综合能源存储系统

发布时间：2013-09-08 作者：Frank J. Bartos

        大型能源存储已经通过抽水蓄能的方式用于平衡地域能源需求的差异，压缩空气蓄能系统也被采用，不过其应用更加有局限性。这些方法使用传统能源并利用了当地的地理或者地质特性来实现能源存储。
        固有的多变性限制了风能和太阳能的市场化扩展，能源存储成为了制胜的关键。法律法规也要求预留发电设备，在风力不足的特定时间和特定地区应对不时之需。这项昂贵的投入实际上降低了能效。
        一种颇具前瞻性的观点是建立大型能源存储系统，用来平衡电网的波动。新型的地上压缩空气蓄能和抽水蓄能都是可选的解决方案。热能存储可能是集中太阳能发电厂的出路。电池储能也在向前迈进。各种技术的试点项目正在遍地开花。
        能源存储使太阳能发电厂在关闭之后仍能继续作业；或者可以允许风力发电厂更长时间地全负荷运转，不用担心过量发电而周期性地低负荷运转。大多数在建的大型能源存储系统都非常昂贵，面临着如何获得公众以及政府支持的问题。一些方法需要进一步的项目实践或者开发，但是可以想见不久的将来定有佼佼者出现。未来景象的一瞥应该是配有传输系统的自适应电网，将电力传输至任何需要的位置。

 Ludington抽水蓄能发电站日间发电能力为1872MW（峰值），但如果所有6台可逆式机组同时工作将蓄水池充满，则会消耗2200MW的电力。2013年将此发电厂将会进行升级，发电容量将会提升300MW。图片来源：Consumersearch Energy。

        风、水、重力
        简单地说，抽水蓄能电站包含两个位于不同水位的大型蓄水池。可逆水力涡轮机在非峰值用电时刻将水抽到高水位的蓄水池中，在用电高峰期间，水被释放，通过涡轮机流向低水位蓄水池产生电能。据国家可再生能源实验室称，PHS系统的效率能够超过75%。
        抽水蓄能是发电厂最常用的一种能源存储方法。世界各地有很多发电厂，但是很少有直接存储风能或者太阳能的，这种情况在将来会有所改变。风能（或太阳能）可以用来直接将水抽至较高水位的蓄水池中来提升蓄能容量，也可以用来降低涡轮机的功耗——根据过剩可再生能源的出现时间。考虑到拓扑结构的要求较高以及成本的因素，很少有在建的新抽水蓄能电站，但是现有的设备正在扩容或升级。
        E.ON AG公司是一家大型全球电力和燃气公司，它打算将其位于德国中部Lake Eder的Walddeck抽水蓄能水力发电站进行大幅扩容。在现有的Waldeck 2号机组旁将会新建一套300MW机组。E.ON公司的Alexander Ihl称，万事俱备只欠东风，只待“最终投资决策”即可开工。建设工期预计4年。
        E.ON公司还提及了其与澳大利亚合作伙伴共同兴建另一处抽水蓄能发电站的计划。项目预期达到300MW装机容量（项目名称为Riedl），在2014年之后开工。
        Ihl说：“大体上讲，抽水蓄能发电站能够用来存储过剩的风能，而这正好适用于Waldeck，Riedl项目也将被用来存储可再生能源。”
        大型PHS机组一个不得不提的例子就是位于密歇根州的Ludington抽水蓄能发电站。其距离密歇根湖东岸363英尺远的2.5英里长1英里宽110英尺深的蓄水池可以产生1872MW的电能。
        每天晚上，6台可逆式涡轮发电机，每一台额定功率312MW，在低耗电时间段将水反向抽至高水位蓄水池内，Consumers Energy公司政府和公共事务部区域经理Dennis Mckee说道。在峰值耗电时段，蓄水池开闸放水，驱动涡轮发电机反向转动产生电能。
        Ludington每天所需的发电量和抽水量都不同。根据用户需求和峰值电价，可以使用一台涡轮发电机或者全部六台涡轮发电机。

SolarPlus系统为BrightSource Energy公司的传统塔式太阳能热电厂增加了一套双罐熔盐能量存储系统。
除了能量存储，工厂的布局与Ivanpah SEGS一样，后者配有173500个日光反射装置，
将太阳光反射到三个高达459英尺高的太阳能发电塔上。图片来源：BrightSource

