱：借助液體介質(zhì)比熱容大的特點(diǎn)，使氣體和液體接觸進(jìn)行充分的熱質(zhì)交換，將氣體在壓縮或者膨脹時(shí)溫度的變化控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，因此大大降低了空氣在運(yùn)行過程中的溫度變化，同時(shí)也減少了額外能量損失，使高發(fā)電效率成為可能。
相關(guān)論文中也提到過轉(zhuǎn)換效率與溫度的關(guān)系。按照熱力學(xué)理論，等溫壓縮過程中消耗的壓縮功最小、等溫膨脹過程中產(chǎn)生的膨脹功最大。換句話說，I-CAES系統(tǒng)如果采用多級壓縮筒和膨脹筒以加強(qiáng)熱交換，保持系統(tǒng)運(yùn)行過程中的等溫特性，那么整個(gè)系統(tǒng)幾乎不會(huì)有熱量散失，轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)95%。
當(dāng)然，理論或?qū)嶒?yàn)室的結(jié)果，在真正工程落地過程中一般都會(huì)打折，等溫壓氣儲(chǔ)能系統(tǒng)也不例外，最矚目的就是技術(shù)和成本問題。
首先，作為先進(jìn)壓氣儲(chǔ)能技術(shù)的I-CAES，其大規(guī)模的等溫控制技術(shù)尚不成熟。比如要維持工作溫度，那么在儲(chǔ)能過程的往復(fù)式壓縮機(jī)中，就要通過使用帶翅片的活塞和低循環(huán)速度來實(shí)現(xiàn)，也就意味著I-CAES僅適用于僅適用于低功率水平或者說小容量的儲(chǔ)能場景，距離替代抽水蓄能還有一定距離。
考慮到如今在發(fā)電側(cè)，風(fēng)電、光伏等可再生能源的大發(fā)展，使得電力系統(tǒng)波動(dòng)性增強(qiáng);在電能替代傳統(tǒng)能源消費(fèi)的驅(qū)使下，用電側(cè)的居民用電峰谷差距持續(xù)拉大……新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建對靈活性資源的需求迫切，這也意味著，空氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)盡管還需要突破技術(shù)與成本的束縛，但未來發(fā)展的市場空間只會(huì)越來越大。
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