集成储能系统

可再生能源:随着越来越多地使用可再生能源发电，不间断的电力供应变得越来越重要。能源储存尤其有利于风能和太阳能，这两种能源分别受到动态天气变化和昼夜中断的影响而受到间歇性供应的影响。新的和现有的存储方法提供了潜在的解决方案。

作者:Frank J. Bartos, PE 2012年10月27日

通过抽水蓄能和压缩空气蓄能(CAES)系统，大规模储能已被应用于平衡区域电力需求。这些方法利用传统能源来实现存储，并利用当地的地理或地质特征。

固有的可变性严重限制了风能和太阳能的广泛市场渗透。能量储存变得至关重要。法规还可能要求备用发电设备处于待命状态，例如，在某个时间或区域风力不足的情况下。如此昂贵的规定有损于能源效率。

从前瞻性的角度来看，大型储能系统可以平衡电网上的供应波动。更新的地上CAES和扩大抽水蓄能是可能的解决方案之一。蓄热可能是集中式太阳能发电厂的解决方案。电池存储也在向前发展。正在进行各种技术部门的示范项目。

储能系统(ES)将使太阳能发电厂在日落后仍能运行;或者允许风力发电场更频繁地满负荷运行，而不必担心定期弃风以避免过度发电。所有提议的大规模ES系统都是昂贵的，并且在获得公众/政治支持方面面临挑战。有些方法需要进一步的应用经验或开发，但获胜者将及时出现。未来图景的一部分是一个可行的电网和输电系统，将电力分配到需要的地方。

风，水，重力

简单来说，泵送水电存储(小灵通)包含两个不同海拔高度的大型水库。可逆水轮机在非用电高峰时将水泵入顶水库;然后，在高需求期间，释放到底部水库的水流经涡轮机，通过连接的发电机产生电力。根据国家可再生能源实验室的数据，PHS系统的效率可以超过75%。

小灵通是与发电相关的最广泛使用的存储方法。世界上有许多发电厂，但很少有直接整合风能或太阳能储存的。预计这种情况在未来会发生变化。风能(或太阳能)可以将水直接泵到顶部水库，以增加储存容量或减少正常的涡轮机功耗，这取决于多余的可再生能源何时可用。考虑到拓扑结构的要求和所涉及的成本，很少有新的PHS工厂正在建设。不过，现有设施正在扩大或升级。

全球最大的电力和天然气公司之一意昂集团(E.ON AG)打算大幅提高其位于德国中部埃德尔湖(Lake Eder)的Waldeck抽水蓄能水电站的产能。一个新的300兆瓦(MW)电厂将建在现有的Waldeck 2设施旁边。意昂集团发言人亚历山大·伊尔(Alexander Ihl)表示，开工等待“最终投资决定”，但所有所需的外部许可都已到手。预计建设将耗时四年。

该公司提到，计划与一家奥地利合作伙伴在巴伐利亚州东南部建造另一座抽水蓄能电站。300兆瓦的设施(名为Riedl项目)的项目规划正在进行中，尽管预计在2014年之前不会开工。

“一般来说，抽水蓄能发电厂可以用来储存多余的风能，这适用于瓦尔德克;Riedl还将储存可再生能源，”伊尔说。(E.ON的另一项ES技术倡议参见参考文献1。)

大型PHS设施的一个典型例子是位于密歇根州卢丁顿南部的卢丁顿抽水蓄能电站(LPSP)。该电站可以从一个水库产生高达1872兆瓦的电力，水库长2.5英里，宽1英里，深110英尺(4公里x 1.6公里x 34米)，位于密歇根湖东岸上方363英尺。

消费者能源运营商政府和公共事务区域经理丹尼斯·麦基(Dennis McKee)指出，六台额定功率为312兆瓦的可逆涡轮机在低电力需求时反向运行，通常每天晚上都能填满上部水库。丹尼斯·麦基是卢丁顿抽水蓄能电站51%的所有者。底特律爱迪生公司是49%的联合股东。在用电高峰期，水被释放出来，驱动涡轮机向相反的方向发电。

