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電力儲存讓電網更清潔高效

[日期:2012-04-22]   來源:Econom ist  作者:   [字體: ]

要讓電力系統更清潔高效,必須解決風能、太陽能等可再生能源的供給不穩定問題,這就需要更先進的電力儲存技術。

丹麥人構想的綠色能源島,計劃在島上安裝風力渦輪發電機,在島中央挖掘一個水庫。

加州G ravityPow er公司的抽水蓄能系統包括兩口大小不一的垂直豎井。

去年,得克薩斯州遭遇有史以來最熱的夏天。大量空調被啟動,用電量暴增。得州電網經營商ER C O T (得州電力可靠性委員會)差點被迫實施輪流停電。為了滿足突然增加的需求,ERCO T被迫買下在現貨市場上能夠找到的所有電力,有時候價格高達正常電價的30倍。

理論上,E R C O T應該擁有大量電力。2010年,它總發電能力達到84400兆瓦,遠遠超過去年夏季用電高峰期所需的68294兆瓦。理論上,公司每年可以生產電力約7400億千瓦時———遠遠超過2010年E R C O T的顧客所需要的3190億千瓦時。然而,對于電力生產而言,“總計”和“平均”之類的詞沒有太大意義。問題在于,在E R C O T的總發電量中風能占據了9500兆瓦,而風又極不穩定。在夜晚電力需求較少的時候,風力往往最強。此外,為了保證可靠供應,政府要求電力公司產量比預計總需求量高出一個安全差額———ER C O T的差額為13.75%.

如果E R C O T和其他電力公司能夠更方便地存儲多余能量,比如將夜晚風力渦輪機生產的多余電力存儲起來,這樣就能補給用電高峰時的缺口。這樣做將能解決風能、太陽能的間歇性問題,讓它們更有吸引力,更容易融入電網。通過啟用儲存的電力,而不是開動備用發動機,電力公司可避免在昂貴的現貨市場購買電力,節省成本。

談到電力儲存,很多人可能會想到巨大的電池。雖然電池可短時間提供電力,可在不同能源開啟關閉的時候避免波動,但它們無法提供“電網規模”的電力,無法滿足幾千兆瓦時的需要。因此必須依靠其他的電力儲存技術———隨著供給不穩定的可再生能源的廣泛應用,需求更加緊迫,刺激大量新創意出現。

目前最廣泛應用的規;茉磧Υ嫘问绞浅樗钅茈娬,它用水和重力的簡單組合,將用電低谷時的電力儲存,在高峰釋放。抽水蓄能設施通常利用天然地形,圍繞位于不同海拔高度的兩個水庫建造。用電低谷時的多余電力被用于將水從海拔較低的水庫抽到較高海拔水庫,將電力轉化成重力位能。當需要電力時,又讓水流回較低海拔水庫,推動渦輪機發電。據美國電力研究所統計,全球規;娏Υ婺芰s為127000兆瓦,其中抽水蓄能電站占99%.

然而,傳統的抽水蓄能電站卻很難推廣。適合建造類似系統的地方非常少,而且相距遙遠。為了解決這個問題,多家公司設計了新型的抽水蓄能電站。

一個頗有野心的計劃是丹麥建筑公司G ottliebPaludan和丹麥理工大學共同設計的綠色能源島。他們設想建造一座人工島,島上安裝風力渦輪機,島中央挖一個深深的水庫。當風力強勁時,多余電力用于將水庫中的水抽入海中。當需要電力時,再讓海水流回水庫,推動發電機。

加利福尼亞一家新公司G ravityPow er設計了一套系統,主要依靠兩口垂直豎井,一口的直徑比另一口寬,兩端相連。將水抽入小豎井,導致大豎井中的活塞上升。在電力需求高峰,讓活塞沉到大豎井底部,迫使水流過一臺渦輪發電機。這一系統相對小巧,可以安裝在用電量較大的地區,公司老板湯姆·馬森說,當需求增加時,還可以再增加一套系統。

另一家試圖利用重力位能的公司是加州圣塔莫妮卡的A R ES(高級軌道能源儲存)。它設計的系統利用改裝后的軌道車。需求低谷時的多余電力被用于將車拉到山頂。當需要電力時,再將車釋放,當車沿著軌道往下沖時,它們的運動驅動一臺發電機。像抽水蓄能電站一樣,A R ES系統也需要特殊的地形。但公司老板威廉·佩茨克說,在海拔差異相同的情況下,A R ES能夠生產更多電力。他說,這一系統更高效,往返效率———能源輸出和輸入之比———超過85%,而抽水蓄能電站只有70%-75%.公司正在加州建造一個示范系統,計劃于2013年開始運行。

