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    壓縮機網(wǎng) >雜志精華>正文

    液化空氣儲能優(yōu)勢分析及發(fā)展現狀探討

       【壓縮機網(wǎng)】本文對液化空氣儲能技術(shù)的發(fā)展現狀做了較詳細的論述,分析了液化空氣儲能技術(shù)的各項參數,并與其它儲能技術(shù)做了比較,有利于工程技術(shù)人員更直觀(guān)的了解液化空氣儲能技術(shù)。

      引言
     
      當今人們的生活環(huán)境受到了嚴重的污染,如溫室效應、臭氧層消耗和酸雨等,而這一切的根源是化石燃料的燃燒。為了減輕由化石燃料燃燒造成的環(huán)境污染問(wèn)題,就需要一個(gè)新的、安全的、可持續的和環(huán)保的能源供應體系,即可再生能源供應體系。目前,可再生能源占q*電力容量的5%和q*發(fā)電的3.4%,這里不包括水利發(fā)電(約占q*發(fā)電15%)。英國政府已設置了目標將可再生能源生產(chǎn)電力從目前的4.6%增長(cháng)到2020年的20%,到2050年將達到80%。歐盟z*近提出一個(gè)更高的目標,到2020年可再生能源的使用要達到30%~40%的增長(cháng)。在不久的將來(lái),可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能、生物質(zhì)和地熱資源等發(fā)的電量將占整個(gè)發(fā)電容量的大部分。
     
      雖然使用可再生能源是解決環(huán)境污染問(wèn)題的有效方法,但是對可再生能源的利用還存在著(zhù)一些問(wèn)題??稍偕茉从绕涫秋L(fēng)能和太陽(yáng)能是間歇性的能源,產(chǎn)生的能量不是持續性能量,不符合人們對能量的實(shí)際需求,同時(shí)有些可再生能源如海洋能、風(fēng)能等還會(huì )受到地理環(huán)境的限制,因此就需要一個(gè)合適的能量?jì)Υ嫦到y對這些可再生能源產(chǎn)生的能量進(jìn)行儲存。
     
      目前可再生能源儲存的方法有很多,大多數儲能技術(shù)對這些間歇性可再生能源的存儲非常困難,而且存在地理環(huán)境條件的限制。但是,液化空氣儲能(LAES)不但可以對間歇性可再生能源進(jìn)行有效地儲存,而且不受地理環(huán)境的限制,便于管理和運輸。下面對液化空氣儲能技術(shù)進(jìn)行概述。
     
      1 液化空氣儲能技術(shù)
     
      一般來(lái)說(shuō),液化空氣儲能系統(LAES)包括3個(gè)過(guò)程:液化過(guò)程、能量存儲過(guò)程、電力恢復過(guò)程,如圖1所示。
     
    液化空氣儲能優(yōu)勢分析及發(fā)展現狀探討
     
     ?。?)液化過(guò)程。電網(wǎng)夜間富余的電能驅動(dòng)液化空氣裝置,使環(huán)境中的空氣先潔凈再壓縮,然后通入到換熱器中與氣液分離器返回的冷空氣和蓄冷裝置中的冷空氣進(jìn)行換熱冷卻。被冷卻的冷空氣依次通過(guò)膨脹機和節流,降溫降壓,一部分被冷凝為液體,一部分仍為氣體,z*后在氣液分離器中被分離。從氣液分離器上端口出來(lái)的冷空氣返回到換熱器中冷卻被壓縮機壓縮后的空氣。
     
     ?。?)能量存儲過(guò)程。經(jīng)氣液分離器分離后的液態(tài)空氣從氣液分離器下端口流到液化空氣儲罐中儲存,液化過(guò)程中消耗的大部分電能被轉化成了液態(tài)空氣的冷能。
     
     ?。?)電力恢復過(guò)程。低溫儲罐中液態(tài)空氣被引出,經(jīng)低溫加壓后送入氣化換熱器中吸熱氣化。被氣化的空氣再通入熱交換器中,被進(jìn)一步加熱升溫、升壓。從熱交換器中出來(lái)的高壓氣體通到透平中做功,透平與發(fā)電機相連,帶動(dòng)發(fā)電機旋轉發(fā)電。從透平里出來(lái)的高溫空氣依次經(jīng)過(guò)熱交換器和氣化換熱器被冷卻,然后流到蓄冷裝置中與換熱器里被壓縮機壓縮后的空氣換熱。因為液態(tài)空氣的沸點(diǎn)比較低,所以在電力恢復過(guò)程中供應給熱交換器里低溫空氣的熱量可以是來(lái)自于液化過(guò)程中的廢熱或外部環(huán)境的熱量。
     
