电转气技术的应用及与其它储能方式的比较

王鑫明, 寻志伟, 杨沛豪

1.国家电网河北省电力有限公司 石家庄 0500512.陕西省国华锦界能源有限责任公司 陕西榆林 719319 3.西安热工研究院有限公司 西安 710000

1 研究背景

东北、华北和西北地区在冬季供暖期主要依靠火电厂供热,雾霾较为严重,同时随着火电厂供热区域的延伸,火电机组调峰能力明显不足,导致电网调峰能力下降。为了解决以上地区的雾霾问题,以及加快新能源消纳能力,提高火电机组投切灵活性成为现阶段的重要任务。对此,国家能源局于2016年6月正式启动火电机组灵活性改造示范试点项目,促进新能源快速发展。由此,对火电机组进行灵活性改造在国内电力行业迅速展开。

文献[1]介绍了我国火电厂灵活性改造所蕴藏的巨大潜力,从调峰运行控制方法和储热改造两个方面分析了火电厂灵活性改造的技术方案和先进理念。当前,风电、光电等新能源发电量逐年递增,导致电网结构发生巨大变化,对火电机组投切灵活性的改造要求在不断提高。文献[2]通过研究火电机组临界特性,考虑逐渐严格的网络调度要求,提出一种可以减小自动发电控制指令对系统造成影响,同时提高大负荷下机组负荷响应速度的优化策略。针对东北地区弃风严重的问题,文献[3]对某电厂600 MW机组脱硝系统进行超低排放改造,改造后的脱硝效率、氨逃逸、二氧化硫三氧化硫转化率、系统阻力、氨耗量等主要性能指标都有明显改善。文献[4]提出一种火电机组滑压运行方式,通过分析滑压运行方式的特点及经济性,对125 MW和200 MW机组进行试验,得到火电机组在运行条件发生改变时的最佳运行方式。文献[5]针对火电机组在低负荷运行时需要考虑气缸容量、叶片排气干度、水蚀系数、动应力等问题,提出一种满足调峰能力、降低运行负荷的方案。文献[6]提出一种火电机组宽负荷高效技术,可以使火电厂达到降耗节能、减少污染物排放的目的,并保证灵活投切。

天然气作为重要的一次能源,与电力系统联系较为紧密,使电-气-热互联能源系统的应用成为可能。近年来出现的电转气技术[7-9]为解决能源互联问题提供了新的途径。电转气技术可以将低谷时段剩余的火电转化为易于大规模存储的天然气,并在高峰时段通过燃气轮机发电,将能源重新利用。与传统的储能设备相比,电转气存储容量大,放电时间长,可以有效提高大规模火电机组运行的灵活性。

2 电转气技术原理

电转气技术原理如图1所示。实际应用中,电转气包括电转氢气和电转天然气两种类型,其中电转氢气是电转天然气的前置反应。电转氢气的基本反应原理为电解水产生氢气和氧气,现阶段,电解氢气的能量转换效率可以达到75%～85%。

图1 电转气技术原理

电解水产生的氢气可以直接用于燃料电池、液化或其它方式存储,但通过氢气反应生成的天然气,其单位能量密度是氢气的4倍,且氢气存储困难、传输危险,因此一般采用电转天然气的方法。

电转天然气的原理是在电解氢气的基础上,利用二氧化碳和氢气在高温高压环境下反应生成天然气。电转天然气的能量转换率为45%～60%,将电解产生的天然气与天然气管道网络相连,无需增加额外投资,就可以实现能量在电力网络与天然气网络间的双向流动。图2所示为加拿大兆瓦级电转气设备。

3 电-气互联能源系统

燃气轮机和电转气技术实现了电力网络与天然气网络之间能量的双向流动,其重要意义在于可以提高火电厂调峰的灵活性,减少碳排放。

从火电厂的废气中捕捉二氧化碳,作为电转天然气所需二氧化碳的主要来源。燃煤电厂二氧化碳捕捉技术是国内外应对气候变化、减少温室气体排放的重要手段。此外,电转气过程中产生的热能还可以供火电厂使用。电-气互联能源系统的结构如图3所示。

图3 电-气互联能源系统结构

电转气技术是解决火电厂削峰填谷的新途径,具有运行灵活的潜力。这一技术强化了电力系统与天然气系统的联系,有助于实现多能源系统的协调优化运行,提高社会经济效益。在我国市场环境下,电转气技术使多能源市场的联系更加紧密。对自然环境而言,这一技术可以充分利用绿色能源,减少二氧化碳排放,有助于改善自然环境。

