廢棄鹽穴變身“超級充電寶”
探訪全球首臺(套)300兆瓦級壓縮空氣儲能電站“能儲一號”
素有“膏都鹽海”之稱的湖北應城，前不久因為“能儲一號”受到各界關注。
“能儲一號”是中國能源建設集團有限公司(以下簡稱“中國能建”)牽頭國內百余家產業鏈合作伙伴，聯手打造的全球首臺(套)300兆瓦級壓縮空氣儲能電站，于1月9日在應城全容量并網發電。該項目不僅創造了單機功率、儲能規模、轉換效率等世界紀錄，還填補了多項技術空白，是世界首個具備大規模非補燃壓縮空氣儲能完整自主知識產權體系的新型長時物理儲能解決方案，為大規模新型儲能技術商業化應用提供了技術支撐和工程化實踐樣本。
與以往的壓縮空氣儲能電站相比，“能儲一號”有什么特殊之處，又取得了哪些創新突破？讓我們一同探訪了解。
儲能8小時、釋能5小時 “一呼一吸”即可把電“存”起來“發”出去
“當前，隨著新型電力系統中可再生能源滲透率的逐步提升，風電、光伏等新能源隨機性、間歇性、波動性使得電力供應峰谷問題更加突出，需要一位‘綠電管家’平衡電能調配。”在中國能建首席專家，中國能建數科集團黨委書記、董事長萬明忠看來，“能儲一號”扮演的正是這樣一個角色，通過壓縮系統、儲換熱系統、儲氣系統、膨脹系統和發電系統等設備的協作配合來實現。
在發電功率、儲氣壓力一定的情況下，儲氣庫容積越大、儲氣量越大，持續釋能的時間就越長。“能儲一號”儲能容量達1500兆瓦時，轉換效率接近70%，全負荷工作時，每天可儲能8小時、釋能5小時，時長設置與國內電力系統日波動周期相匹配，充滿一次電量可滿足一個中小城市居民持續5小時的生活用電需求。
如此大規模的電能調配，完全以空氣為介質，通過壓縮空氣儲能技術，在“一呼一吸”中完成。
壓縮空氣儲能技術是一種將電能轉化為機械能儲存，并在需要時再將其轉化回電能的技術。當電力過剩時，富余的電能就好比給氣球打氣一般，驅動“能儲一號”的壓縮機組通過多級壓縮，使空氣壓力驟增至大氣壓的百倍。
“空氣被壓縮時，溫度會上升到近200攝氏度，這時‘能儲一號’的儲換熱系統會將熱能轉移存儲至儲換熱球罐中，實現熱量的回收再利用。與此同時，‘退熱’的高壓空氣則會通過約500米長的管道被儲存到地下儲氣庫中，等待用電高峰時被‘喚醒’，與儲換熱球罐中的熱能相遇、膨脹，推動膨脹機葉片高速旋轉，就像吹動風電機組的‘大風車’一樣，進而驅動發電機產生電能。”中國能建一級管理專家，中國能建數科集團黨委委員、副總經理李峻說，為了提高效率，壓縮過程中產生的熱量可以通過儲熱器存儲，在膨脹發電時用于預熱空氣，從而將整體系統轉換效率提升至70%。
“一呼一吸”即可把電“存”起來、“發”出去，操作看似簡單，實則是有關鍵技術與核心裝備做支撐。據了解，“能儲一號”創造了多項行業示范、數十項國際首創，實現關鍵核心裝備和深地空間利用產品100%國產化，形成專利、專有技術、標準規范共計200余項。
攻克三大世界級技術難題 單機功率躍升至300兆瓦級
近年來，我國壓縮空氣儲能技術逐步成熟、落地項目逐漸增多，進入了規模化發展階段。如今，“能儲一號”單機功率一舉躍升至300兆瓦級，創造了壓縮空氣儲能領域單機功率的世界紀錄。
“我們具備將單機功率提升至300兆瓦級、打造系統解決方案的條件和能力。”結合國內產業鏈和工業基礎情況以及中國能建全產業鏈業務優勢，李峻向記者解釋，之所以選擇“單機功率300兆瓦級”，是因為通過充分調研和科學論證，發現在技術創新和設備生產方面并沒有不可逾越的障礙，反而具有較高經濟性。同時，300兆瓦級容量可便于電力系統直接調度、可快速迭代更多容量機型、可實現產業鏈國產自主化、可帶動傳統火電裝備升級。此外，按照實踐經驗，“300兆瓦級作為長時儲能可有效推動大規模新能源發展，符合新型電力系統構建需求，是我國壓縮空氣儲能產業實現快速平穩發展的有效路徑。”
單機功率的躍升意味著系統復雜度和工程化難度呈指數級上升。為了實現這一目標，“能儲一號”研發團隊在10年時間里，攜手攻堅，攻破了最核心的三大世界級技術難題。