      液化空氣儲能的介質(zhì)是隨處易得的空氣,儲能的整個(gè)過(guò)程不需要化石燃料作為補充,為完全“綠色”。當空氣的溫度通過(guò)使用液化設備冷卻到大約-196℃時(shí)變成液體,一般700L的環(huán)境空氣可變?yōu)榇蠹s1L的液態(tài)空氣。液態(tài)空氣作為儲能介質(zhì)具有較高的儲能密度,每單位體積的有效能可達660MJ。
     
      液化空氣儲能循環(huán)實(shí)質(zhì)上是由林德循環(huán)(液化過(guò)程)與朗肯循環(huán)(電力恢復過(guò)程)組合而成,但是液化過(guò)程不同于經(jīng)典的林德循環(huán),因為從膨脹機中出來(lái)的冷空氣被用來(lái)冷卻膨脹機進(jìn)口處的空氣。朗肯循環(huán)中損失的一些有效能也被用于冷卻膨脹機進(jìn)口處的空氣。因此,林德循環(huán)中輸入的有效能分別來(lái)自于朗肯循環(huán)和壓縮機。由于外部環(huán)境的影響,液化空氣儲能系統在存儲過(guò)程中還會(huì )有一些能量損失,真實(shí)做功將會(huì )受到真實(shí)循環(huán)效率的限制變得較低。除去內部循環(huán)的一些不可逆損失,林德循環(huán)出口處的有效能以液體空氣的形式存在。在朗肯循環(huán)中,透平的輸出功不僅來(lái)自液化過(guò)程輸入的能量,還來(lái)自外部環(huán)境輸入循環(huán)的熱量,然而在這一過(guò)程中還伴有效能的損失,但是有效能的損失要比輸入熱交換器中的有效能大,因此要充分利用輸入熱交換器中的有效能,提高循環(huán)的效率。朗肯循環(huán)中有效能的損失由透平進(jìn)口處的壓力決定,較高的壓力將導致較小的有效能損失。在壓力較高、相關(guān)的飽和溫度也較高的條件下,有效能損失會(huì )比較低。由液化空氣儲能循環(huán)可知,即使是絕熱膨脹,液化過(guò)程所需要的功也要比液態(tài)空氣膨脹所做的功要高,這就需要結合液化過(guò)程和膨脹過(guò)程,在兩過(guò)程之間使用熱力恢復來(lái)提高整體效率。
     
      2 液化空氣儲能技術(shù)的發(fā)展
     
      液化空氣儲能技術(shù)的發(fā)展可以追溯到1977年,史密斯提出了使用絕熱壓縮和膨脹的裝置,并報告了72%的能量回收效率。但要達到這一效率,則需要一個(gè)可承受-200~800℃之間的溫度、壓力高達10000Pa的蓄能裝置。Ameel等結合朗肯循環(huán)與林德循環(huán)對液化過(guò)程進(jìn)行了分析,并報告了液化過(guò)程的效率為43%。這里提出的循環(huán)與以前的研究有兩個(gè)方面不同,s*先為了克服制造大壓力容器的困難,蓄能裝置需要在低壓下操作。其次,液化器采用克勞德循環(huán),其中冷卻過(guò)程包括在一個(gè)或多個(gè)膨脹機里進(jìn)行等熵膨脹過(guò)程以及在節流里進(jìn)行的等焓膨脹過(guò)程??藙诘卵h(huán)是z*常用的大規模液化空氣的方法,比林德循環(huán)更有效。
     
      日本近年也積極開(kāi)展液化空氣儲能技術(shù)的研究,如三菱公司和日立公司等,但由于其系統效率太低,并沒(méi)有太大的實(shí)用價(jià)值。
     
      2007年起,工程熱物理所和英國高瞻公司、英國利茲大學(xué)等單位共同開(kāi)發(fā)了液態(tài)空氣儲能系統。目前,采用該技術(shù)的英國HighviewPower Storage公司的第一臺液化空氣儲能樣機(額定功率500kW,存儲容量約2MWh)已在英國倫敦地區示范運行。自2011年以來(lái),Highview公司的LAES技術(shù)已經(jīng)被蘇格蘭南方能源公司(SSE)應用于其80MW生物質(zhì)熱電聯(lián)廠(chǎng)的350kW/ 2.5MWh液化空氣儲能系統中。在2012年末HighviewPowerStorage公司在蘇格蘭建造了一個(gè)3500kW的商用系統,并在2014年初建成了8000~10000kW的儲能發(fā)電站。2014年2月,在英國能源與氣候變化部(DECC)的800萬(wàn)英鎊的資助下,Viridor公司選擇Highview公司設計并建立了一個(gè)5MW/15MWh商用示范的液化空氣儲能示范工廠(chǎng)。該液化空氣儲能工廠(chǎng)建造在Viridor公司的垃圾填埋燃氣發(fā)電廠(chǎng)里。在2015年春,英國HighviewPowerStorage公司s*次以商業(yè)規模的形式來(lái)示范LAES技術(shù)的應用,LAES設施將由GE公司的渦輪發(fā)電機提供動(dòng)力。
     
