中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3.3.6成本估算
由于全球各地尚未建造大型A-CAES系統(tǒng)，因此必須從報(bào)告和學(xué)術(shù)文獻(xiàn)獲得參考。然而，這些來源中有許多提供了D-CAES系統(tǒng)的估計(jì)值，或者沒有具體說明該系統(tǒng)是非絕熱的還是絕熱的。這給CAES的真實(shí)成本與報(bào)告成本帶來了不確定性。
盡管如此，可以開發(fā)出高、中、低成本的估算值，并與報(bào)告的數(shù)字進(jìn)行比較。例如，天然氣發(fā)電廠和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本信息可用于分別估算CAES系統(tǒng)電力和能源容量的參考成本。由于CAES系統(tǒng)的地上部件（如壓縮機(jī)、膨脹機(jī)和熱交換器）技術(shù)成熟，它們的成本可以給定的工廠進(jìn)行估計(jì)?？梢允褂脕碜跃酃馓柲軕?yīng)用的數(shù)據(jù)以一定的準(zhǔn)確度估算低溫和中溫蓄熱的成本。高溫儲(chǔ)存（600℃以上）的成本更不確定。大部分剩余的不確定性CAES成本來自空氣儲(chǔ)能成本的不確定性。
使用消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)，根據(jù)指定年份至2020年的通貨膨脹調(diào)整成本。如果沒有指定年份，則使用發(fā)布日期。此外，一些消息來源假設(shè)往返效率高于實(shí)踐中可能實(shí)現(xiàn)的效率，并且沒有將往返效率分解為充電效率和放電效率。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，充電和放電效率具有相似的值。因此，作為簡單的近似值，報(bào)告的往返效率的平方根用于近似充電和放電效率。為了標(biāo)準(zhǔn)化成本估算，將引用的能源成本乘以近似放電效率與模擬的放電效率的比率。報(bào)告的效率高于研究團(tuán)隊(duì)的估計(jì)，這種方法會(huì)增加能源成本。同樣，將電力成本乘以模擬報(bào)告的往返效率與往返效率的比率。在對(duì)通貨膨脹和效率進(jìn)行調(diào)整之后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)六項(xiàng)估算值進(jìn)行平均，以得出2020年電力和能源成本的單一估算值。
研究團(tuán)隊(duì)通過應(yīng)用來自提供近期和2050年成本估算的參考文獻(xiàn)中的成本降低假設(shè)，使用對(duì)2020年成本的估計(jì)來預(yù)測到2050年的成本。由于沒有建造A-CAES項(xiàng)目，在這里產(chǎn)生了額外的不確定性。根據(jù)對(duì)文獻(xiàn)的回顧，假設(shè)在高成本、中成本和低成本情景下，從2020年到2050年，電力成本可能分別下降0%、8%和24%。作為背景，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的2020年度技術(shù)基準(zhǔn)(ATB)預(yù)測，天然氣發(fā)電廠的投資成本將在2020年至2050年間下降14%。盡管這份報(bào)告沒有解釋這些假設(shè)的基礎(chǔ)，但設(shè)計(jì)和渦輪機(jī)械和其他燃?xì)廨啓C(jī)部件的制造改進(jìn)通常也適用于CAES系統(tǒng)。同樣使用文獻(xiàn)中的值作為假設(shè)的基礎(chǔ)，即在2020年至2050年期間，高、中和低成本情景的能源成本可能分別下降0%、11%和50%。研究團(tuán)隊(duì)的低能源成本情景反映了改進(jìn)選址和開發(fā)空氣儲(chǔ)存設(shè)施的潛力，以及熱儲(chǔ)能成本的下降。表3.4總結(jié)了研究團(tuán)隊(duì)對(duì)2020年和2050年成本和效率值的估計(jì)。
