液态空气储能设备再突破，国内建成全球最大规模项目

电子发烧友网报道（文/黄山明）当前储能技术上涵盖了多种类型，主要可以分为物理储能、化学储能和电磁储能三大类。并且依托广大的市场，国内的储能技术发展呈现出多样化的趋势，不同类型的储能技术根据其特点和技术成熟度，在不同的领域得到了不同程度的发展，压缩空气储能便是其中重要一环。
 
国内的压缩空气储能技术不断进步，包括传统的压缩空气储能、先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）、超临界压缩空气储能系统（SC-CAES）和液态压缩空气（LAES）。近期国内液态空气储能技术实现了关键设备的新突破，填补了大规模长时间储能技术的国际空白。
 
液态空气储能关键设备实现新突破
 
今年6月份，在青海省海西蒙古族藏族自治州格尔木市，全球规模最大的液态空气储能示范项目正在紧张施工中，预计年底投产。按照计划，该新型储能项目建设规模为60MW/600MWh，总投资约15.68亿元，配建25万千瓦光伏，建成后将成为全球规模最大的液态空气储能示范项目。
 
近期，该项目已经顺利完成主要建设及设备基础全部出零米任务，正式由土建施工阶段转入核心设备安装阶段。
 
所谓液态空气储能，就是将空气压缩成液态并进行存储，以实现电能的存储和管理。其工作原理是通过电能与高压低温空气内能的相互转化来实现。在电网负荷低谷期，利用电能不断地从空气中取走热量而使其降温，当降到冷凝温度81.5开以下时，开始出现液态空气；再继续取走热量，使体系的温度进一步降低，直到空气全部液化后储存在高压储气容器中。
 
相比传统的电池储能，液态空气储能不需要使用稀有材料，制造成本相对较低，因为所需的设备相对简单。此外，液态空气储能的储能密度是压缩空气储能的10-40倍，可以在较小的容器中储存更多的能量。并且LAES系统不仅能供电，还能供应生活热水或冬季采暖，夏季供冷，实现经济性的最优化。
 
当然，LAES也存在着一些挑战，比如往返效率较低，大型系统的往返效率约为50%-60%。此外，LAES系统对设备材料的要求较高，需要在极低温度下稳定运行。
 
值得一提的是，项目采用了新一代压缩空气储能技术，基于低温空气液化和蓄冷技术，将电能以常压、低温、高密度的液化空气形式存储，解决了空气存储和恒压释放的问题，具有可实现大规模长时储能、清洁低碳、安全、长寿命和不受地理条件限制的突出优点。与传统储能技术相比，具有更小的占地面积、更大的储能密度和更灵活的应用场景。
 
此外，该项目的压缩模块关键设备离心压缩机组顺利下线。该机组是世界首台套、全球最大规模水平剖分式离心压缩机组，该机组首段压缩机叶轮最大直径达到2米，整机重量超过300吨。
 
更重要的是，这一机组通过改善轴向进气结构，压缩机效率提高了2%-3%；应用先进控制系统，实现了整机一键快速启停；应用机组寿命优化技术，确保了机组的长期稳定运行。据介绍，该机组抗疲劳特性能够保障机组经受至少20000次启停，并拥有至少30年的使用寿命。
 
液态空气储能产业快速发展
 
与化学电池储能相比，LAES使用空气作为介质，不产生污染物，是一种清洁的储能方式，有助于减少碳排放。并且设计上更为安全，没有爆炸或泄漏的风险，且设备的使用寿命较长。更不依赖特殊的地理条件，如地下盐穴或矿井，因此可以在更多地区应用。
 
更重要的是LAES技术可以存储大量的能量，并且能够长时间保持这种储存状态，这对于可再生能源的间歇性和不稳定性是一个有效的解决方案。
 
原理上，储能阶段，系统利用可再生能源或低谷电驱动压缩机压缩空气，然后通过蓄冷器预冷并液化，存储电能和压缩热。释能阶段，液态空气通过低温泵增压、蓄冷器储存冷量并气化，再通过加热产生高压高温气体，驱动透平旋转做功，发电并网。
 
但LAES存在着一些问题，其能量转换效率相对较低。这是因为液态空气储能系统中的能量转换过程涉及到了空气的压缩、冷却、液化、储存、再汽化以及膨胀做功等多个步骤，每个步骤都会带来一定的能量损失。
 
具体来说，液态空气储能的能量转换效率通常在40%到60%之间。如果想要系统设计得更加高效，或者使用了先进的绝热材料和技术，那么能量转换效率可能会更高一些。
 
2017年，中科院理化所团队在廊坊中试基地完成了100kW低温液态空气储能示范平台的建设，取得了良好的实验结果，蓄冷效率达到了90%，系统整体效率可达60%，达到国际领先水平。
 
其中低温蓄冷技术是液态空气储能系统的核心，决定系统能量转化率。依托低温蓄冷技术可以存储液态空气复温过程中产生的高品位冷能，可以用于预冷液化系统中的高压空气，大幅增加了空气液化率。
 
到了2020年，团队搭建了500kW级固相蓄冷工程验证平台，可实现大功率模块化串、并联蓄冷；搭建了100kW级混合工质蓄冷工程验证平台，可实现多种蓄冷工质的低温蓄冷实验，并完成了-160℃温区的混合工质测试。
 
但在实际的商业化应用中，能量转换效率可能会低于实验室条件下的效率，因为实际应用需要考虑更多的工程和经济因素，这需要对方法进一步改善。
 
从市场来看，据2023年的数据，全球压缩空气储能累计装机容量约为2527.3MW，项目主要集中在美国、英国和中国等国家。截至2024年3月，国内已签约或开工建设的压缩空气储能项目共计25个，累计储能装机规模达到8.8GW。
 
有研究机构预计，到2027年中国投运的压缩空气储能累计装机容量将达到5.8GW，发展潜力巨大。液态空气储能系统的核心设备包括压缩机、膨胀机和换热器等。国内企业如沈鼓集团此次在压缩机组的研发和生产上取得了显著突破，为LAES项目的建设提供了关键支撑。此外，国内如华能集团、大唐集团和国家能源集团等，积极投资和运营液态空气储能项目，推动了行业的快速发展。
 
小结
 
液态空气储能技术以其独特的优势在多种储能技术中脱颖而出，尽管目前仍面临一些技术挑战，但其广泛的应用前景和巨大的市场潜力使其成为未来能源领域的重要研究方向。不过随着国内液态空气储能设备及技术上的突破，有望加速该产业的快速发展。