鹽穴壓縮空氣儲能技術應用探討

◎ 國興君 馬華興

1.鹽穴利用概況

鹽穴是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。由于巖鹽具有非常低的滲透性及良好的蠕變行為，能夠適應儲存壓力的變化；其力學性能穩定，具有一定的結構強度；對構造裂縫或裂隙能夠自行關閉和密封，能夠保證儲存洞穴的密封性。巖鹽的上述物理化學特性，使得鹽穴能夠提供一個巨大而安全的地下空間，用于儲存那些不溶解鹽的物質，主要用于儲存石油、天然氣以及相關產品。

目前世界上利用鹽穴改造的儲存庫主要集中在美國、法國、德國、加拿大等歐美國家。自上世紀六十年代起，國外一些鹽穴儲氣庫即投入運行，目前世界上在役的鹽穴儲氣庫已經超過40座。在利用鹽穴儲存石油方面，美國走在世界前列，其所有石油戰略儲備庫全部采用鹽穴庫，歐洲的德、法等國也多為鹽穴庫。利用鹽穴壓縮空氣儲能方面的研究和應用，德國起步較早。在上世紀七十年代，德國亨托夫電站即投入運營，是世界上第一座商業運營的鹽穴壓縮空氣儲能電站。

鹽穴作為一種不可再生資源，具有較高的經濟價值和社會價值，市場前景廣闊。中國雖然有豐富的巖鹽資源，但由于受整體技術水平及重視程度的影響，在鹽穴利用方面的研究起步較晚，目前已被利用的鹽穴數量并不多，僅有中鹽金壇鹽化有限責任公司等少數企業涉足鹽穴利用的研究。

2.鹽穴壓縮空氣儲能項目背景

儲能技術能夠調節能量供求在時間、空間、強度和形態上的不匹配，為電網運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，可以顯著提高風、光等可再生能源的消納水平，促進能源生產消費開放共享和靈活交易，是智能電網、可再生能源高占比能源系統、能源互聯網的重要組成部分和關鍵支撐技術。

為促進儲能產業發展，國家及地方給予了許多政策支持。2017年4月，國家發改委、國家能源局印發了《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，其中將“先進儲能技術創新”列為中國未來15年的15項關鍵創新任務之一。國家發改委等五部委《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》，明確了促進我國儲能技術與產業發展的保障措施等。國家能源局下發《關于促進電儲能參與“三北”地區電力輔助服務補償（市場）機制試點工作的通知》，鼓勵發電企業、售電企業、電力用戶、電儲能企業等投資建設電儲能設施。各地政府也陸續出臺了許多政策支持儲能產業發展，如山西能監辦發布了《關于鼓勵電儲能參與山西省調峰調頻輔助服務有關事項的通知》，鼓勵電儲能參與調峰、調頻輔助服務交易，提高電網整體調節性能；國網江蘇發布了《用戶側儲能并網管理規定(試行)》，為進一步支持用戶側儲能系統加快發展提供具體支持等。

隨著儲能技術需求的不斷增加以及政策對儲能行業的支持力度不斷加大，研究機構預測未來四年內國內儲能市場規模將逾65GW，儲能行業將迎來蓬勃發展。2018年，山東新舊動能轉換綜合試驗區建設總體方案獲國務院批復,標志著山東新舊動能轉換綜合試驗區建設正式成為國家戰略，利用鹽穴壓縮空氣儲能成為能源領域投資新方向。面對新形勢新要求，山東肥城精制鹽廠有限公司采取外引內聯的方式，將鹽穴儲氣與壓縮空氣儲能技術有機結合，推動鹽業這一傳統行業跨越式發展，爭取實現產業戰略轉型。

3.項目概況及技術方案

山東肥城精制鹽廠有限公司是山東省鹽業集團有限公司下屬企業，公司巖鹽礦區位于泰安市大汶口盆地東向鹽礦。該礦位于東經 116°53′-117°09′，北緯 35°58′-36°06′，礦床屬于古代內陸湖相沉積巖礦床，構造上位于魯西隆起區汶蒙凹陷西端，礦區總面積36.44km2。公司目前擁有廢棄鹽穴2處，在用的連通礦井9對。公司擬利用廢棄鹽穴與某世界500強全資子公司探討合作事宜，投資3億元建設鹽穴壓縮空氣儲能項目，項目規劃總建設規模為25MW/200MWh。項目建成后，峰時日用量33000kWh，谷時日發電量20000kWh。項目建成后可以為地方電網提供調峰服務，以及提供200MWh的備用容量以及黑啟動容量。項目一期擬建設10MW/80MWh。

