一种电站用大容量重力储能装置

超大容量重力储能电站装置-国家骨干电网级别储能应用的根本解决之道作者：曹信江电能具有可以大规模生产、容易转换为其他形式能量、便于远距离输送、集中管理、自动测量和控制等优点，在人类生活和社会生产活动中应用广泛。但是电力的应用有一个很大的缺憾，即在目前技术条件下还不能以电能形式大量储存，电网中的发电量和用电负荷必须平衡。而电力的需求极不平衡，春、夏、秋、冬，昼夜之间，工作日与节假日电力需求相差很大。电力系统中的负荷随时间而变化，电力负荷由国民经济和社会各行业用电负荷构成，如第一、二、三产业，其中有重工业、轻工业、交通运输业、商业、农业及生活用电负荷。各种用电负荷在一日内都有其各自的变化规律，如连续生产的重工业和轻工业，在24（16）h负荷大体均衡，商业、生活用电则出现晚高峰和后夜低谷负荷。在一年内各类用电负荷又随季节而变化，如制冷制热空调、电热、照明等。火力发电和核能发电具有能量密度高、运行稳定、启闭不便的特点，火电具有一定幅度的功率调节能力，但在低功率下运行效率会大幅下降，启闭也会造成很大浪费，核电则调节能力非常有限，需带基荷运行。而用电负荷存在每日间的高峰低谷和以年度季节等为周期的高峰低谷现象，两者不完全匹配，必然形成供电不足或供电能力过剩的情况。风电、光伏等发电具有随机性、不连续、不稳定、能量密度低的特点，太阳能、风能资源丰富区常常远离人口、工业密集区，发电与用电之间普遍存在时间空间上的不匹配，空间上的距离可以靠高压输变电设备解决，而时间方面的不匹配则需要大型的储能设施将发电用电之间的不平衡进行弥补。如何大容量、低成本、高效率、高可靠度地将临时过剩电力进行储存一直是一个难题，储能技术的落后将大大制约风电、光伏发电等清洁能源的广泛应用，也会造成火电、核电等传统发电系统的效率下降，不利于节能减排（污染物）。人类已经开发出各种电能存储方法，如抽水蓄能电站、化学电池、超大规模电容、压缩空气、电解水、超导电磁或飞轮蓄能等等。抽水蓄能电站是大容量蓄能方式，能量循环效率75%，即普通说的“4度换3度”，建设抽水蓄能电站需要苛刻的地理条件，需要大量的水和较好的建坝建库条件，受自然条件限制较多，初始投资巨大，有一定应用前景，但有可能破坏环境、迁移人口、淹没农田和文物古迹、影响原生态系统，影响面广，有些是负面的。化学电池能量密度低，成本高，技术要求高，寿命有限、需交直变换、循环效率偏低，需要一些在地球上储量有限的特殊元素，在便携式电子设备中应用广泛，将来在汽车等交通工具上也有很好的发展前景，但难以满足国家骨干电网所需的超大容量储能需求。超大规模电容具有超大功率充放电、循环效率高的优势，但能量密度低，需交直变换，可以配合电池应用在汽车上，但难以满足工业民用储能需求。更大容量的超级电容目前尚不成熟，但发展前景广阔。压缩空气、电解水、超导电磁或飞轮动能等均因各自特点可以应用于特殊领域，但难以实现国家骨干电网级别的超大规模的工业民用储能需求。本人现设计一种不同于以上所述的新型的储能装置，原理很简单，但在国际国内尚无人正式提出也无工程实践的储能方式，即把电网或电站中用电低谷时暂时过剩的电力通过电机提升配重物至一定高度，把能量以重力势能的方式储存起来，待用电高峰时再将势能释放，推动电机发电再将电力送上电网。原理如简图图一所示。 如图一，建造立柱，建造配重箱，内填配重填料，填料可以是土、砂、石等地材，条件合适时也可以用水等液体，作为储能的介质(载体)，在用电低谷时，将暂时过剩的电力通过电机及滑轮组、齿轮组、导轨导链等（及其组合）将配重箱提升至一定高度，提升的高度取决于人工建造的支柱高度，一般高度可达100米至200米，甚至更高。在用电高峰时，将配重箱下放，推动电机发电送上电网，即实现了储能供电循环。电机一般为双向电机，即既是电动机，也是发电机，特殊情况下也可分开。电机可灵活采用串并级联等方式，实现系统优化。在条件具备时可以依托山体等、利用垂直或斜角提升更大高度，实现更少的占地、投资或更大的能量密度。这是一种纯物理的储能方式，将暂时过剩的电力通过电机将重物提升至一定高度，将能量以重力势能的方式储存，但储能介质（载体）一般不用液态的水（条件适合时也可以用水，但不会消耗掉），也不需要如抽水蓄能电站那样的特殊的建坝建库条件。本储能方式具有如下优势：一、原理简单，仅用到初中物理知识。二、可以实现超大容量储能，能量密度高、占地少、容量可控，储电供电运行灵活、启闭方便、不需交直变换、供电质量高，也可以起到调频调相调压等作用。运营管理简单，检修方便。