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简论储能技术(中)

作者:纪秀磊 来源:储能科学与技术 发布时间:2021-11-04 浏览:
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3.电能的间接储存

3.1超导磁储能

超导磁储能是通过电感效应把电能转化为磁场能。超导磁储能的原理是用直流电给由超导材料制成的螺旋形电感线圈充电。充电过程中流过电感的电流会逐渐增加到最大值,这个过程中电感线圈中的磁场会逐渐增强。当电流到达最大值时,线圈两端的电压就降到零。这时充电就完成了。这时将超导线圈的两端短接,电流就在超导线圈的闭合回路中无休止的流动。理论上说能量可以永远储存在这里。这是自然界里发现的最接近“永远”的现象。需要放电时,将线圈的两端接上负载,就可以将磁能电能转化为直流电能。这种储能的规模是和超导线圈中电流的平方和线圈电感的乘积成正比。

这种储能的实现依赖于超导体做成的线圈,由于超导导线没有电阻,所以电流在这样的导线上通过,没有能量损耗。而目前的超导体只有在低温下才有超导现象。超导材料在临界温度以下电阻才会消失。很多金属都有超导现象,汞的临界值是零下269摄氏度,铅是零下266摄氏度,铌是零下264摄氏度。这些温度太低了。重大的突破出现在1986年IBM 苏黎世实验室。卡尔·亚历山大·米勒和约翰内斯·贝德诺尔茨的合作发现了一种钙钛矿类型的氧化物陶瓷材料,可以在零下243度的时候就具有超导性质。后来这个临界温度在短短数年中被一再提高。但是到今天,还没有临界温度接近室温的超导材料。如果用陶瓷做线圈,陶瓷能做成导线吗?陶瓷没有延展性不能单独做成导线,但是可以将超导陶瓷材料做成涂层。

超导磁储能的能量效律可以高于97%,是所有储能技术中最高的。这种储能的反应时间是非常快的,可以实现在几个毫秒内把所存的电全部放光或是充好电。没有任何一种实用的电池,可以在毫秒内完成充电。超导磁储能的最大的用处是保持电网的电压和功率输出的稳定性。

这种储能,成本是最大的问题。由于没有接近室温工作的超导材料,这种储能技术的超导线圈一直是在一个低温恒温器中工作。只是从室温把线圈的温度降到可以实现超导的温度,就要长达几个月的时间。将线圈的温度降下来需要冷却剂,目前普遍使用昂贵的液氦。同时整个装置的隔热需要做到极致。这里维持如此低温的成本是不言而喻的。由于用磁场储能,强大的磁场会覆盖设备区和周边的大片地区,必须要建设一个磁场对冲的线圈,以避免对人,输电线路,航空,候鸟迁徙等等产生的负面影响。超导磁储能最大的潜在危险是:由于故障,线圈温度上升到了超导临界温度以上,这时超导作用会消失,线圈会释放出就大的焦耳热,后果将是非常严重的。可见超导磁储能的瓶颈还是高温超导材料。

3.2 抽水蓄能

抽水蓄能是最早的蓄能方式。最早的抽水蓄能出现在1890年代瑞士的苏黎世和意大利的山区。德国最早的抽水蓄能出现在1920年代,美国是在1930年代。抽水蓄能电站和水利发电工程很相似,都是将水的重力势能转化为电能,进行发电。大家对水利发电站都很熟悉。抽水储能和水利发电站有哪些相似和不同的地方呢?水利发电站是将大河拦腰截断,筑起水坝。抽水蓄能电站有上水库和下水库,两个水库之间没有必要紧挨着。联通上下水库建有输水管,在输水管上装备有水力发电装置。如果使用电力把水从下水库抽到上水库中,是将电能转化为重力势能,从而完成蓄能。抽水蓄能不依赖天然的河流的落差,抽水蓄能电站不一定建在河上。它的水头(水的落差)可以远远高于水坝。比如三峡大坝的额定水头是80.6米,最高可以到113米。而抽水蓄能的水头要高得多。一般都是两三百米,多的可以达到四百米。修抽水蓄能的成本大概是水坝的两倍。

目前世界上有超过165吉瓦的抽水蓄能装机容量,占到全世界储能装机容量的94-97%和世界总储存能量的99%。抽水蓄能和水利发电站很相似,都是通过水向下流动推动涡轮机将重力势能转化为电能。抽水储能和水坝有哪些不同的地方呢?首先抽水蓄能电站可以建在河边,也可以不在河边。如果抽水储能修在河边,和水坝拦截大江,大河不同,抽水蓄能的上蓄水池不是坝上的水库,而是建在河岸附近的山顶。离河道有一定的距离。蓄能时将河水抽到上蓄水池,发电时让水流回到河里。这样的抽水蓄能工程可以和水坝起到类似的调节河流水量的功能。如果抽水蓄能电站不是建在河边的,它就需要两个蓄水池:上蓄水池和下蓄水池。这两个蓄水池可以有距离几公里。这样的抽水蓄能电站工作的时候,是一个闭环。