4 电-气-热多能源系统

电-气-热多能源系统包含能源中心和传输网络两个部分,其中能源中心包括电转气装置及分布式电源。在正常工作过程中,电-气-热多能源系统既可以是电源,也可以是负荷,具体处于哪种工作状态取决于当前运行条件。电-气-热多能源系统由调度中心进行统一调度,其调度模型如图4所示。

图4 电-气-热多能源系统调度模型

系统运行时,预测并收集未来2 d的电力、天然气、供热和负荷情况,将信息传输至调度中心,由调度中心对发电机、电转气装置进行统一优化分配、管理。具体调度方案如下:

(1) 能源中心预测并收集未来2 d的电力负荷、天然气负荷、热负荷等具体情况,并向调度中心汇报;

(2) 调度中心根据具体调度目标,参考约束条件,制订各个能源中心的调度计划;

(3) 能源中心按照调度计划进行具体调度任务。

5 其它储能方式

目前,在电力系统储能领域应用较多的有化学储能、超导储能和物理储能。化学储能技术成熟,并已广泛应用,但使用寿命短,受外界条件影响明显。超导储能成本高,对环境要求极为严格,不适合大规模应用。物理储能利用物理方法将能量存储起来,不存在环境污染问题,适合当今社会的发展要求。物理储能的主要形式有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能[10-11]。

5.1 飞轮储能

飞轮储能一般由电机、飞轮、轴承、真空室、电力电子器件等组成。飞轮是飞轮储能系统的重要组成部分,一般采用强度较高、密度较小的高分子复合材料制成。轴承用于固定飞轮,为了减小摩擦损耗,一般采用磁浮支承技术。电机既可以工作在电动状态,也可以工作在发电状态,用于满足机械能与电能相互转换的要求。在储能阶段,电机带动飞轮转动,将飞轮加速到一定转速后进行能量存储。在释放能量阶段,飞轮减速,电机作为发电机运行,动能转换为电能。电力电子器件用于实现对电能的有效控制。真空室既可以为飞轮的正常工作提供无损耗环境,也可以防止飞轮因转速太高脱离轴承而危害人员和设备。飞轮储能系统结构如图5所示。

图5 飞轮储能系统结构

飞轮储能是一种将高速旋转的能量以动能形式存储起来的装置,有三种工作模式:放电模式、充电模式、保持模式。放电模式将飞轮转子旋转时的动能传递至发电机,发电机将动能转换为电能,再经过电力控制装置变换后输出工频电压和电流,最终实现机械能到电能的转换。充电模式时,飞轮转子从外界吸收电能,用以提高飞轮转速,将能量以动能的形式存储。保持模式指当飞轮转速达到设定值时,飞轮储能系统既不吸收能量,也不输出能量。旋转中的飞轮以动能形式存储起来的能量E为:

式中:v为飞轮线速度;m为飞轮质量;J为飞轮转动惯量;ω为飞轮角速度;r为飞轮半径。

由式(1)可以看出,飞轮存储的动能与转动惯量、角速度的二次方成正比,因此,提高转动惯量和转速可以有效提高飞轮存储的能量。飞轮储能系统工作原理如图6所示。

图6 飞轮储能系统工作原理

飞轮储能同样存在缺点,主要的缺点是能量密度不高、自放电率高、释放能量持续时间较短。图7所示为一种磁浮飞轮储能设备。

5.2 超导储能

超导储能是基于超导体在低温时电阻为零的物理特性而产生的一种电能存储技术,不仅可以在超导体线圈中无损耗存储电能,而且可以通过电力电子变换器与电力网络快速连接,交换有功和无功功率。超导储能的优点主要有储放电功率大、质量较轻、体积较小、损耗低、反应速度快等,因此应用很广。超导储能广泛应用于电网中,当电网中负荷较低时,超导储能可以将多余的电能存储起来,在负荷高时再将存储的电能释放,这样可以满足用电高峰和低谷时火电机组的供电要求。超导储能系统原理如图8所示。

图8 超导储能系统原理

超导储能作为并联储能的重要组成部分,能够快速响应高压输电系统,提高电力网络的稳定性,抑制频率与电压波动。超导储能在电力网络中的应用主要包括动态稳定、电压稳定、负荷均衡、暂态稳定等,对于火电厂而言,中小型超导储能系统更为经济实用。超级电容器占地小,简单实用,可以在各种工况条件下运行。

