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电力储存让电网更清洁高效

[日期:2012-04-22]   来源:Econom ist  作者:   [字体: ]

要让电力系统更清洁高效,必须解决风能、太阳能等可再生能源的供给不稳定问题,这就需要更先进的电力储存技术。

丹麦人构想的绿色能源岛,计划在岛上安装风力涡轮发电机,在岛中央挖掘一个水库。

加州G ravityPow er公司的抽水蓄能系统包括两口大小不一的垂直竖井。

去年,得克萨斯州遭遇有史以来最热的夏天。大量空调被启动,用电量暴增。得州电网经营商ER C O T (得州电力可靠性委员会)差点被迫实施轮流停电。为了满足突然增加的需求,ERCO T被迫买下在现货市场上能够找到的所有电力,有时候价格高达正常电价的30倍。

理论上,E R C O T应该拥有大量电力。2010年,它总发电能力达到84400兆瓦,远远超过去年夏季用电高峰期所需的68294兆瓦。理论上,公司每年可以生产电力约7400亿千瓦时———远远超过2010年E R C O T的顾客所需要的3190亿千瓦时。然而,对于电力生产而言,“总计”和“平均”之类的词没有太大意义。问题在于,在E R C O T的总发电量中风能占据了9500兆瓦,而风又极不稳定。在夜晚电力需求较少的时候,风力往往最强。此外,为了保证可靠供应,政府要求电力公司产量比预计总需求量高出一个安全差额———ER C O T的差额为13.75%.

如果E R C O T和其他电力公司能够更方便地存储多余能量,比如将夜晚风力涡轮机生产的多余电力存储起来,这样就能补给用电高峰时的缺口。这样做将能解决风能、太阳能的间歇性问题,让它们更有吸引力,更容易融入电网。通过启用储存的电力,而不是开动备用发动机,电力公司可避免在昂贵的现货市场购买电力,节省成本。

谈到电力储存,很多人可能会想到巨大的电池。虽然电池可短时间提供电力,可在不同能源开启关闭的时候避免波动,但它们无法提供“电网规模”的电力,无法满足几千兆瓦时的需要。因此必须依靠其他的电力储存技术———随着供给不稳定的可再生能源的广泛应用,需求更加紧迫,刺激大量新创意出现。

目前最广泛应用的规模化能源储存形式是抽水蓄能电站,它用水和重力的简单组合,将用电低谷时的电力储存,在高峰释放。抽水蓄能设施通常利用天然地形,围绕位于不同海拔高度的两个水库建造。用电低谷时的多余电力被用于将水从海拔较低的水库抽到较高海拔水库,将电力转化成重力位能。当需要电力时,又让水流回较低海拔水库,推动涡轮机发电。据美国电力研究所统计,全球规模化电力储存能力约为127000兆瓦,其中抽水蓄能电站占99%.

然而,传统的抽水蓄能电站却很难推广。适合建造类似系统的地方非常少,而且相距遥远。为了解决这个问题,多家公司设计了新型的抽水蓄能电站。

一个颇有野心的计划是丹麦建筑公司G ottliebPaludan和丹麦理工大学共同设计的绿色能源岛。他们设想建造一座人工岛,岛上安装风力涡轮机,岛中央挖一个深深的水库。当风力强劲时,多余电力用于将水库中的水抽入海中。当需要电力时,再让海水流回水库,推动发电机。

加利福尼亚一家新公司G ravityPow er设计了一套系统,主要依靠两口垂直竖井,一口的直径比另一口宽,两端相连。将水抽入小竖井,导致大竖井中的活塞上升。在电力需求高峰,让活塞沉到大竖井底部,迫使水流过一台涡轮发电机。这一系统相对小巧,可以安装在用电量较大的地区,公司老板汤姆·马森说,当需求增加时,还可以再增加一套系统。

另一家试图利用重力位能的公司是加州圣塔莫妮卡的A R ES(高级轨道能源储存)。它设计的系统利用改装后的轨道车。需求低谷时的多余电力被用于将车拉到山顶。当需要电力时,再将车释放,当车沿着轨道往下冲时,它们的运动驱动一台发电机。像抽水蓄能电站一样,A R ES系统也需要特殊的地形。但公司老板威廉·佩茨克说,在海拔差异相同的情况下,A R ES能够生产更多电力。他说,这一系统更高效,往返效率———能源输出和输入之比———超过85%,而抽水蓄能电站只有70%-75%.公司正在加州建造一个示范系统,计划于2013年开始运行。