        “我们可以在三分钟内让312MW的机组运行，我们同时开启6台机组的记录是耗时11分钟，”McKee说道。虽然没有直接与风能输入相连，Ludington抽水蓄能发电站仍旧可以使用来自于电网的任何能源用于抽水作业。根据可用过剩能源量的大小，可以在未来对风能进行存储。今天，“由于具有无与伦比的快速提高供电量的能力，发电厂为平衡区域能源供给和需求起到了更大的作用。”McKee指出。
        压缩空气蓄能压缩空气能源存储的原理是在每日的非峰值耗电时段利用多余的电能将空气压缩注入洞穴、废弃矿井或者其他地下空间。为了能够产生峰值需求电力，压缩空气浴天然气混合后在改进的天然气涡轮机-发电机组中燃烧。目前已知只有两处压缩空气蓄能发电厂进入了商业运营——一处在德国Huntorf（290MW，建设于1978年），另一处在阿拉巴马州Mclntosh（110MW，建设于1991年）。与电网相连的任何能源都能够用来将空气注入存储容器中——包括风能。
        压缩空气蓄能系统的作业模式面临着一个有趣的问题。由于空气的输入压力很高（1100psig，76.9bar），相比于传统天然气涡轮发电厂，CAES产生同样的电能所需要的天然气更少。但是基本的CAES过程需要使用额外的天然气在热循环的气体释放部分之前重新加热，以补偿空气压缩过程中损失掉的热量。现有发电厂的效率是42%到50%。
        各种过程优化和研发（R&D）正在如火如荼地开展，目的就是使CAES发电厂效率更高，例如存储压缩过程中的发热，在气体释放之前利用这些热能重新加热，这样就可以避免使用额外的天然气。新型的压缩空气蓄能发电厂正在计划和审批进程中。发展还聚焦于地上压缩空气蓄能，以降低成本简化安装过程。
        一些小型的企业受到行业和政府的支持，正在推进CAES技术的研究。SustainX就是这样一家公司，它开发了“等温压缩空气蓄能”技术并获得了注册商标，这种技术能够在气体压缩和释放阶段保持气体温度和周围环境温度相近。这种技术能够最小化能量损耗，但是要求全过程中极高的热交换效率。等温释放技术在产生电力的过程中无需燃烧额外的天然气，SustainX称。模块化的地上等温压缩空气蓄能发电厂规划在大型储罐和过程管线周边，标准的机械系统可以轻松地实现与可再生能源的整合。
        等温压缩空气蓄能的发展始于小型试点发电厂。目前，SustainX公司正在建设一套2MW输出的系统，预期在2013年上半年投入使用。
        热能存储
        作为两种被称为“聚光太阳能发电”技术，槽式集热器和太阳能发电塔对于能源存储意义重大。它们利用了最终的热力学循环产生蒸汽来驱动传统的涡轮发电机，但是却使用了不同的方法来凝聚并收集太阳能。
        槽式集热器使用并行排列的槽型反射器将太阳光汇聚在沿着集热器焦线布置的吸收管上，将吸收管中的液体加热。热交换装置将热能传送至功率模块，在此处热能被转化成蒸汽。
        太阳能发电塔使用计算机对一个大型镜面（日光反射装置）阵列进行控制，将阳光反射到位于高塔结构顶端的蒸汽发生器太阳能接收装置。太阳能接收装置是一套设计先进的锅炉，可以从外部加热，配有热力学管线和控制装置，热能将水转化成过热蒸汽。
        能源存储包括使用一些在日间产生的能源对流入蓄水池（或蓄水罐）中的液体进行加热。试验验证了多种蓄能介质，包括熔盐，业界专家认为它是一种可靠、安全且经济的介质，可以用于商业用途。熔盐的热量随后被用来将水转化为蒸汽，然后通过管线传送至涡轮发电机，在夜间进行发电。全面利用能源存储技术使太阳能输送成为可能。
        槽式集热器和太阳能发电塔在全世界范围内均有应用，但是前者的经验更加丰富。目前只有很少的太阳能发电厂配有热能存储设备，但是热能发电塔却能提供更高的存储效率。相比于槽式集热器的作业温度（大约398℃），热能发电塔的作业温度更高（566℃），所以后者所需存储的介质容量更低。
        “熔盐存储是一种用于太阳能热发电领域内的被广泛认可的技术，”BrightSource公司工程和研发部门副总裁Israel Kroizer说道。，“我们的主要优势是太阳能热发电技术能够达到更高的温度等级和压力等级，在存储或不存储状态下的发电效率都更高。”
        同时，据热能发电塔技术供应商NRG Energy和BrightSource Energy公司称，位于加利福尼亚Mojave沙漠的世界上最大的SPT发电厂在2012年8月份上旬工程已经过半。三套370MW装机容量的Ivanpah太阳能发电系统据称即将完工，1号机组将在2013年中期开始为Pacific Gas & Electric公司供电。不过目前Ivanpah发电厂仍不具备能源存储设备。
        电池蓄能也是一个能源存储分支，包含多种技术，处于不同的发展阶段，试点项目和商业试行正在剑指50MW装机容量。电池蓄能面临着一些列的问题，例如能量密度、材料密集型生产加工、物理尺寸和其他问题，目前一些问题已经获得了进展，未来的突破指日可待。很多公司都活跃于这个分支，AES公司和Xtreme Power公司包含其中。
        市场，局限
        能源存储技术上的投资在全世界呈现增长趋势，存储容量的提升预计在未来十年进一步增速，据全球清洁技术市场分析咨询机构Pike Research称，2011-2021年间，项目总投资额将达到1220亿美元。抽水蓄能和“先进的流动电池”是这场技术变革中的重要部分，随后是其他电池类型和压缩空气蓄能。Pike Research列举了风力发电和负载均衡/错峰发电领域最大的两个能源存储应用，分别占据了50%和31%的市场份额。
        基于美国铜开发协会的报告，电力储备协会在2012年2月份给出了能源存储市场迅猛增长的预测。在未来5年内，将会开发2-4GW的能源存储设施。能源存储技术的试点项目已经接近商业运营阶段，能够实现成本降低。
        电力储备协会的执行总裁Brad Robert说道：“未来5年很关键，有很多机会能够推进存储技术的全面商业化。”
        Pike Research指出了很多目前限制能源存储发展的因素，包括：
        ■ 电力市场结构缺乏灵活性；
        ■ 固定资产投入过高；
        ■ 此类项目业主和最终受益人之间的脱节；
        ■ 电网不稳定——固有不稳定因素，加之新型可再生能源使不稳定问题加剧。
        然而，该公司认为能源存储技术的优点“将会在未来几年内克服这些限制条件。”
        越来越多地使用可再生能源，使人们面临着来自技术方面、目前经济因素和社会接受程度等方面的诸多挑战。广泛适用的能源存储系统将会允许风能和太阳能从更好的电力市场定价中获益，并在多种能量来源中承担发电的重要份额。