鄭明陽(yáng) 賴 杰

（作者單位：中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司）

位于江蘇省常州市金壇區(qū)的鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目是國(guó)家級(jí)試驗(yàn)示范項(xiàng)目，是儲(chǔ)能領(lǐng)域“前沿中的前沿”。2018年12月25日，該項(xiàng)目在金壇奠基。

金壇鹽盆是我國(guó)東部地區(qū)綜合指標(biāo)最佳的大型鹽礦，中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“中鹽金壇公司”）自2007年與中石油合作建設(shè)第一座鹽穴天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)以來(lái)，一直堅(jiān)持鹽穴的綜合利用開發(fā)。目前，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目是繼天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)后又一個(gè)鹽穴再利用方式。

空氣也能用來(lái)儲(chǔ)能發(fā)電

鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站是儲(chǔ)能電站的形式之一。其類似于目前常見的抽水蓄能電站。抽水蓄能電站在夜間用電低谷時(shí)，用電將水抽上大壩；白天用電高峰時(shí)再將水釋放發(fā)電。鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站則將大壩換成了鹽穴，將水換成了空氣。

水可以儲(chǔ)能發(fā)電，空氣也能用來(lái)儲(chǔ)能發(fā)電。鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化。通過(guò)這種新型技術(shù)，可從電網(wǎng)吸納用電低谷時(shí)的 “過(guò)剩電能”——電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)多級(jí)壓縮機(jī)將空氣壓縮至高壓并儲(chǔ)存至地下鹽穴中，完成電能到空氣壓力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存。在此過(guò)程中，各級(jí)壓縮機(jī)同時(shí)產(chǎn)生壓縮熱，通過(guò)間冷器換熱回收這部分壓縮熱并儲(chǔ)存在蓄熱介質(zhì)中，蘊(yùn)含熱量的蓄熱介質(zhì)則儲(chǔ)存在熱罐中。

用電高峰到來(lái)之時(shí)，釋放空氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)即可做功發(fā)電返回電網(wǎng)，完成空氣壓力勢(shì)能到電能的轉(zhuǎn)換。在此過(guò)程中，來(lái)自熱罐的高溫蓄熱介質(zhì)通入各級(jí)膨脹機(jī)的級(jí)前換熱器，加熱各級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)口空氣，釋放完熱量的蓄熱介質(zhì)儲(chǔ)存到冷罐中。

鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站這種工作模式可大幅改善發(fā)電用電的時(shí)空結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電力供需的“削峰填谷”。

清華大學(xué)教授梅生偉介紹說(shuō)：“目前，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站采用非補(bǔ)燃先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，其電電儲(chǔ)能效率達(dá)到60%以上，除供電外還能夠?qū)崿F(xiàn)供熱和供冷，能量綜合效率可達(dá)85%。而隨著技術(shù)研發(fā)的推進(jìn)，未來(lái)系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率會(huì)進(jìn)一步提升，有望突破70%?！?/p>

清華大學(xué)電機(jī)系薛小代博士細(xì)數(shù)了鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能在容量、壽命、成本和環(huán)保上的各種優(yōu)勢(shì)。鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能采用空氣作為清潔的儲(chǔ)能介質(zhì)，是無(wú)燃燒的純機(jī)械物理儲(chǔ)能裝置，具有清潔環(huán)保的特性。它前期的生產(chǎn)和后期的報(bào)廢都不會(huì)產(chǎn)生任何排放和污染。壓縮空氣儲(chǔ)能電站配置的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)容量大，使其單機(jī)容量就可以做到二三十萬(wàn)千瓦，能夠更好地發(fā)揮儲(chǔ)能作用。壓縮空氣儲(chǔ)能電站的運(yùn)行壽命長(zhǎng)。德國(guó)亨托夫（Huntorf）補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站自1978年建立至今已運(yùn)行40 余年，且仍在正常運(yùn)營(yíng)。金壇壓縮空氣儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)壽命就是四十年以上。壓縮空氣儲(chǔ)能還具有特殊功能特性，其除了依靠電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電之外，還對(duì)電網(wǎng)有無(wú)功支撐、調(diào)相的作用，另外也可以供冷和供熱。

建設(shè)鹽穴空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的挑戰(zhàn)