      3 液化空氣儲能系統技術(shù)經(jīng)濟性分析
     
      液化空氣儲能技術(shù)的經(jīng)濟性分析是對儲能技術(shù)的技術(shù)成熟度、循環(huán)效率、能量密度等技術(shù)指標和成本等經(jīng)濟指標的綜合評價(jià),下面對這些影響指標進(jìn)行分析。
     
     液化空氣儲能優(yōu)勢分析及發(fā)展現狀探討
     
      由表1所列,液化空氣儲能技術(shù)的存儲容量可達到10~200MW,相當于大型壓縮空氣儲能容量的一半??梢夯諝鈨δ芗夹g(shù)的比能為214Wh/kg,相當于大型壓縮空氣儲能技術(shù)的四倍。液化空氣儲能技術(shù)儲能的持續時(shí)間可達12h以上,使用壽命為25年,相對較高。液化空氣儲能的效率為55%~90%,其效率值與整個(gè)系統能量能否充分利用息息相關(guān)。為了提高液化空氣儲能系統的效率,就需要選擇合適的液化空氣儲能裝置,盡量減少裝置運轉過(guò)程中不必要的能量損失。對于液化過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱可以用于電力恢復過(guò)程中加熱液態(tài)空氣,使能量得到充分利用,提高了整個(gè)循環(huán)的效率。對于液化過(guò)程用于加熱液態(tài)空氣的熱量也可以是環(huán)境中的熱量和工業(yè)中產(chǎn)生的廢熱。同理,還可以將液態(tài)空氣氣化產(chǎn)生的冷量應用于儲能過(guò)程中對氣態(tài)的空氣進(jìn)行預冷,同樣也可以提高液化空氣儲能系統的效率。液化空氣儲能系統現已在英國得到廣泛地應用,是一個(gè)相對成熟的儲能技術(shù)。
     
    液化空氣儲能優(yōu)勢分析及發(fā)展現狀探討
     
      如表2所示在相同條件下,液化空氣儲能、壓縮空氣儲能和抽水儲能三種儲能技術(shù)的比較中,液化空氣儲能技術(shù)的儲能密度是z*大的。因此,在需要相同的儲存容量的儲能系統中,液化空氣儲能系統所需的儲存容器是三者之中相對較小的,同時(shí)液化空氣儲能系統受地理環(huán)境條件限制的影響小,應用地域非常廣。由表2還可得到對于壓縮空氣儲能系統,其儲能密度隨著(zhù)存儲壓力的增加而增加,成近線(xiàn)性關(guān)系。
     
     液化空氣儲能優(yōu)勢分析及發(fā)展現狀探討
     
      成本是技術(shù)經(jīng)濟性的z*重要指標之一,儲能系統的成本主要包括初期投資成本和運行維護成本。表3列出了以每千瓦為單位的各種儲能技術(shù)的成本,鈉硫電池的儲能成本為600~2800$/kW,是一個(gè)相對昂貴的技術(shù);抽水儲能的成本為600~2000$/kW,單位成本較低;液化空氣儲能成本為400~800$/kW,其成本相當于鈉硫電池成本的三分之一和抽水蓄能成本的一半;液化空氣儲能單位成本同大型壓縮空氣儲能相當,卻是小型壓縮空氣儲能的一半,隨著(zhù)技術(shù)的成熟和設備的簡(jiǎn)化,還將有一定的下降空間。
     
     液化空氣儲能優(yōu)勢分析及發(fā)展現狀探討
     
      根據勒克斯研究,如圖2所示,到2017年q*電網(wǎng)的潛在儲能預計將達到1135億美元,容量為185GWh(52GW)。作為新的、大規模的、持續時(shí)間長(cháng)的、儲能成本較低的能量存儲系統,液化空氣儲能系統可部署在所需地方,以滿(mǎn)足廣泛的市場(chǎng)和應用的需求。
     
      4 總結
     
      液化空氣儲能系統可以存儲間歇性可再生能源和夜間電網(wǎng)中過(guò)剩的電能,其存儲容量比較大,可達200MW,但儲存裝置則相對較小,并且受地域限制因素影響較小,因此非常適合大部分地區推廣使用。作為一種新型的儲能技術(shù),液化空氣儲能技術(shù)有很長(cháng)的發(fā)展歷史,其技術(shù)水平較成熟,并且液化空氣儲能系統無(wú)污染、對環(huán)境很好,相對儲能成本較低,經(jīng)濟效益高,在低碳能源占據主要市場(chǎng)的將來(lái)會(huì )扮演重要角色,具有很好的發(fā)展前景。

    標簽: 儲能發(fā)展現狀液化  

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