藏在地下的“空气充电宝”
本报记者 王珍
能否想到，我们身边无处不在的空气，既可储能，也可发电？
在江苏常州，就有这样一座利用空气来储能、发电的电站——金坛盐穴压缩空气储能电站。近日，该电站正式投产。这是世界首个“非补燃”压缩空气储能电站，也是国内首次利用盐穴资源的发电项目。因容纳压缩空气的“容器”——盐穴位于地下近千米处，又被称为藏在地下的“空气充电宝”。
作为空气储能领域的国家试验示范项目，它的成功投产，标志着我国压缩空气储能技术实现从理论实验到工程应用质的飞跃，堪称我国新型储能技术发展的里程碑。中国科学院院士卢强表示，盐穴“非补燃”压缩空气储能技术是实现新能源大规模消纳、建设新型电力系统的重要支撑技术之一，对促进我国能源结构升级和保障能源电力行业可持续发展，具有十分重大的意义。
那么，这个藏在地下的“空气充电宝”到底能存多少电，是如何充电、放电的？“非补燃”又是如何实现的？记者近日采访了该项目有关负责同志。
安全环保储能新方式
用电低谷压缩空气储能，高峰释放发电
6月24日9时57分，金坛盐穴压缩空气储能电站集控室内，电话铃声响起。正在当班的值长邓建军收到国网江苏电力公司调度处指令，要求电站1号机组于“10时17分准时并网调峰”。
一时间，集控室内相关工作人员忙碌起来。
启动暖管操作，给换热器预热；打开储气盐穴井口的控制阀，压力接近140个大气压的空气从地下千米深处的盐穴奔涌而出，驱动空气透平膨胀机冲转……10时17分，发电机组准时并入坞家变电站电网开始发电。
10余分钟后，发电机组达到满负荷运转状态。
……
下午3时，发电机组解列。此轮次发电作业完成。
在用电低谷时，利用低谷电或可再生能源弃电把空气压缩，存储在地下盐穴；在用电高峰时，释放高压空气，带动发电机组发电，保障用电需求。改变传统电力“即发即用”现状，削峰填谷，确保谷电不浪费、峰电有加持，正是金坛盐穴压缩空气储能电站作为“充电宝”的功能所在。
近年来，随着风、光等新能源的大规模开发，我国清洁能源装机容量迅猛增加。据国家能源局最新消息，截至今年5月底，我国可再生能源发电总装机达到11亿千瓦。其中，常规水电3.6亿千瓦、抽水蓄能0.4亿千瓦，风电、光伏发电、生物质发电等新能源发电装机突破7亿千瓦。
但是，风、光等新能源发电需要“看天吃饭”，受环境影响很大。以风电为例，风大时发电就多，风小时发电就少。夜晚用电负荷较小时，有可能发电量大，造成很多发出来的电无法上网；相反，白天用电高峰期，可能发电量反而会少，导致电不够用。这对电网的安全稳定运行带来隐患。
在这样的大背景下，建设大规模储能设施显得尤为迫切。
目前已有的储能技术大致可以分为两大类：一类是物理储能，比如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；另一类是化学储能，主要包括各种电池，如铅酸电池、锂电池等。
记者了解到，不同的储能技术各有优劣。抽水蓄能发电效率高、规模大，但需要丰富的水资源，受地理环境的影响很大；飞轮储能技术适用于轨道交通等小规模储能；而电池储能虽然能量转换速度快，但是寿命有限、成本较高，还有后续处理问题。
“当前应用最成熟的是抽水蓄能技术。”华能金陵电厂副总经理、中盐华能储能科技有限公司总经理蔺通告诉记者，而压缩空气储能可以说是目前唯一能与抽水蓄能相媲美的大规模储能技术，“相比之下，压缩空气储能规模大，又安全环保、占地面积小，是大规模储能领域开发的新趋势。”
压缩空气储能是一种新型储能技术。今年2月国家发改委、国家能源局发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》中，曾多次提到这一技术。
江苏金坛盐穴压缩空气储能电站项目是我国空气储能领域的国家试验示范项目，由中国华能集团、中盐集团和清华大学三方项目团队共同开发，中国华能集团江苏公司负责建设、调试和运维，一期工程发电装机60兆瓦，储能容量30万千瓦时，预计年发电量约1亿千瓦时。
“可为江苏电网提供±6万千瓦调峰能力。”蔺通告诉记者，对于电网峰谷差较大的江苏而言，这样的“充电宝”无疑是一场“及时雨”。
千年盐穴变身“储气罐”
发电5小时能满足6万人一天用电需求
在距离金坛盐穴压缩空气储能电站东北方向一公里左右的茅八井，是这个电站的核心部分——盐穴。
“这是储存压缩空气的地方，就相当于抽水蓄能的水库。”蔺通介绍说，储气的装置有很多，比如压力容器、管线钢等，“利用盐穴资源储气发电，这在国内尚属首次。”
盐穴，即地下盐层被开采后留下的矿洞，密封性良好且多数处于闲置状态，适于储存石油、天然气等重要战略物资，也是储存高压空气的理想场所。与新建钢罐等压力容器储存的方式相比，利用盐穴可显著降低原材料、用地等方面的成本。
“我国盐穴资源丰富，目前仅金坛就拥有地下盐穴资源约1000万立方米，理论上可以建设超过4000兆瓦的压缩空气储能电站。这些盐穴多分布在地下800米到1000米，抗压能力强。”华能江苏公司金陵电厂储能项目部副主任林迎虎告诉记者，但这并不意味着所有的盐穴都可以作为压缩空气储存装置，还需要满足容积适当、地质稳定、距离合适等条件。