卢丁顿每天的发电和抽水需求各不相同。根据客户需求和非高峰电价，可以使用一个机组或全部六个机组。

“我们可以在大约三分钟内使一个312兆瓦的机组上线;麦基说:“我们同时完成所有六项运动的记录是11分钟。”虽然不直接连接风能输入，但LPSP可以使用电网上可用的任何能源作为其抽水模式。风能在未来可能会被储存起来，这取决于可用的多余能源的数量。麦基指出，今天，“该电厂在平衡地区能源供需方面发挥着更大的有益作用，它具有无与伦比的快速提供大量电力的能力。”

压缩空气蓄能

压缩空气储能它是基于每天使用非高峰电力将空气压缩到洞穴，废弃矿井或其他大型地下空间。为了产生高峰需求的电力，压缩空气与天然气混合，并在改装的燃气涡轮发电机组中燃烧。目前已知只有两座CAES电站处于商业运行状态，分别位于德国的Huntorf(290兆瓦，建于1978年)和阿拉巴马州的McIntosh。(110兆瓦，1991年建成)。任何连接到电网的能源都可以用来“充电”空气进入存储室，包括风能。

CAES操作面临着一个有趣的权衡。由于高压空气输入(1,100 psig;76.9巴)，产生与传统燃气轮机相同的电力输出所需的天然气要少得多。然而，在热循环的膨胀部分之前，基本的CAES过程需要额外的气体进行再加热，以弥补空气压缩过程中损失的热量。现有工厂的系统效率在42%到50%之间。

各种工艺改进和研发(R&D)正在进行中，以提高CAES工厂的效率，例如储存压缩热量并在膨胀之前重新使用它来加热压缩空气，从而避免使用额外的天然气。新的CAES工厂正在规划和获得许可证。开发还侧重于地面CAES，以降低成本和简化安装。

在工业界和政府的支持下，规模较小的美国公司正在推进CAES技术。其中一家名为SustainX的公司开发了一种“等温”CAES技术(ICAES)，并为其注册了商标，该技术旨在在压缩和膨胀过程中保持储存空气的温度接近环境温度。这将最大限度地减少能量损失，但需要高效的热交换吞吐量的过程。据SustainX公司称，等温膨胀在不燃烧天然气的情况下产生电力。围绕大型储罐、工艺管道和标准机械系统设计的模块化地面ICAES工厂可以简化可再生能源的整合。

ICAES的发展是从小型示范工厂开始的。目前，SustainX正在建设一个输出功率高达2兆瓦的系统，预计将于2013年上半年投入使用。(参见参考文献2的更多内容。)

热能储存

两种所谓的“聚光太阳能”技术抛物槽和发电塔——尤其可以从能量储存中获益，因为它们利用最后的热力学循环产生蒸汽来驱动传统的涡轮发电机。然而，他们采用不同的方法来集中和收集太阳能。

抛物面槽利用平行排列的抛物面反射器将太阳光聚焦到位于每个槽焦点线上的吸收管上，在通过这种吸收管的回路泵送的流体(通常是油)中产生热量。热交换器将热能传递到动力块，在那里热能变成蒸汽。

太阳能发电塔(SPT)部署了一大批电脑控制的镜子(定日镜)，将太阳光集中在一个太阳能电池板上太阳能接收蒸汽发生器建在高塔结构之上。从外部加热，接收器是一个先进设计的锅炉，有热力学管道和控制，热能把水变成过热的蒸汽。

能量储存包括利用一些在阳光下产生的能量来进一步加热流向储存器(或储罐)的储存流体。各种储层介质已经进行了尝试和演示，包括熔融盐，这是一种行业专家认为现成、安全且经济可行的材料，可用于商业用途。熔盐的热量随后被用来将水转化为蒸汽，蒸汽通过管道输送到涡轮发电机，用于太阳能发电。充分利用储能可以使太阳能发电可调度。