3.1 項目技術方案

3.1.1 工藝流程

儲能時，電動機驅動多級壓縮機將空氣壓縮至高壓并儲存至地下鹽穴中，完成電能到空氣壓力能的轉換，實現電能的儲存。在此過程中，各級壓縮機的壓縮熱通過間冷器換熱回收并儲存在蓄熱介質中，回收熱量后的蓄熱介質儲存在熱罐中。

當釋能時，壓縮空氣從地下鹽穴中釋放并通過節流閥將壓力降至膨脹機進口壓力，隨后通入多級透平膨脹做功，完成空氣壓力能到電能的轉換。在此過程中，來自熱罐的蓄熱介質通入各級膨脹機的級前換熱器，加熱各級膨脹機進口空氣，釋放完熱量的蓄熱介質儲存到冷罐中。

該壓縮空氣儲能技術，儲能和發電均利用空氣進行，能量轉換過程中沒有燃燒或電化學環節，實現了零碳排放、100%環保。系統儲能采用常規的電動機，發電采用常規的同步發電機組，發電機組的發電形式及運行特點與常規火力發電廠相似，系統響應速度優于常規的火力發電廠和抽水蓄能電站，有益于改善電力系統的電能質量和功率平衡，尤其適于與新能源項目配套或吸納新能源的多余電力。此外，該系統為純機械系統，壽命長；主要設備均為常用類型工業設備，經試驗驗證，可靠性高；系統無高溫部件，維護成本低。

3.1.2 裝機方案

根據公司可用鹽穴技術參數，結合當地電網運行情況及結合負荷消納情況，擬建設規模為壓縮空氣儲能系統25MW/200MWh。壓縮機總功率45000kW（10kV），膨脹發電機發電功率25000kW。該系統在谷電時段，壓縮機運行約8h，進行充電。在峰電及尖峰時段，膨脹發電機運行8h，進行放電。項目年運行天數330天，年耗電量11000×104kWh，年發電量6600×104kWh。項目可以為地方電網提供調峰服務，以及提供200MWh的備用容量以及黑啟動容量。

3.1.3 電氣方案

項目廠址位于XX鎮，負荷消納區位該鎮工業園區內。該鎮電網以220kV和35kV為主，220kV變電站一座容量為2×180000kVA，35kV變電站兩座。該鎮相鄰電網目前情況為距500kV某站10KM，距110kV某站6KM，110kV某站7KM。境內共有過境線路500 kV線路兩條、220kV 2條。

（圖 壓縮空氣儲能與電力系統耦合示意圖）

接入系統設想方案：壓縮空氣儲能系統與電網系統的耦合如圖1所示，35kV經1臺雙繞組變壓器降壓到10kV，接入儲能電站10kV母線。壓縮空氣儲能電站的電源電壓分為10kV和0.4kV兩個等級，采用1臺10/0.4kV變壓器將10kV降壓到0.4kV，作為系統自用電的電源。10kV電壓母線接入壓縮機的四極同步電機，平均功率16.8MW，啟動方式采用變頻啟動。10kV電壓母線還要接入透平發電機，發電機的有功功率為10MW，并網電壓為10kV、頻率50HZ。

4.投資收益

4.1 投資估算

根據工程投資概算，25MW/200MWh壓縮空氣儲能系統工程總投資3億元，其中設備投資2.5億元。

4.2 總成本費用估算

每年發電成本約6660萬元，主要包括折舊費、修理費、職工工資及福利費、勞保統籌費、住房基金、材料費、保險費、利息支出、攤銷費、電網租賃費及其它費用。

每年發電經營成本約4550萬元，其中不包括折舊費、攤銷費和利息支出的全部費用。過網費參照國家能源局《關于開展分布式發電市場化交易試點的通知》（發改能源【2017】1901號）的規定估算。

4.3 發電收入

暫不計電網輔助服務盈利。測算的發電收入主要為利用電網峰谷電價差，協助削峰填谷所得。系統每天運行一個周期，谷電儲能、尖峰時段及高峰時段釋能，年發電收入6300萬元。

4.4 盈利能力分析

本項目每年收益約1730萬元，靜態投資回收期為15.44年，總投資利潤率為6.48%，財務內部收益率為4.96%。

5.目前制約項目建設存在的困難

由于山東省谷電價格較高，使得儲能項目成本高，制約了項目給企業提供更低的用電電價，導致為企業節約的用電費用有限（每年節約電費僅約200萬元），以及項目投資收益指標不理想，需要向國家電網公司爭取一些政策支持。如能夠爭取到更優惠的低谷電價或電網容量電價，或購買周邊棄風電量進行儲存，將顯著提升項目收益率。