金坛盐穴压缩空气储能电站项目所使用的茅八井盐穴位于地下1000米左右，梨形腔体最大直径约80米，高度超过100米，容积超过22万立方米，相当于105个标准泳池。且盐穴壁光滑，整体形态比较稳定，气密封测试完全能够满足空气储能的要求，最高可承受200个标准大气压。
不过，盐穴原本的口径较小，承担不了高流量、高速率的气流运输。科研人员决定对其进行改造：将原有的一口老井封堵，重新钻探了两口大口径的井。不过由于国内是首次钻探大口径盐井，因此困难很多，整个建设经历了将近两年时间。
“如果把盐穴比作一个体积固定的超大号气球，那么储能的过程就是吹气球的过程。”蔺通给记者打了个比方。他告诉记者，该项目攻克了世界上参数最高的离心式压缩机，这是“吹气”的关键装置，通过这一装置，可将1个标准大气压的空气压缩为140个标准大气压的高压空气，存入“气球”；待用电高峰时，再释放高压空气，驱动空气透平膨胀机，让“风车”旋转起来，从而驱动发电机发电。
“我们一般是晚上11点、12点用电低谷期开始储能，到第二天早上，一个储能周期是8个小时。”林迎虎告诉记者，用电高峰期满负荷发电，一个小时能发6万度电，可以连续发5个小时，“也就是30万度电，相当于6万居民一天的用电量。”
记者了解到，金坛盐穴压缩空气储能电站二期项目规模计划400兆瓦，三期项目规模预计达到1000兆瓦以上。以金坛拥有的盐穴储气库总量来看，将来储能能力可达现在的60余倍。
有专家表示，地下盐穴具有体积大、密闭性好、稳定性高的天然优势，可为压缩空气储能提供优良的储气条件，是压缩空气储能地下储气库的首选。未来，弃矿洞、人工地下储气库等其他地下空间也是地下储气库的可行选项。
世界首次实现压缩空气零碳发电
电能转换效率提升至60%以上，全过程无燃烧、无排放
其实，用盐穴来储能发电虽是国内首次，但在世界上早有先例。金坛盐穴压缩空气储能电站的特殊之处在于——“非补燃”技术的运用。
何为“非补燃”技术？即在压缩空气发电过程中不依赖煤、天然气等外部能源燃烧。
据了解，盐穴的高压空气被释放出来后，需要加热膨胀以产生更大的推力，维持系统的循环运行。目前世界上已投运的盐穴压缩空气储能电站都需要烧煤或天然气来加热空气，这个过程就叫做“补燃”，不可避免地会产生污染物排放。
而金坛盐穴压缩空气储能电站，则完全不依赖外界能源，是利用自身的“内循环”，将压缩空气过程中产生的大量热能储存起来。待发电时，再将储存的热能释放，成为天然的“助推剂”。储能、发电整个过程全部是物理过程，所以没有任何燃烧、排放。
据了解，当前国际上投运的盐穴压缩空气储能系统均为补燃式，去除化石燃料部分，其电能转换效率只有20%左右。也就是说，用100度电来储能，最终只能发出20度电。金坛盐穴压缩空气储能工程采用“非补燃”技术后，可将电能转换效率提升至60%以上，在世界上首次实现压缩空气零碳发电。
“‘非补燃’技术在世界上没有先例，我们攻克了压缩机等一系列关键设备的设计制造和工程化应用难题。”蔺通说，国内外都没有任何技术方案可以参考，只能从零开始，一步步摸索。
在电站一侧，7个巨大的罐体十分显眼，空气压缩时产生的热能就是储存在这里。两座大厂房中间，密密麻麻的管道纵横交错，实现“非补燃”技术的关键设施——发夹式换热器就在其中。
“当时我拿到这个图纸的时候，感觉震惊。各种错综复杂的管道牵扯到各个专业，消防水管道、循环水管道、闭冷水管道以及热油管道、冷油管道、电缆的电缆沟……形成了一个相当于五六层立交桥的形式，每一个管道的走向、用途、埋深、直径等都各不相同。”林迎虎回忆起初到项目时的情景，从设备设计研发，到换热介质等卡脖子问题的解决，每一步都仍觉不可思议。
在电站厂房内，有一个通体白色的“大家伙”，叫做空气透平膨胀机。“长9米、高4米、重超160吨，是目前世界上最大的‘非补燃’式空气透平设备。”提及此，蔺通十分自豪。这一装置就相当于发动机，是发电的“动力源”，“发电前，空气透平膨胀机开始暖机升速，随后存储在盐穴中的高压低温空气和储存在导热油罐中的热能被同时释放，电站便开始发电了。
从项目萌芽、落地规划到初具雏形、正式投产，金坛盐穴压缩空气储能电站项目团队尝尽了酸甜苦辣：近十年的研发，历时两年建设。
蔺通至今仍记得2021年9月30日上午10点，电站发出第一度电的场景，“集控室内，掌声雷动，经久不息。”
如今，已形成具有完全自主知识产权的“非补燃”压缩空气储能技术体系，核心设备实现了100%国产化，申请专利百余项，发布了国内首个压缩空气储能电站KKS编码类标准……可以说，项目为新型电力系统构建提供了技术支撑和基础装备，助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。记者了解到，目前，金坛盐穴压缩空气储能二期项目建设工作正在加紧推进。