抛物线槽式和SPT式电站在世界范围内运行，但前者具有更多的运行经验。目前只有少数太阳能发电厂包括热存储，但热发电塔提供了更高的存储效率。由于操作温度较高(1050华氏度;566°C)与那些抛物线槽(约750°F)。

BrightSource能源公司——活跃在这一领域的公司之一——已经开发出一种熔盐ES系统，商标为SolarPlus，可用于未来的太阳能发电厂。

BrightSource负责工程和研发的执行副总裁Israel Kroizer表示:“熔盐储存技术在太阳能热产业中是一项众所周知的技术。“我们的主要优势在于我们的太阳能热技术能够达到更高的温度和压力水平，这使得我们的工厂在有或没有存储容量的情况下都能更有效地运行。”参见参考文献3进一步的热存储发展。

与此同时，据NRG能源公司(开发商)和BrightSource能源公司(火电塔技术供应商)称，截至2012年8月初，位于加州莫哈韦沙漠的世界上最大的SPT工厂已经完成了一半的建设。谷歌是该项目的投资者之一。据报道，三个机组370兆瓦(净)Ivanpah太阳能发电系统(SEGS)正在按计划完工，1号机组将于2013年年中开始向太平洋天然气和电力公司供电。然而，能源储存不是伊凡帕工厂的一部分。

电池储能是一个由处于不同发展阶段的多种技术组成的ES领域。示范项目和商业装置正从中等规模向50兆瓦大关迈进。电池存储面临许多问题，如功率密度、材料密集型制造、物理尺寸等等。其中一些代表了正在进行的工作。未来的技术突破也是可以预期的。许多公司在这一领域都很活跃，其中包括AES Corp.和Xtreme Power。值得注意的进展在参考文献4中有讨论。

市场的局限性

在全球范围内，对储能技术的投资正在增长。根据全球清洁技术市场分析咨询公司Pike Research的数据，储能容量预计将在未来十年加速增长，在2011-2021年期间，储能项目将超过1220亿美元。抽水蓄能和“先进液流电池”被视为对总收入贡献最大的技术，其次是其他类型的电池和CAES。Pike Research认为，前两大ES应用领域分别是风力发电集成和负荷均衡/调峰，分别占总市场的50%和31%。

2012年2月，根据铜开发协会的一份报告，电力存储协会(ESA)也指出了ES市场的类似强劲增长预测。报告指出，在未来五年内，根据财政激励措施，可开发2-4千兆瓦的储能系统，同时随着ES技术示范项目达到商业化，成本也会降低。

欧空局执行主任布拉德·罗伯茨说:“未来五年将是关键的五年，为将存储技术完全商业化提供了巨大的机会。”

Pike Research指出了目前限制ES增长的几个因素，包括:

电力市场结构不灵活
高资本成本
资产所有者和受益于此类项目的各方之间的脱节
电网固有的不稳定，而且由于新能源和可再生能源的整合而加剧。

然而，该公司补充说，储能技术的好处“将在未来几年内开始克服这些障碍”。

不断增长的可再生能源的使用面临着来自技术、当前经济因素和社会接受度的挑战。更广泛的储能系统将使风能和太阳能受益于更好的电力市场定价，并在我们的能源组合中占据适当的发电份额。

-Frank J. Bartos, PE，是一名控制工程贡献内容专家。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net。CFE Media内容经理Mark T. Hoske编辑，控制工程、设备工程、和Consulting-Specifying工程师,mhoske@cfemedia.com。

关键概念

-集成能源存储系统帮助太阳能和风能在需要时提供电力，而不是在发电时

-储存形式包括抽水蓄能，压缩空气，电池和热系统

-需要对电网和输电系统进行可行的控制，以便将电力分配到需要的地方

考虑一下这个

按需供电:太阳能和风能可再生能源通常需要基础设施。存储和控制系统帮助电力在需要的时间和地点以正确的方向“流动”。

上网

www.aesenergystorage.com

www.brightsourceenergy.com

www.cmsenergy.com

www.electricitystorage.org

www.eon.com