抽水蓄能电池的储能规模取决于三个因素:蓄水池的有效体积,两个蓄水池之间的水头,即水的落差,和蓄能的能量转换效率或者叫往返效率。蓄水池的体积越大,储存的能量越多这是很好理解的。抽水蓄能的水头一般要远远高于水坝。比如三峡大坝的额定水头是80.6米,最高可以到113米。而抽水蓄能的水头要高得多。一般都是两三百米,多的可以达到四百米。比如河北丰宁抽水蓄能电站的水头是425米,它是目前全球最大的势能电池,装机容量360万千瓦(3.6 GW)。之前世界上最大的抽水蓄能是1985年建成的美国的巴斯县(Bath County) 抽水蓄能,装机容量是3003万千瓦(3.003 GW),它的水头是385米。第三点是往返效率。这个效率通常在70% 和85% 之间。泵水时,电能转化为重力势能,转化效率和涡轮机有关,不可能是百分之百。放电时,重力势能转化为动能,这里就会有损失。因为水流和管道壁之间有摩擦。这种摩擦所造成的效率损失是和上,下水库的水平距离成正比的。所以理想的情况是上,下水库距离不远。水的动能转化为电能是,涡轮机的转化效率,又有损失。还有,水从涡轮机出来的时候,并非是静止的,快速流动的水还要带走它的动能。最后,如果抽水蓄能是建在干燥的地区,水分的蒸发也不容忽视。这么来看往返效率如果在80%以上,已经是很出色了。

和水坝拦截大江大河不同,抽水蓄能多是建在河岸附近的山区。因为高水头需要把上水库建在地势高的地方,而要把下水库也可以是河流留在低处。要想得到高水头,也可以把废弃的矿井改造成下水库,当然前提是这里的地址条件是适合的,而上库可以建在任何一个技术上允许的高度,也就是说上库和下库都可以在地面以下, 成为地下抽水蓄能。这种储能的好处是更加安全,环保。理论上说可以得到惊人的水头,比如超过1千米。但是不知出于什么原因,所有的抽水蓄能在工程上可以做到的水头还不超过800米。

对于抽水储能,选址是一个大问题。如果刚好海边有高地,悬崖,用海水做蓄能,可以节省淡水,世界第一个海水抽水蓄能是1999年在日本冲绳的一个3万千瓦的小电站,建在海边的悬崖上,但是这附近没有多少用电需求,在2016年,这个项目被拆除了。抽水蓄能最重要的考虑是水是否可以存得住,这需要考虑蓄水湖的湖床的岩石的性质,是否有渗透区,是否有地质裂缝。在炎热干燥的地区,蒸发是另一个大的问题。

世界上具有建设抽水蓄能电站地质条件的地区有很多。在2019年Cheng等作者通过计算估计地球从北纬60°到南纬56°范围内有61.6万处可以修建抽水蓄能电站。从图七可以看出中国北方的燕山地区,河套地区,太行,秦岭地区,长江以南的华南地区,青藏高原,尤其是雅鲁藏布江大拐弯流域,新疆北部都是可以建设抽水蓄能的。而东北平原,华北平原,淮河流域有雨地势平坦,将无法建设大规模抽水蓄能。中国抽水蓄能适合地区的分布刚刚好和中国西部极大的太阳能,风能密集的地区重合,这是中国采用可再生能源的一大优势。中国的能源地区之间不平衡的问题,通过高压远距离输变电工程已经基本解决了。欧州则是南欧的山区适合。西亚,中亚地区的适合区域恰好和古代丝绸之路重合。非洲的适合地区都分布大陆的中部和大陆的边缘地区。二北美和南美的主要适合地区是分布在落基山脉的两侧,北美的阿巴拉契亚山脉附近和巴西的亚马孙热带雨林地区。

图5 南纬56度到北纬60度之间适合抽水储能的地点。

抽水蓄能用的是可逆泵 - 涡轮机组:正向可以泵水,反向可以作为发电机使用,这个功能和电池很像。这里泵水和发电只关乎于涡轮机的转动方向。这种机组是抽水蓄能真正的核心技术。对它的要求要比常规机组高的多。由于抽水蓄能的涡轮机接受的是从隧道中奔泻而下的水,它的机组的转速要比常规水电机组快;再者,由于抽水蓄能的功能是为电网削峰填谷,机组要频繁启停,并且经常有正反转互换。对于涡轮机的技术要求是很高的。

抽水储能可以短时间内满足电网的削峰填谷的要求,它在最多几分钟之内就可以提供它的装机容量的功率,满足用电需求。这就使得抽水蓄能可以代替煤电或者天然气电厂来充当峰值负荷发电厂。另一方面抽水蓄能可以在几天,几周,甚至几个月的时间内放电,是个超长待机电池,可以起到社会季节性用电的调节作用。和其他储能方式相比,抽水储能的寿命是在所有储能方案中是最长的,一般是50年。

