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高山储能


压缩空气形成巨能电池


作者:Luigi Jorio, Biasca


即便用电需求处于低谷期,风力电站也在持续发电。 (Keystone)

即便用电需求处于低谷期,风力电站也在持续发电。

(Keystone)

在瑞士阿尔卑斯山区开凿的一条隧道里,利用压缩空气蓄能的一项创新储能系统正在紧锣密鼓的调试当中,这一项目在世界上独一无二,可能会对可再生能源的突飞猛进起到推波助澜的作用,从而重新奠定瑞士欧洲电池的重要地位。

将太阳能与风能发电站产生的盈余能源进行存储:这是能源领域向可再生能源转型的重大转折过程中面临的主要难题之一。实际上,受到天气形势影响,利用太阳能与风能发电波动起伏、极不稳定,在这种情况下,在用电需求低谷期就会产生过剩电力。问题是,该如何对过剩电能进行有效利用呢?

毕业于苏黎世联邦理工学院(ETH)的年轻工程师Giw Zanganeh给出的答案是:建立压缩空气蓄能电站,更准确地说,利用高山开凿的隧道以及采空区来存储空气。

其原理十分简单,瑞士Alacaes(英)公司的这位负责人解释说,该项目得到了瑞士联邦能源办公室(Office fédéral de l’énergie)的支持,“利用盈余能源推动压缩机运行,将空气打压存入山洞或者隧道,在供电需求高峰时,再将压缩空气逆向输出,承受高压的空气在涡轮机中循环后就能转化为电能。”

山洞里的水下环境

Alacaes公司试点项目的投资需要400万瑞郎,地点选在提挈诺州(Ticino)北部比亚斯卡镇(Biasca)的一条废弃的隧道(多语)。几年前,这条隧道曾为最近落成揭幕(意)的圣哥达(San Gottardo)铁路隧道运送挖掘出来的石料所用。

“这条隧道一直都维持着原貌,”Giw Zanganeh带领我们参观隧道内部的同时,向我们介绍着。坐在他的车里,我们在伸手不见五指的黑暗中前行了大约700米,然后停在了两个庞大的设备前面,空气就是通过这两台压缩机被打压进入隧道的。“我们采用的是特殊的压缩机,可以称得上新型技术。”伊朗裔的这位工程师强调指出。继续前行,我们来到了覆有钢面入口的储气间。

压缩空气存储间由厚达5米的混凝土打造,嵌有钢质门。 (swissinfo.ch)

压缩空气存储间由厚达5米的混凝土打造,嵌有钢质门。

(swissinfo.ch)

在约100米长的这一区域,空气被压缩至33巴,我们可以将其理解为相当于水压300米的深度。在这一极端条件下工作是最大难度之一。据Giw Zanganeh介绍,为了监控这一设备,他们还安装了专门用于海底作业的特殊摄像仪。

这几个月试验期的目的是研究岩石在增压下的反应,测试其防水性能以及是否存有震感。这位工程师强调说,与地热发电站相反, 事实上,压缩空气蓄能发电站引发地震的可能性微乎其微,因为岩石没有进行穿孔。

岩石中的热能

压缩空气储能发电站(CAES技术,压缩空气蓄能)并非一项新生事物,早在1978年,德国就已率先筹建了第一座压缩空气储能电站,随后,在90年代初期,美国也开始采用该项技术。但是,这两座发电站都是将压缩空气存储在盐矿里,相比之下,瑞士比亚斯卡镇的这一试点项目收益更大,Giw Zanganeh肯定地表示:“其原因在于热能回收。”

当空气受到压缩时,气温就会升高,这是物理现象。空气的温度可以达到550度,而这么高的温度注入地下层没有风险是不可能的,因此在德国和美国,这一热能被释放掉了。Giw Zanganeh表示,在这一点上,恰恰体现了Alacaes公司项目的创新之一,他们没有采用德国和美国的作法,相反,却构思了保留这一能量的储能体系,在空气转化为电能期间对其进行有效利用。

由于对热能进行了最大限度的利用,比亚斯卡镇蓄热项目的收益率可高达72%,而现存压缩空气储能发电站只能达到45-50%,Giw Zanganeh强调说:“我们接近水力发电站泵用涡轮机的发电能力,然而,压缩空气蓄电发电站的成本更低,从环保角度上看也更为可取。因为水力发电站需要筑坝或者利用湖泊来囤积水源,而我们则只需就地取材。”

前途光明,但是有待完善

“除了对环境影响较小,压缩空气储能还具有存储周期长、容量大的特点,在未来,这一方面的需求将会越来越大。”瑞士意大利区高等专业学院(SUPSI)CIM研究所从事可持续性创新技术研究的教授 Maurizio Barbato(意)肯定地表示。

10%的电力存储在湖泊中

与欧洲相比,瑞士的储电能力更胜一筹,Sophie Haussener指出,瑞士10%的电力可以通过抽水机-涡轮机体系(即把能源存储在湖泊里)进行蓄能,而整个欧洲的湖泊储能量仅为5%。这位研究人员强调说,瑞士联邦政府的2050年能源策略(多语)提出了将蓄电能力提高2到3倍的目标。

然而,这是一项新科技,更准确地说,该项储热技术仍不成熟,Maurizio Barbato明确指出。 他正密切关注国家研究基金项目(PNR70)(法)框架下比亚斯卡镇的试点项目,他解释说,利用岩石蓄能不能保证空气在回流时保持恒温,而温度稳定又是涡轮机正常运行一个必不可少的前提条件。与苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院(EPFL)一道,目前他正在研究如何完善这一系统,比如说,采用金属合金材料制成储气罐。

Alacaes公司的技术极具吸引力,洛桑联邦理工学院可再生能源工程与科学实验室研究人员Sophia Haussener(英、法)对此表示赞同,“其局限性可能在于其能源密度相对较低:与可充电电池的蓄能量相比,压缩空气储能的蓄能容量可能低5至10倍。”

一个正立方体储气罐解决卢加诺供电

在欧洲,尤其是在北欧,利用风能发电已愈发普遍,通过压缩空气进行蓄能可能会极具潜力。Maurizio Barbato评论说,如果这一“巨型电池”临近风力发电站,其效果将会十分理想。“但是,对于平原地区的风能电站来说,比如说在德国北部,情况则十分复杂,压缩空气蓄能发电站需要建在数百米深的地下或者是在地表密封性能好、造价不菲的地点。”对于像瑞士这样的山国来说,大型山洞和隧道比比皆是,她接着补充道,因此会发挥重要作用。

Giw Zanganeh认为,阿尔卑斯山区开凿的隧道以及古老的军事防空洞(意)派不上太大用场。一般来说,这些防空洞都规模过小,狭长的隧道模式对于减少能源流失也并不理想,体积都小的正六面体或者球体则收效更佳。这位工程师计算了一下,“每面面积达48米的正六面体可以存储500兆瓦/时的电量,这恰恰是卢加诺市(约7万居民)半天的用电量。”

他强调,如果Alacaes公司的试点项目取得可喜成果的话,瑞士就可以重新奠定其欧洲电池(意)的重要地位,从而有助于稳定欧洲电网,在欧洲风能和太阳能能源波动起伏期做好后备补给。

为了减少能源消耗,作为公民,我们又该怎么做呢?大家一起探讨一下各自的心得,请将您的做法反馈给我们。


(翻译:薛伟忠), 瑞士资讯swissinfo.ch

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