超导储能的不足之处在于成本较高,使可靠性和经济性受到制约,离商业化应用还有一段距离。

5.3 压缩空气储能

压缩空气储能对地理条件无过多要求,建造成本低,响应速度快,使用寿命长,储能容量大,是一种应用前景较好的大规模储能技术。压缩空气储能可以利用低谷电、弃风电、弃光电等对空气进行压缩,将高压空气密封在固定容器中,在用电高峰期释放压缩空气,进而推动气轮机、涡轮机等发电。压缩空气储能按不同运行方式可以分为补燃式和非补燃式两种。

补燃式压缩空气储能需要借助燃料补燃来实现系统的循环运行,其工作原理如图9所示。

图9 补燃式压缩空气储能工作原理

在储能阶段,电机驱动压缩机,将空气压缩并存储至容器中。释放时,容器中的高压气体进入气轮机或涡轮机,在燃烧室中与燃料混合燃烧,带动发电机对外输出电能。补燃式压缩空气储能由于采用燃料补燃,因此存在污染环境的问题。非补燃式压缩空气储能由传统的补燃式压缩空气储能发展而来,通过采用回热技术,将储能压缩过程中产生的热量收集并存储,待释能时再加热进入透平的高压空气,其工作原理如图10所示。

图10 非补燃式压缩空气储能工作原理

由于非补燃式压缩空气储能不对燃料产生依赖,因此实现了有害气体零排放,同时利用压缩热和透平低温排气对外供暖或制冷,实现了冷-热-电三联供,能源利用率较高。

非补燃式压缩空气储能的主要缺点是储能效率较低。因为空气在压缩时温度会升高,释放过程中温度会降低,在工作过程中总会有一部分能量以热能的形式散失,且在释放之前还需要重新加热。

5.4 化学储能

化学储能以电化学储能为典型代表,主要分为铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池及超级电容器储能等,前三者的比较见表1。

表1 电化学储能比较

铅酸电池是一种由铅和铅氧化物制成的储能装备,电解液为硫酸溶液。铅酸电池在荷电状态下,正极为二氧化铅,负极为铅。在放电状态下,正负极均为硫酸铅。铅酸电池属于最早应用的商业化储能电池。

锂离子电池具有较高的比能量、优异的循环性能,且绿色环保,占据了绝大部分电子产品市场,如移动电话、笔记本计算机、照相机等。锂离子电池的工作原理是以锂离子作正极材料,以金属氧化物作负极材料,通过在石墨之间嵌入和脱出来实现能量的存储和释放。

钠硫电池最初为电动汽车而设计,随后向储能领域发展。钠硫电池采用管型设计,电池中心以钠为负极。内管为电解质隔膜,同时起到安装钠的作用。外管为不锈钢金属合成材料,用于安装正极材料非金属硫。在工作温度下,钠离子透过电解质隔膜与硫发生可逆反应,形成能量的释放和存储。

6 与其它储能方式的比较

笔者从三个方面对电转气技术与现有储能方式进行比较。

(1) 储能系统容量。超导储能、飞轮储能容量较小,额定功率在千瓦到兆瓦级之间,放电时间较短。化学储能由于介质不同,性能差异较大。电转气技术的容量相对更大,额定功率可达吉瓦级,放电时间为数天甚至数月。

(2) 储能系统效率。超导储能和飞轮储能的效率相对较高,分别为90%、95%。化学储能和抽水蓄能效率低一些,分别为80%、70%～80%。电转气技术效率较低,为42%～58%。

(3) 储能技术成熟度。目前,抽水蓄能和铅酸电池技术最为成熟,压缩空气储能、飞轮储能、钠硫电池、锂离子电池、液流电池等储能技术则较为成熟,超导储能和电转气技术尚处于研究阶段。

7 结束语

与其它储能技术相比,电-气-热多能源系统虽然效率较低、成本较高,但是在额定功率和放电时间方面有明显优势。电转气技术的成功应用不仅可以有效提高新能源的消纳能力,而且可以提高火电机组的投切灵活性,在用电负荷低谷和火电厂输出富余时段缓和电网波动。此外,天然气是绿色能源,应用电转气技术不仅可以提高电力系统和天然气技术的稳定性,而且可以节约经济成本。