金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目是中國(guó)創(chuàng)造的優(yōu)秀代表。由于這是國(guó)際率先采用非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)沒有相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，只能自行研發(fā)。中鹽金壇公司副總工程師王國(guó)華介紹道：“由于項(xiàng)目采用了非補(bǔ)燃技術(shù)，與目前國(guó)外的兩座補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站有技術(shù)上的差異，我們也只能借鑒參考一小部分，幾乎所有技術(shù)都要從零開始進(jìn)行研發(fā)、創(chuàng)新?！睋?jù)了解，目前項(xiàng)目所有的核心系統(tǒng)都是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新攻關(guān)的成果。薛小代表示：“在項(xiàng)目的核心系統(tǒng)，如空氣的高效高溫壓縮技術(shù)、大流量空氣的高效傳熱技術(shù)、空氣高效膨脹技術(shù)、空氣大容量注采器、電力調(diào)度控制技術(shù)等，我們都擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，大概有五十余項(xiàng)發(fā)明專利?！?/p>

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還遇到了地下工程的問(wèn)題。中鹽在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，中鹽金壇公司總經(jīng)理管國(guó)興說(shuō)：“地下建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)大家都沒有經(jīng)驗(yàn)，不知道怎么做。需要各種各樣的資料去論證。專家過(guò)來(lái)論證的時(shí)候，有兩大問(wèn)題，第一個(gè)，地下造腔工藝復(fù)雜、難度高；第二個(gè)，建腔會(huì)出來(lái)大量的鹵水，消化平衡鹵水怎么解決？”

金壇鹽盆的鹽穴平均深度達(dá)一千多米，開采只能通過(guò)一口管道井，操作起來(lái)十分困難。王國(guó)華解釋說(shuō)：“在造腔過(guò)程中，首先需要不斷監(jiān)測(cè)腔室情況。中鹽金壇和德國(guó)搜空聲納鹽穴測(cè)量公司合作使用聲吶探測(cè)來(lái)看清地下的情況。另外還需要根據(jù)不同的存儲(chǔ)需求塑造可承受不同壓力的不同形狀的鹽穴。鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站需要利用鉆井、造腔等工藝將鹽穴塑造成“梨形”的儲(chǔ)氣庫(kù)。自2007年以來(lái)，中鹽金壇就已建成三大鹽穴天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)群，現(xiàn)在公司的鹽穴造腔工藝在國(guó)內(nèi)屬于一流的，甚至是處于引領(lǐng)地位的?！?/p>

對(duì)于造腔過(guò)程中的鹵水問(wèn)題，中鹽金壇本身即能消化平衡鹵水。管國(guó)興說(shuō)：“中鹽金壇可以消化建腔過(guò)程中采出的鹵水，將其作為真空制鹽的原料?！?/p>

對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能這一新型的技術(shù)，目前國(guó)家沒有現(xiàn)成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有運(yùn)營(yíng)機(jī)制和價(jià)格機(jī)制可以參照。對(duì)此，王國(guó)華表示：“現(xiàn)在我們正在著手準(zhǔn)備起草非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站的全套相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這也是國(guó)家試驗(yàn)示范項(xiàng)目給我們的一個(gè)重要任務(wù)，以便后期壓縮空氣儲(chǔ)能電站的快速推廣?！?/p>

鹽穴儲(chǔ)能前景廣闊

鹽穴是地下巖鹽礦利用水溶開采方式開采后形成的地下空腔，具有體積巨大且密封良好的特點(diǎn)。由于巖鹽具有非常低的滲透性及良好的蠕變行為，能夠適應(yīng)儲(chǔ)存壓力的變化；其力學(xué)性能穩(wěn)定，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；對(duì)構(gòu)造裂縫或裂隙能夠自行關(guān)閉和密封，能夠保證儲(chǔ)存洞穴的密封性。巖鹽的上述物理化學(xué)特性，使得鹽穴能夠提供一個(gè)巨大而安全的地下空間，用于儲(chǔ)存那些不溶解鹽的物質(zhì)，如石油、天然氣以及相關(guān)產(chǎn)品，空氣、氫氣，甚至核廢料等。

“中鹽金壇一直引領(lǐng)我國(guó)鹽行業(yè)的發(fā)展，在鹽穴天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)、做鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能方面，我們都是國(guó)內(nèi)第一個(gè)做的?！蓖鯂?guó)華說(shuō)。同時(shí)中鹽金壇還在積極開發(fā)鹽穴戰(zhàn)略儲(chǔ)備石油庫(kù)和液化天然氣儲(chǔ)存庫(kù)，并積極研發(fā)鹽穴電池儲(chǔ)能技術(shù)、和氫氣儲(chǔ)存庫(kù)技術(shù)。