在壓縮空氣儲能領域，對于地上工程，尋找與300兆瓦級壓縮空氣儲能電站相匹配的轉動設備是其中一大難題。以空氣透平膨脹機為例，它是“能儲一號”能實現單機功率大幅跨越的“功臣”之一。針對空氣透平膨脹機多次再熱、大流量、頻繁啟停等諸多技術難點，“能儲一號”采用了多項前沿技術和創新設計，首次在壓縮空氣儲能領域應用了超高補氣流量的全工況滿負荷高效透平配氣與調節技術，開發出適用于高負荷、大流動系數的高效壓縮空氣透平通流設計技術、寬負荷葉片等，保證了機組運行的高可靠性及經濟性。
“能儲一號”大規模儲電和發電過程全綠色、無污染、零碳排放，秘訣是創新采用“非補燃”技術。
“‘能儲一號’共配有8個用于儲存冷熱水介質的儲換熱球罐，體量達國內最大。通過這些儲換熱球罐，‘能儲一號’將空氣壓縮過程中產生的熱量進行回收再利用，解決了不借助任何化石燃料，就能使壓縮空氣儲能電站高效回收和釋放熱能的難題。”李峻介紹。
對于地下工程，素有“地下決定成敗，地上決定好壞”的說法。“能儲一號”在世界范圍內首次成功應用了鹽穴沉渣空間儲氣技術，同時首創國內最大口徑注采井方案，通過設置井身結構、井下封隔器和井口采氣樹，大幅提高了鹽穴空腔利用率和注采井的注采氣量，并降低了工程造價、縮短了建設工期。這對于我國推進壓縮空氣儲能領域高質量發展，具有首創性、示范性、引領性意義。
“變廢為寶” 地下600米鹽穴成巨型儲氣庫
“能儲一號”占地面積約190畝，但實際使用面積不止于此。在距離地面600米的地下空間里，還藏著一座“地下宮殿”。這原是一個廢棄鹽穴，經過開發形成了一個深地儲氣庫，其可利用儲氣空間達70萬立方米，相當于260個標準游泳池容積大小。
鹽穴是利用水溶開采方式在地下500—2000米深度的鹽層中采礦后形成的地下空腔。我國鹽礦資源豐富，存在大量鹽礦地下采空區。作為全國井礦鹽主產區，應城的地下鹽穴空腔容積達4000余萬立方米。
“以往鹽礦開采利用完還要對廢棄鹽穴進行回填，現在我們‘變廢為寶’，把它變成儲氣庫。”中國能建數科集團技術總監、首席專家商浩亮解釋道，鹽穴深埋地下，且在產生局部地層裂縫條件下可通過鹽的重結晶功能實現自愈合，能夠保證儲存空腔的密閉性，這些特性可為儲氣提供一個巨大而穩定的地下密閉空間。
深地儲氣庫是壓氣儲能工程的決定性因素，要將如此大空間的鹽穴改造成儲氣庫，還要確保空氣壓得進、儲得住，并非易事。
應城地區地質條件復雜，當地鹽穴多是以水平壓裂方式造腔。中國能建牽頭，聯合中國科學院武漢巖土力學研究所楊春和院士團隊，以及中國石油、長江設計集團等建造單位，進行跨界融合、協同創新，把工程現場作為實驗室，邊工程實踐、邊科技創新，經過聯合技術攻關與實驗論證來解決工程實際難題，不斷優化鹽穴利用方案、鉆井工程系統方案，成功攻克復雜鹽穴空間高效利用成套技術、數智化選址技術，形成了一系列國際尖端技術和配套產品包。
“能儲一號”的成功建設，驗證了水平壓裂形成的鹽穴水平腔用于存儲高壓空氣的可行性，也為我國在鹽穴采空區推廣大規模儲氫、儲氦、儲天然氣等奠定了堅實的基礎。在其建設過程中創造的數十項國際首創和專利技術，有力推動了壓縮空氣儲能向更高效率、更低成本、更大規模方向發展。例如，該項目創新采用的鹽穴沉渣空間儲氣技術擴大了鹽穴的有效儲氣空間，為未來的鹽穴壓縮空氣儲能電站建設提供了可行的技術路徑。
在廢棄鹽穴建設地下空間綜合利用項目，都面臨一個重大難題——天然鹽穴空腔中存在大量沉渣，其下部的沉渣空隙體積無法利用。這極大地限制了鹽穴空間的大幅度利用。“能儲一號”研發團隊通過建立氣液界面計算的理論基礎，提出沉渣空間計算的新方法，首次采用高位注氣、低位排鹵的新方案。
商浩亮解釋，“高位注氣、低位排鹵”就是選擇在鹽穴底部沉渣層深處進行井筒植入，通過高位注氣，把鹵水從沉渣縫隙中“逼”出來，形成沉渣空隙空間，不僅確保鹽穴壓氣儲能電站沉渣空間注氣排鹵的安全運行，還突破了鹽穴空間的利用瓶頸，使鹽穴地下空間的利用率從20%提高到70%以上。
逐“綠”而興。該項目還開創了“鹽電聯營”新模式，將在推動當地新能源消納、實現廢棄鹽穴綜合利用、破解資源環境約束、優化經濟結構、實現可持續發展上發揮重要作用，助推地方綠色轉型發展。
中國紀檢監察報 本報記者 陳瑤 通訊員 趙雪明