抽水蓄能的主要问题是对地理,地质条件的要求。要找到地势有落差的地方。同时地质结构需要非常稳定,要避免由于水库的重力所带来的地质灾害;同时要防止水的渗透作用。

3.3 压缩空气

第一个商业化的压缩空气储能设施是1978年在德国的启用的。它的输出功率可以到29万千瓦。它是将空气加压充到处于地下六百米的容积为31万立方米的盐洞中。这个盐洞是密闭的, 额定的工作气压是50到60个大气压,最多可以被加压到一百个大气压。这种盐洞其实也是可以用来储存天然气的。这个设施每天有不到12小时在压缩空气,即“充电”, 能够以29万千瓦的功率发电不到个小时。

人工形成盐洞是一个有趣的工序。就是在找到了地下含盐地层后,将一定量的水灌进去,形成卤水,然后将卤水抽出来,这样的过程反复进行一定的次数,就可以形成一个预期大小的盐洞。

在给压缩空气储能装置“充电”时,大量的空气从外界引入盐洞中。当盐洞中的气压上升时候,被压缩的空气温度会升高。简单地理解,外界对空气做功,空气内能上升。这样会形成盐洞中空气和周边环境之间的温度差。如果盐洞和周边环境有热交换,热量会损失,比如通过散热器释放到空气中;如果盐洞壁不是绝热的,热空气就会和盐洞壁有热交换。最终压缩空气的温度会降到和环境等温的状态。也就是说“充电”的一部分能量被损失了。

在压缩空气储能装置发电的时候,要通过解压缩,使导出的空气冲过涡轮机发电,这时盐洞中的压力降低,这个过程中,解压缩的空气温度要降低 (对外做功,内能下降),会低于周边环境,形成一个和压缩过程相反的温度差,这就变成了一个制冷的过程,这样会导致设备结冰,无法正常运转。所以对于可以自由热交换的压缩空气储能装置,发电时必须配备一个加热装置,比如使用天然气或燃油加热,在压缩空气还没有通过涡轮机之前对其进行预热。这样当热空气解压缩到大气压的时候,不至于导致设备结冰。也就是说天然气的加热过程,也可以看作压缩空气储能装置“充电”的一部分。从另一个角度说,被压缩的空气是储备了可以做功的能力。从整个过程来看,这种压缩空气储能技术和天然气的火力发电是很相似的。这种可以自由热交换的压缩空气储能装置总的效率是不高的。目前商业化的设备只能达到54%。

更先进的压缩空气储能是杜绝装置和周边环境的热交换。为了避免和环境热交换,整个储能装置必须是绝热的。而这一类的装置又分为有热能储存设备的和没有热能储存设备的。如果设备无法承受长期储存热空气,就可以采用热能储存设备,比如让压缩的热空气加热盐到它的熔融态,这些空气的热量就由熔融盐来储存。当装置的空气解压缩的时候,这部分储存的热量,再用回来加热空气,也就不用或是少用化石燃料或是电能来加热空气了,这可以显著提高压缩空气储能的效率,预期达到70%以上。

最后一种压缩空气储能方案是保持体系的温度不变,无论是压缩还是解压缩都是缓慢地进行。由于体系的温度一直和环境相同,就没有热损耗。理论上说,这样的方案的效率是100%。但实际上想达到这个目的是非常困难的。可以想象,这种装置的输出功率将是非常低的。

压缩空气领域近些年也出现了一些初创公司。比如一个方案是使用储气罐来储存压缩空气,这样就不用挖盐洞了。一个最重要的创新点,是在空气被压缩的时候,向空气中喷水,来加热水,这样利用水的大热容,从而将热量存起来。在空气解压缩的时候,再用存的热水,喷回到膨胀的空气中,来加热空气。同一家公司的另一个方案是用风力涡轮机直接形成压缩空气,而他们的设计是将压缩空气就储存在支撑风力涡轮机的大柱子中,这样,风电场就自己解决了自身储能的问题。

压缩空器储能虽然一直被认为是一种主要的储能方式,但是直到目前为止,实现商业运营的,也只有两处。在世界范围内,其他在建和筹划中的还有40几处。

这里插一句关于用压缩空气来驱动车辆的话题。这个想法最初在1896年就有人提出来。之后陆陆续续都有一些工程师造出来这样的车。这种车面临的挑战和压缩空气蓄能是一样的。由于在空气被喷出的时候,温度大幅降低。这会对车里的乘客构成冻伤的危险。加热设备是必须配备的,这样的话,最多只能算是混合动力车。

3.4其他间接储能方法

间接储能还有其他的方法,比如飞轮储能,热能储能,和化学键储能。由于本文的篇幅有限,这些方案笔者就不去介绍了。下面我们重点来说说电池。

(未完待续,敬请期待。)

纪秀磊:美国俄勒冈州立大学教授。研究领域主要涉及储能电池化学原理,材料的设计。他是2019,2020高被引学者。《Carbon Energy》副主编。2003年吉林大学化学系本科毕业。2003和2009年加拿大滑铁卢大学硕士和博士毕业。2010至2012年美国加州大学圣巴巴拉分校博士后。2012年至今于俄勒冈州立大学执教。

关键字:储能

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