目前国家骨干电网级别的储能只有抽水蓄能方式，但建设条件苛刻，应用受限，而化学电池、超大规模电容、压缩空气、电解水、超导电磁或转动动能等方式均难以实现超大容量储能。一般土、砂、石密度是水的22.5倍，仅此即可比抽水蓄能电站少用一半方量储能介质，另配重箱高度、提升高度均可人为设计，能量密度高。条件具备时可利用地形地物等实现更高能量密度。三、能量循环效率超高。整个过程仅有电动机用电提升重物、重物下降推动发电机发电两个动作，电机技术成熟，可以是双向的，即既是电动机，又是发电机，也可以电动机、发电机分开，有交、直可选，视情况而定。电机是目前所有动力机械中效率最高的，远远高于蒸汽机、内燃机、水轮机、汽轮机、风轮机等，电机单向效率可以做到98%99%，加上极少的滑轮齿轮等机械摩擦和空气阻力引起的能量损失，几乎不再存在其他能量损耗，综合能量循环效率有望达到90%95%，甚至可至96%以上，即可以几乎无损失地将过剩电力“束之高阁”存储起来，需要时释放弥补用电高峰时供电能力的不足。而抽水蓄能电站能量循环效率仅75%，电解水45%，化学电池75%，压缩空气50%，飞轮90%，超导电磁95%，等等，其他方式循环效率也难达到本方式的效率水平。四、技术成熟，稳定可靠，安全，寿命长。以土木工程、机电工程成熟技术为依托，工程实施无任何技术难度，土木工程设计寿命可达100年以上，电机维护费用超低，寿命可达30年以上。相对于抽水蓄能电站，不存在溃坝之类可能造成严重损失的可能性，风险可控。五、相对于抽水蓄能电站，本装置不需水（当然以水作为配重物也是可以的，但不会消耗掉），不需建坝建库等特殊地理条件，不淹没耕地、不迁移人口、不破坏环境和生物种群、不破坏文物古迹，选址灵活。据了解，2004年底全国已建成投产的抽水蓄能电站10座，装机容量达到570.1万kW（其中60万kW供香港）。至09年全国已建成抽水蓄能电站20座，装机容量约1200万千瓦，在建电站11座，总规模约1308万千瓦。可见因其局限性应用并不广泛。六、完全无污染。运营过程几乎不耗费一滴水、不排放一克CO2或废气、废水、废渣、有毒、放射、烟尘等任何污染物。七、投资省，运营成本低，经济效益显著，社会效益巨大。工程投资主要是桩基承台支柱支架的土木工程、电机、控制系统等，配重材料可以就地取材，使用廉价的土、沙、石即可长期使用，投资很省，回收期短。据估算，每度电建设费用9001000元，因工程寿命长，储一度电建设费用的年均摊销费约为20元，平均每天仅0.054元，是铅酸电池的1/29，锂离子电池的1/69，钠硫电池的1/17，成本优势非常明显。当然，因其并不生产电能，故项目本身的盈利必须依赖于峰谷电价差，以及国家产业政策的支持。作为火、核、风、光伏电站的配套储能电站的，其价值体现在可使主发电站效率提高、减少浪费（例如风电场弃风现象可避免）、上网电价提高、系统更加稳定可靠。当然还需要进行详细的工程可行性研究，特别是项目经济指标方面。另外，对于节能减排、环境保护均有不可估量的巨大作用。八、适用面广。1、适合作为火电、核电等各类电站的配套储能设施。火电、核电运行平稳，启闭不便，调节性能较差，需带基荷运行，储能电站刚好可以弥补其不足；2、可以依托公共电网灵活选址；3、不需水的特点尤其特别适合于在沙漠、戈壁、荒原、盐碱滩等人烟稀少地域配合风电、光伏发电建立储能电站。4、也可以配合其他如潮汐、洋流、波浪（利用潮汐能、洋流能、波浪能发电应全面禁止，会消耗地球、月球轨道能量，改变地球、月亮运行轨迹）、生物质能等发电建设储能电站。5、可以独立应用于一些小型特殊场合，如分布式的、或离网独立孤立的、或小区域电网，等等，例如建筑光伏发电、偏远地区的灯塔、信号发射站、管道阴极保护、水文气象测量站等。6、任何形式的能量，只要可以转换成电力，即可用此方式存储起来，不过期，不变质，不缩水，不走样，甚至可能比储粮储油储气还方便。7、可成为构建智能电网的关键环节。8、既可储能，也可用来调频调相调压、事故备用等。9、在人口、工业密集区附近建设储能电站，可大大提高电网稳定性和可靠性。10、理论上可满足全世界的非移动储能需求,不受地理条件和自然资源约束，可一劳永逸地解决全世界风、光等不稳定清洁能源大比例上网的储能难题，即使化石能源全部退役也没有问题，配合电动汽车等，可摆脱对外石油依赖，实现能源独立。