鹽礦企業(yè)采完鹽之后，會(huì)留下閑置的鹽穴。而鹽礦企業(yè)需要對(duì)這些鹽穴進(jìn)行定期檢測(cè)，并對(duì)地下保持一定的壓力，防止鹽穴變形和相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害。將鹽穴開發(fā)利用，也是一種維護(hù)措施，而且有利于鹽礦企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。王國(guó)華解釋說(shuō)：“鹽穴開采是在一個(gè)鹽丘里面，用水溶法把鹽融化，再把鹵水抽出來(lái)，形成一個(gè)空洞，再把空洞注滿水，所以相應(yīng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有被破壞。鹽穴的再利用其實(shí)就是一種修復(fù)措施。而且鹽穴開采利用，早在上世紀(jì)50年代歐美國(guó)家就已經(jīng)開始，沒有出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題?！?/p>

重慶大學(xué)姜德義教授也曾在第四屆鹽穴利用國(guó)際研討會(huì)報(bào)告中指出，我國(guó)鹽礦資源豐富，已探明的礦區(qū)約150 處，井礦鹽總儲(chǔ)量約7 萬(wàn)億噸， 井礦鹽年產(chǎn)量近5000 萬(wàn)噸，累計(jì)形成地下鹽穴空間超過(guò)2.5 億方。現(xiàn)有記錄的鹽穴約1500 個(gè)，僅江蘇淮安、河南平頂山等地有鹽穴老腔500 余個(gè)，大部分充滿鹵水，處于廢棄閑置狀態(tài)，且主要集中分布在我國(guó)中東部地區(qū)，與我國(guó)主要的油氣消費(fèi)區(qū)重疊。利用鹽穴作為能源儲(chǔ)備具有廣闊前景，如果能充分利用這些鹽穴，將為我國(guó)能源儲(chǔ)備提供大規(guī)模寶貴空間。

儲(chǔ)能是能源革命的重要技術(shù)支撐

“未來(lái)的能源系統(tǒng)主要以清潔能源為主，儲(chǔ)能就成為支撐未來(lái)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵，在未來(lái)的發(fā)電、用電、輸電和配電這幾個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。未來(lái)的能源系統(tǒng)是離不開儲(chǔ)能的?！毖π〈赋觯瑑?chǔ)能是能源革命的重要技術(shù)支撐。

在國(guó)家能源局印發(fā)的《2018年能源工作指導(dǎo)意見》中，要求加快先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)示范項(xiàng)目建設(shè)，推動(dòng)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。出臺(tái)關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見，切實(shí)提高電力系統(tǒng)調(diào)峰和消納清潔能源的能力。扎實(shí)儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)等示范項(xiàng)目建設(shè)，在試點(diǎn)基礎(chǔ)上積極推廣應(yīng)用。表明了儲(chǔ)能是我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展方向之一，以及國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持。

電的存儲(chǔ)是比較麻煩的，尤其是這種大規(guī)模的電力存儲(chǔ)技術(shù)更是復(fù)雜。薛小代表示，目前發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，主要是應(yīng)對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的幾個(gè)需求。一是大電網(wǎng)的削峰填谷。二是新能源的消納：風(fēng)電、光伏發(fā)電具有波動(dòng)性，直接消納的話會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；儲(chǔ)能技術(shù)相當(dāng)于給電網(wǎng)加了一個(gè)適配器，很好的緩解了這種沖擊。三是未來(lái)智能電網(wǎng)的靈活性：不管是分布式的還是集中式的，都需要儲(chǔ)能來(lái)靈活處理，以支撐未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展。

對(duì)為應(yīng)對(duì)國(guó)家能源工作儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展需求，金壇將被江蘇省規(guī)劃為大型的儲(chǔ)能調(diào)控基地。而金壇鹽穴空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目正是儲(chǔ)能調(diào)控基地走出的第一步。

管國(guó)興指出：“目前我國(guó)儲(chǔ)氣罐技術(shù)很完備，但是地面儲(chǔ)氣罐不可能做得很大。壓縮空氣儲(chǔ)能電站和地下鹽穴相結(jié)合又是另外一條發(fā)展路。地下鹽穴儲(chǔ)氣空間特別大，鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站的規(guī)模也可以跟著做得很大，鹽穴儲(chǔ)能潛力非常大。”

王國(guó)華表示，我國(guó)目前的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)主要依賴抽水蓄能電站，產(chǎn)業(yè)單一，急需大規(guī)模儲(chǔ)能新技術(shù)。而鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的出現(xiàn)突破了這一困境。鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)還能促進(jìn)儲(chǔ)能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如大規(guī)模壓縮機(jī)技術(shù)、空氣透平技術(shù)等。