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储能技术脑洞:可实现电网等级的大容量长时间储能

作者:中国储能网新闻中心 来源:风电峰观察 发布时间:2019-08-27 浏览:
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工作原理

其原理如图所示:用圆柱体的岩石(像一个活塞一样)嵌放在形状相同的储水池中,有富余电力时(例白天有光伏发电时),泵会把水压入储水池中,此时岩石活塞就会被水压提起,即电能转化成了重力势能。而当电网需要电能供应时(例晚上无光伏发电时),闸门会打开,此时岩石活塞会下降,挤压储水池中的水流经泵来发电,此时重力势能会转化成电能。

储能特性

该技术主要优点是可以实现电网等级的大容量长时间(6~14h)储能,能量转换效率同样很高(可以达到80%左右),而且可以反复使用,对于电网削峰填谷、消纳大量的可再生能源非常有用。

根据物理知识,我们可以看出,该储能站的储电容量取决于1)岩石活塞的质量;2)其能被抬升的高度。而为了进一步计算,在这里为了简化数学模型:我们假设活塞的高度与其半径r相同,因此岩石活塞的质量∝r3(正比于);而活塞能被抬升的高度实际上也取决于(正比于)其高度,最多是其本身高度的一半,否则可能会侧倾。

因此经过以上计算,可以得出结论:该储能站的储电容量∝r4,即正比于岩石活塞半径的四次方。而考虑到这样的项目的施工建设成本基本只是正比于面积,即∝r2。因此,只要在自然条件,施工能力允许的条件下,r越大,即项目建的越大,单位电量储能成本就越有优势(储能技术中,单位电量的成本是核心因素)。该公司也指出:岩石活塞的直径要达到100米的话,其成本就可以和抽水蓄能相竞争,而如果使用直径250米的活塞,储能成本可以达到200欧/kWh。

如果按岩石密度2600kg/m³来折算,半径125米的储能电站可以储电8GWh,这已经可以与德国境内最大的Goldisthal抽水蓄能电站(8.4GWh)相比了。而如果半径达到250米,理论上就可以储电124GWh,基本可以与世界上大多数抽水蓄能电站相匹敌。

技术与工程上的要点

新技术的使用总是伴随着各种技术上工程上的挑战,德国人自己介绍的要点主要有:

1)把活塞与水池壁之间做好密封(sealing)处理。

2)把活塞用密封环密封,以抵抗水压。

3)此外,在工程施工上,该技术实际上借鉴了许多矿井采掘方面的经验。

大概的原理示意图如下,可见他们在此做了大量的工作。密封活塞用的材料是geomembranes(我也不知道是什么,翻译为土工膜;隔泥网膜),这样可以使水不会漏出;而在活塞与水池壁中间使用的则是一层滚动膜(A rolling membrane)。囿于篇幅,本文将不在这里详细展开密封中使用的技术介绍,详情可以参考该企业的网站。

整体密封示意图

活塞密封示意图

选址要求与环境影响

1)靠近水体。因为同样要使用大量的水,所以该项目建议仍然是修建在湖泊的附近,而且湖泊要足够大水量充足,这样才不会因为储能的用水导致水平面的剧烈变化,从而对生态产生过于明显的影响。另外,该技术用水都是处于内部密闭空间中,水在其中不会发生蒸发、变化或遭受污染,因此使用过程中可以直接与水体进行水交换,不需要再经过额外的净化处理环节。(评:仍然是要水,不过不像抽水一样非要找一个有海拨差的地方了)

2)地质因素考虑。该技术应该部署在具有坚实岩床的地区。该公司在全球范围内已经对117个地方进行了地质勘探研究,使用了国际认证的岩石质量评定(Rock Mass Rating, RMR)系统进行了认定,其中3%被认定为非常适合,43%被认定为适合,而其它地方要么需要非常昂贵的岩石稳定化处理,要么条件只适合建设小型储能站。(评:对地质条件有一定要求)

3)要与高压电网相连。考虑到该系统功率大,应该与最低电压10kV的电网相连,而且最好与新能源发电、电网等距离够近,这样可以减少传输等方面的损失。(评:我国建的各种特高压线路此时正好派上用场)

相比于传统抽水蓄能的优势?

1)因为岩石密度比水高,因此可以达到比抽水蓄能电站更高的能量密度。

2)考虑到更高的能量密度以及对于坑道等条件的利用,该技术占地更小,空间利用率高。

3)相应的,用水量只有抽水电站的1/4,而且不存在抽水蓄能电站的蒸发、暴露污染等系列问题。

4)该结构在地震到来时,岩石活塞因为相当于是“漂浮”在水中,地震波对于结构的影响会被缓冲掉很多,因此安全系数上有保证。

小结:明日技术可以期待,电网级储能需要相应技术突破

受制于电化学反应本身的理论容量极限、动力学极限,外加原料资源和工程施工等因素,电池技术在应对真正电网级的储能调峰任务时总是有些吃力的,除非有真正新体系电池出现,能满足长寿命、低成命、工艺简单等需求,而目前来看能满足这一要求的电池技术并不多。而新闻满天飞的快充技术中,总体来说,技术好点的是针对kWh级电动汽车体量级的技术(达到MWh的还是少了点),对于解决电网级储能有一定参考意义(虽然问题依然很多)。但对于这样的技术笔者仍然持有十分的敬意,因为此时需要综合把材料、电池、电控、电网各种因素考虑进去,工程上要倾注相当的心血,而且这些技术在微网等级的情境下也是可以适用的,能切实解决很多问题。

而技术差点的噱头快充技术基本也就只能充个充电宝了,这类技术如果不能放大,基本上也只能是个玩具而已,没有太大意义。笔者曾经强调过,实验室做0.1g,放大到做一个充电宝,再到做一个汽车,最后到电网级储能,量级差别是巨大的,根本不是一回事,看似都实现了半小时充电,其中要付出的心血完全不在一个量级上,指望这些技术来解决电网级的大规模调峰目前恐怕还难点,或者说,很远。

似乎扯的有点远。回来小结一下:发展储能技术对于人类社会的发展,能源的转型至关重要,此时能实现大容量低成本/高能量密度的储能技术相对来说更符合我们的需求。而电网储能可能更侧重于大容量低成本,而电化学电池在此方面可能不见得有多擅长,锂电和铅酸在应对电网储能时已经遇到的问题大家都很清楚,无需赘述。因此电网级的大规模储能很可能需要新型电池体系(也得是单位电价成本便宜的,能量密度高都可以排第二,快充的重要性更可以往后,根本就不是第一矛盾),或者就是要依靠机械能储能来解决这些问题(抽水蓄能、压缩空气,以及本文的技术可能也是有希望的)。

位于图片右上方的PSH(抽水蓄能)与CAES(压缩空气)更符合电网大规模储能需求,锂离子电池可能更适合电动汽车、中小规模的分布式等更灵活的储能需求

该公司在网站中表示,现在还没有建成相关的项目,该想法是2010年提出的,他们的目标是在2020年建成示范站,目前还正在国际上选址,寻找合适的建造地。但是考虑到该技术有可能能解决电网大规模储能、解决能源消纳等一部分问题,笔者认为还是要期待这样的技术能有更大的发展,从而为能源转型提供更多的支持和可能性。

德国人加油,也希望中国人能更加努力,做出更多新成果,而且能做出些有工程落地前景,经得起推敲、质疑和检验的技术。

关键字:储能系统

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