九、本储能方式是火电、核电的最佳伴侣，是风电、光伏发电的“黄金搭档”，是国家骨干电网级别储能应用的根本解决之道，是储能技术根本性突破，是智能电网建设的关键环节，也可以应用于一些特殊场合，必将在未来能源利用中发挥关键性作用，原理简洁，技术成熟，性能卓越，意义重大，具有广阔的应用前景，应在全国和全世界推广应用，必将产生深远影响。下面以四个例子简述其应用前景。例一：1度=1千瓦时=1000*3600=3.6E6焦=3.673吨*9.8*100米，即一度相当于把3.673吨重物提升100米高度的势能，则四万度相当于把3.673万吨重物提升400米高度的势能。普通土、砂、石填料密度一般为22.5吨/方，此处暂取值2吨/方，则3.673万吨/2=1.837万方=26.4米*26.4米*26.4米=918平方米*20米=1.378亩*20米，即四万度相当于把3.673万吨重物提升400米，体积为1.837万方，相当于长宽高均为26.4米的立方块，如果高度为20米，则占地面积为918平方米或1.378亩，即每万度占地面积为229.5平方米或0.3442亩（净储能密度43.6度/平方米，2.91万度/亩），此为配重物净占地，再考虑支柱支架、机电工程占地和必要的间距、配套的输变电、控制系统、管理操作人员等工作生活设施占地等，每万度占地在0.3442亩的基础上再增加50%，综合占地0.5164亩。下面进行一下投资收益估算。如果立柱采用C50砼，则其断面面积为7.2平方米时刚好被3.673万吨重量压碎，提升高度为400米，则立柱高度需建440米，立柱最小方量为7.2*440=3168方，再考虑2倍安全系数；因压杆稳定问题增加斜撑横撑等，工程量增加10%；对于C50砼，高度为2000米时因自重压溃，现支柱高度440米，自重影响不可忽略，立柱采用变截面设计，砼方量增加30%；因桩基、承台、横梁支架、配重箱等再增加1倍方量；其他工程再增加10%工程量，每方钢筋砼按1500元造价估算，则土木工程造价为3168*2*1.1*1.3*2*1.1*1500=2990万元。对于抽水蓄能电站，在利用“值钱不花钱”的稀缺的地理资源的情况下，机电工程一般占总投资的26%34%，最高达45%，在本重力储能方式中，因一般不借助山势存放储能介质，所有重物完全靠人工建造的立柱支架等支撑并提升，故土木工程造价占比较大，再考虑只需电机不需水泵（水轮机），所以机电工程占比也应该较小，机电造价暂按占总投资的20%估算，则机电费用为747.5万元，总投资3737.5万元/4万度=934.4万元/万度，即每度电建设费用934.4元。土木工程寿命暂按60年（正常维护下可达百年以上）计算，机电工程按30年寿命估算，则（2990/60+747.5/30）/4=(49.83+24.92)/4=18.69万元/（万度. 年），按95%能量循环效率，每万度年工程摊销费为18.69/0.95=19.67万元/（万度.年）=0.05389元/（度.天）。一年365天，若每度电可获峰谷电价差价0.20元，则年收益为365*0.20*1万度=73万元，73/19.67=3.711倍，即在不考虑资金时间价值、运管等费用的情况下，每年可获271.1%毛利润,这个数字偏大较多，因未来收益需折为现值，但可供参考。934.4/73=12.8年，即静态回收期为12.8年，如果要获得更短的回收期，比如8年，峰谷价差须达0.32元。目前风电上网电价为0.510.61元/度，据资料，目前因公共电网容纳风电能力有限，大量风机晚上处于停运“弃风”状态，闲置投资达500亿元以上。若单从避免弃风角度考虑，上网电价就是所获价差，经济指标非常优秀。目前我国暂无完善的峰谷价差政策，但参考市场经济发达、价格机制运转成熟的美国，低谷电价为2美分/度，高峰电价为18美分/度，峰谷价比高达9倍，价差为16美分，合1.0928元，故在美国投资可以获得较好的收益（当然投资额也会有所增加）。另据资料，英国抽水蓄能电站综合电价折合32美元/KW，法国峰谷价差在8.320.5倍，均可有较好盈利。但最根本的问题是，在风能、太阳能资源丰富的沙漠、戈壁滩上，是不可能存在抽水蓄能电站的建设条件的，而这些对于减排污染物最有前途的清洁能源的利用又高度依赖于储能设备，否则现存的“弃风”等现象就无法避免。就整个国家来说，适合建设抽水蓄能电站的地理资源恐怕也不够用。另外，建设高度稳定、安全、可靠、坚强的智能电网，减少拉闸限电或关机停运现象，使网内主发电站运行更稳定效率更高，减少其投资，储能应用也是必不可少的。