僅次于抽水蓄能電站的第二種規;娏Υ嫘问绞菈嚎s空氣蓄能(C A E S)。方法是將空氣壓縮,儲存進巨大的倉庫,比如地下鹽穴。在用電高峰期,空氣被釋放,用于推動渦輪機。目前全世界只有兩座投入使用的商業壓縮空氣蓄能工廠:一座位于德國漢特福,另一座位于美國亞拉巴馬州麥金托什。壓縮空氣蓄能的最大缺點是效率低。據德國R WE電力公司說,漢特福蓄能工廠的往返效率只有42%,亞拉巴馬蓄能廠的效率稍高一點。問題在于,空氣壓縮時溫度升高,膨脹時溫度下降。在現有的系統中,壓縮時,能量作為熱量散失,在膨脹前必須再次加熱。用于加熱的能源通常來自天然氣,這個過程導致效率降低,溫室氣體增加。

正如抽水蓄能一樣,人們也在研究讓壓縮空氣蓄能變得更加高效的方法。R WE正在和通用電氣公司合作,研究一套新的系統,它可以將壓縮過程中生產的熱能儲存起來,在膨脹的時候釋放,無需外來熱能。這個概念理論上已經得到驗證,現在需要克服一些技術上的難題,比如設計可以將空氣壓縮到大氣壓力70倍的泵,還有可以經受600°C以上高溫的儲存熱能的陶瓷材料。接下來的目標是2013年前在德國斯特拉斯福特建造一座90兆瓦的示范工廠。

多家小公司也在開發高效壓縮空氣蓄能系統。達特茅斯大學工程學院旗下的SustainX公司在美國能源部支持下,發明了“等溫壓縮空氣蓄能”系統,在壓縮空氣時注入水蒸汽,水吸收熱能,然后被儲存起來,在空氣膨脹時使用。SustainX不用鹽穴,而用標準鋼管儲存壓縮空氣,因此可以安裝在任何需要的地方。該公司已經建造了一座40千瓦的示范工廠,正與A ES電力公司合作,建造一套1-2兆瓦的系統。另一家得到美國能源部資助的公司,麻薩諸塞州的G eneral Com pression也設計了一套主要針對風電場的“等溫壓縮空氣蓄能”系統,正與康菲石油公司合作,在得克薩斯州建造一座2兆瓦的示范工廠。

另一種能源儲存方式主要依靠熱能。英國劍橋的Isentropic公司發明了一套P H E S(泵熱蓄電)系統,使用氬氣在兩個裝滿沙礫的巨大密封罐中傳遞熱能。輸入的熱能推動熱泵,壓縮加熱氬氣,造成兩個密封罐中的溫差,一個溫度達到500°C,另一個為-160°C.在電力需求高峰時,熱泵反過來充當熱引擎,氬氣膨脹冷卻,產生電力。Isentropic稱它的系統的往返效率在72%至80%之間。(來源:南方都市報 南都網)

加州奧克蘭的B rightSourceE n-ergy已經和南加州愛迪生電力公司簽署合作協議,將建造一套用熔鹽儲存能源的系統。B rightSource的電力來自聚光太陽能發電———電腦控制的鏡面(日光反射裝置)將陽光熱能聚集起來,用于燒水,推動蒸汽渦輪機。但這一發電方式只適合于陽光燦爛時。SolarPL U S蓄能系統采用熱交換器將日光反射裝置捕捉到的部分熱能用于融化鹽。在需要的時候,熱能再反過來通過熱交換器推動蒸汽渦輪機。這樣一來,太陽能電站即使在沒有太陽的夜晚也能供應電力。BrightSource計劃給它的3座聚光太陽能電站配備SolarPLU S.

潛在市場是巨大的:據市場研究公司Pike Research分析,2011年至2021年,全球將在蓄能項目上投入1220億美元。其中大部分資金將流向新型壓縮空氣蓄能技術。具有綠色思維的政府和監管機構對這一技術表現出更多興趣。加州通過立法,要求能源公司將蓄能納入規劃。去年,德國環境部提出了評估蓄能技術發展和資金需求的方案。英國政府的“低碳網絡”基金正用于建造多個蓄能示范項目。

然而,大規模蓄能系統的部署將需要監管和技術的進步。監管框架對電力供應商和電網運營商實施區別政策,而蓄能技術可以為電力公司所用,也可以為電網所用,并不適應現有監管框架。它們將電力剝離電網儲存起來,以解不時之需,這給現有的關稅、計費和計量方式提出了難題。目前還不知道電力公司是否允許將蓄能設施的成本轉嫁給消費者。但是,考慮到這一技術可讓電網變得更清潔、可靠,如此看來規則的改變已是必然。
 



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