欧美国家100多年前就开始建抽水蓄能电站了,中国起步比较晚,1968年才开始,而且容量也不大,但是进步很快,毕竟基建狂魔可不是浪得虚名的。2020年11月,世界总装机最大的抽水蓄能电站——河北丰宁抽水蓄电站的水库开始蓄水,2022年就能开始发电了。除了抽水这种最主流的蓄能方式,次主流的便是压缩空气。
压缩空气
原理也很简单,就是用压缩机把空气压缩成高压空气存起来,发电的时候把空气再放出来,用涡轮发电。能量转换就是先把电能转化为空气的内能,然后再把内能转为电能,压缩空气原理很简单,但是实现起来比抽水复杂多了。
首先,空气压缩的过程中会产生大量的热量,导致发热,温度越高越难压缩,要想压缩到高压,比如10Mpa,100个大气压,必须得降温。但是降温就会导致空气的能量损失,很矛盾。其次,压缩后的高压空气装在哪?装在气瓶里,则成本上升,而且还危险,并且储存期间还要做好保温,不然漏热了又造成能量浪费。
对于前面提到的温度高的问题,有的系统设计会分级压缩,一次加压别太多,而且每次压缩中间会加上热交换器。第一,是把空气温度降下来;第二,就是把空气降温散出来的能量利用起来,比如,在放气发电的时候,可以用这个能量去加热空气,多多少少能提高点效率。
第二个问题就比较麻烦了,储存高压空气,目前世界上的主流做法说出来你估计大吃一惊,那就是把它们充到地下,比如岩洞、矿井,通常都是在地下几百米。世界上现在最著名的地下储气项目是德国,在1978年投入运营一个电站,空气储存在地下600米的矿井中,气压10兆帕,矿洞总容积31万立方米,输出功率可以达到290兆瓦,能连续充电八小时,连续发电两小时。
美国阿拉巴马州有一个是1991年投入运营,在地下450米,气压7.5兆帕,总容积56万立方米,发电功率110兆瓦,可以连续充气41小时,连续发电26小时。中国起步特比较晚,最大的项目就是2020年8月开工建设的江苏金坛盐穴储气项目,总投资55个亿。第一期规划功率60兆瓦,长期规划能达到1000兆瓦。金坛的盐矿很有名深750-900米,面积约60平方公里,盐储量达162亿吨,被称为江南第一矿。盐采出来之后,剩下的盐穴密封效果很好,用来储存点燃器以及压缩空气,很合适。压缩空气储能的一个大问题,就是效率太低,差不多也就20%,30%都很高了。相比抽水电站的70%-80%,低多了。
什么意思呢?就是我用100度电压缩空气,然后用高压空气再发电,最多只能发出来30度电。但是用来抽水,就回来80度,差了很多。所以,为了提高压缩空气储能的效率,大部分电厂在用高压空气发电的时候都会再补充燃烧天然气,能把效率提高到50%左右。根本原因还是电能和内能之间的转了效率低,而且内能不稳定,容易损失。但是水的重力势能就很稳定。
除了前面说的两种主流储能,还有一些,比如把电能转化为氢气化学能的电解水,转化为机械能的飞轮储能,转化为磁场能的超导储能,形式很多。这个我们以后再讲