国外有关研究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内，依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段，基本可以保证电网安全；但如果所占比例达到20%甚至更高，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。故，本储能方式社会效益是巨大的，自身项目投资效益也可接受，特别是如果有体现储能电站存在价值的峰谷价差（如美、英、法等国）和政策支持时，效益更好，可以在全国和全球推广，国家应制定相关支持政策，并大力投资兴建重力储能电站。下面再对比几种化学电池的费用。目前铅酸蓄电池使用较多，已知其能量密度为35(w.h)/Kg，(0.60.8)元/(w.h)，可充放电500次，循环效率90%，则储1度电需28.57千克，费用700元，可用500/365=1.37年，则700/1.37/0.9=567.72元/（度.年），是重力储能方式的567.72/19.67=28.86倍。已知锂离子电池能量密度为120（w.h）/Kg，（4.04.5）元/（w.h），可充放电1200次，循环效率95%，则储1度电需8.333Kg，费用4250元，可用1200/365=3.288年，则4250/3.288/0.95=1360.6元/（度.年），是重力储能方式的1360.6/19.67=69.17倍。这两种电池每度年费用为分期投入，不象重力储能方式中工程费用为一次投入，故电池费用折为现值后会降低，但因差距太大，效费比（或性价比）明显不如重力储能方式。另外可以看出，从每度电所用工质来看，化学电池用量比重力储能方式要少得多，例如铅酸电池只需28.57千克储一度电，锂离子电池只需8.333千克储一度电，而重力式却需将3.673吨重物提升100米高，这是因为两者储能原理完全不同。但所需费用则化学电池远高于重力式储能，因其材料特殊、技术复杂，尤其是寿命太短，铅酸电池仅能用1.37年，锂离子电池仅能用3.288年。另据网上资料，钠硫电池能量密度为760Whkg ，且没有自放电现象。放电效率几乎可达100，600美元/度，4500次循环（1015年），循环效率100%，折合600*6.83/(4500/365)=332.4元/（度.年），是重力储能方式的332.4/19.67=16.9倍。其工作温度为350摄氏度，需附加保温设施。锌溴电池和钒流电池是目前中国发展较快的两类液流电池。前者拥有较高的能量密度，每千克约为60-80瓦时，原料便宜（约500元/度），但更新周期短。后者的能量密度仅为15-25瓦时/千克，原料价格较高，在600美元/度以上，但充放电次数多（可达13000次，35.6年）、充放电效率80%，使用寿命长，更适用于大容量、长时间的非移动存储，具有一定的竞争力。当然以上均是很粗略的估算，误差较大，尚需精细的可行性研究，特别是项目经济指标方面。以上讨论均未考虑利用系数，实际上任何储能电站都不可能一直满负荷运转，一般利用系数可为90%左右，则效益均会有所降低。例二： 以大唐电力唐山王滩火力发电厂为例。王滩发电厂一期投资49亿元，装机2台60万千瓦火力发电机组，现每年发电76亿度，占地800亩。王滩电厂按额定功率发电，每年发电2*60万*24*365=105亿度，每天发电2*60万*24=2880万度。现实际年发电76亿度，76亿度/105亿度=72.4%，即实际平均功率只用到额定值的72.4%，实际每天发电76亿度/365=2082万度。假设为本电厂建设一个配套储能电厂，最大能将每天发电量的10%，即208.2万度转化为重力势能储存起来，提升高度400米，208.2 *3.673万吨/4=191.2万吨=95.59万方。这个方量，只相当于很小规模的水电站坝体的混凝土方量。如果高度为配重箱高度为20米，则其平面占地为47800平方米，即4.78公顷或71.7亩，这是配重块的净占地，综合占地107.5亩。例三：现在已投产或在建的风电场功率远小于火力发电厂，如大唐山东发电公司第四座风电场黄岛风电场规划容量为4.95万千瓦，计划总投资48401.58 万元，拟安装33台单机容量1500kW的风力发电机组，年发电量8954万千瓦时，日均发电量仅24.53万度，即平均1973万元/万度，相比934.4元/度，是储电投资的2倍多。实际平均功率为额定功率的20.65%。根据前面的计算，一万度需净占地0.3445亩，以黄岛风电场这种规模来算，建设一个能将其每天发电量30%的电力储存起来的储能电站仅须净占地2.535亩，