仅次于抽水蓄能电站的第二种规模化电力储存形式是压缩空气蓄能(C A E S)。方法是将空气压缩,储存进巨大的仓库,比如地下盐穴。在用电高峰期,空气被释放,用于推动涡轮机。目前全世界只有两座投入使用的商业压缩空气蓄能工厂:一座位于德国汉特福,另一座位于美国亚拉巴马州麦金托什。压缩空气蓄能的最大缺点是效率低。据德国R WE电力公司说,汉特福蓄能工厂的往返效率只有42%,亚拉巴马蓄能厂的效率稍高一点。问题在于,空气压缩时温度升高,膨胀时温度下降。在现有的系统中,压缩时,能量作为热量散失,在膨胀前必须再次加热。用于加热的能源通常来自天然气,这个过程导致效率降低,温室气体增加。

正如抽水蓄能一样,人们也在研究让压缩空气蓄能变得更加高效的方法。R WE正在和通用电气公司合作,研究一套新的系统,它可以将压缩过程中生产的热能储存起来,在膨胀的时候释放,无需外来热能。这个概念理论上已经得到验证,现在需要克服一些技术上的难题,比如设计可以将空气压缩到大气压力70倍的泵,还有可以经受600°C以上高温的储存热能的陶瓷材料。接下来的目标是2013年前在德国斯特拉斯福特建造一座90兆瓦的示范工厂。

多家小公司也在开发高效压缩空气蓄能系统。达特茅斯大学工程学院旗下的SustainX公司在美国能源部支持下,发明了“等温压缩空气蓄能”系统,在压缩空气时注入水蒸汽,水吸收热能,然后被储存起来,在空气膨胀时使用。SustainX不用盐穴,而用标准钢管储存压缩空气,因此可以安装在任何需要的地方。该公司已经建造了一座40千瓦的示范工厂,正与A ES电力公司合作,建造一套1-2兆瓦的系统。另一家得到美国能源部资助的公司,麻萨诸塞州的G eneral Com pression也设计了一套主要针对风电场的“等温压缩空气蓄能”系统,正与康菲石油公司合作,在得克萨斯州建造一座2兆瓦的示范工厂。

另一种能源储存方式主要依靠热能。英国剑桥的Isentropic公司发明了一套P H E S(泵热蓄电)系统,使用氩气在两个装满沙砾的巨大密封罐中传递热能。输入的热能推动热泵,压缩加热氩气,造成两个密封罐中的温差,一个温度达到500°C,另一个为-160°C.在电力需求高峰时,热泵反过来充当热引擎,氩气膨胀冷却,产生电力。Isentropic称它的系统的往返效率在72%至80%之间。(来源:南方都市报 南都网)

加州奥克兰的B rightSourceE n-ergy已经和南加州爱迪生电力公司签署合作协议,将建造一套用熔盐储存能源的系统。B rightSource的电力来自聚光太阳能发电———电脑控制的镜面(日光反射装置)将阳光热能聚集起来,用于烧水,推动蒸汽涡轮机。但这一发电方式只适合于阳光灿烂时。SolarPL U S蓄能系统采用热交换器将日光反射装置捕捉到的部分热能用于融化盐。在需要的时候,热能再反过来通过热交换器推动蒸汽涡轮机。这样一来,太阳能电站即使在没有太阳的夜晚也能供应电力。BrightSource计划给它的3座聚光太阳能电站配备SolarPLU S.

潜在市场是巨大的:据市场研究公司Pike Research分析,2011年至2021年,全球将在蓄能项目上投入1220亿美元。其中大部分资金将流向新型压缩空气蓄能技术。具有绿色思维的政府和监管机构对这一技术表现出更多兴趣。加州通过立法,要求能源公司将蓄能纳入规划。去年,德国环境部提出了评估蓄能技术发展和资金需求的方案。英国政府的“低碳网络”基金正用于建造多个蓄能示范项目。

然而,大规模蓄能系统的部署将需要监管和技术的进步。监管框架对电力供应商和电网运营商实施区别政策,而蓄能技术可以为电力公司所用,也可以为电网所用,并不适应现有监管框架。它们将电力剥离电网储存起来,以解不时之需,这给现有的关税、计费和计量方式提出了难题。目前还不知道电力公司是否允许将蓄能设施的成本转嫁给消费者。但是,考虑到这一技术可让电网变得更清洁、可靠,如此看来规则的改变已是必然。
 





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