表3.4 2020年到2050年A-CAES的成本假設(shè)
鑒于成本數(shù)據(jù)有限，沒有估算A-CAES系統(tǒng)的放電和能量組件的固定和可變運(yùn)維成本。這是將A-CAES排除在容量擴(kuò)展建模分析之外的原因之一。但是，可以將A-CAES成本與其他建模儲(chǔ)能選項(xiàng)的成本進(jìn)行比較，以推斷該技術(shù)的潛在作用。在電力與能源的資本成本方面，如果A-CAES能夠?qū)崿F(xiàn)類似的低能源成本，則它可以作為長時(shí)儲(chǔ)能的選項(xiàng)。否則，A-CAES在長時(shí)儲(chǔ)能或短時(shí)儲(chǔ)能方面將沒有競爭力。
3.3.7 CAES技術(shù)改進(jìn)的潛力
本節(jié)簡要介紹一些可用于改進(jìn)CAES的技術(shù)概念、性能或成本。本次討論主要集中在可能相關(guān)的概念上，可以確定合適的地下儲(chǔ)存地點(diǎn)的情況。只有液態(tài)空氣儲(chǔ)能才有意義地解決了地上空氣儲(chǔ)存的問題。研究團(tuán)隊(duì)討論了可應(yīng)用于D-CAES和A-CAES系統(tǒng)的兩個(gè)概念；然后討論液態(tài)空氣儲(chǔ)能和關(guān)于絕熱或絕熱系統(tǒng)特有的其他概念。
（1）渦輪機(jī)
如圖3.7所示，在排放期間將空氣節(jié)流到第一臺(tái)渦輪機(jī)的輸入壓力的要求顯著降低了CAES系統(tǒng)的排放效率。這種效率損失可以通過可變壓力節(jié)流閥來減少。在排放過程中，節(jié)流閥依次將空氣調(diào)節(jié)到兩個(gè)壓力水平，并且兩個(gè)渦輪機(jī)都可以保持在恒定的運(yùn)行條件下。在排放過程開始時(shí)，壓縮空氣被節(jié)流以匹配高壓渦輪進(jìn)口；然后它串聯(lián)通過兩個(gè)渦輪機(jī)。當(dāng)洞穴壓力低于第一個(gè)渦輪入口所需的壓力時(shí)，壓縮空氣繞過第一個(gè)渦輪并被節(jié)流，以匹配第二臺(tái)渦輪的入口壓力。通過節(jié)流閥減少有效功損失，提高了系統(tǒng)的排放效率。
（2）燃?xì)廨啓C(jī)的再利用
已經(jīng)提出的一種削減成本的方法是重新使用計(jì)劃關(guān)閉的天然氣發(fā)電廠的燃?xì)廨啓C(jī)以降低CAES充電和放電電力的成本。
然而，CAES系統(tǒng)仍然需要其他組件來執(zhí)行諸如熱交換、蓄熱和空氣儲(chǔ)存等功能。而要重新使用現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)，需要進(jìn)行重大修改。這些單元包含集成的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)。而在膨脹的過程中產(chǎn)生的一部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，而其余的動(dòng)力用于發(fā)電。這種操作模式需要同時(shí)進(jìn)行壓縮和膨脹。然而，對(duì)于CAES系統(tǒng)操作，壓縮（充電）和膨脹（放電）步驟必須分離。處理這種設(shè)計(jì)差異的一種方法是通過向燃?xì)廨啓C(jī)單元添加離合器機(jī)構(gòu)來分離壓縮機(jī)和膨脹機(jī)。另一種方法是使用一半的氣體通過從壓縮機(jī)中移除葉片，并添加旁路以僅使用膨脹機(jī)，反之亦然。通過這種修改，需要兩個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)來構(gòu)建壓縮機(jī)和膨脹機(jī)。
另一個(gè)考慮因素是燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)為在特定壓力下運(yùn)行比率和最大壓力限制內(nèi)，因此它們只能用于低壓的壓縮和膨脹階段。這種改造方法的另一個(gè)挑戰(zhàn)是現(xiàn)有渦輪機(jī)的位置可能與地下空氣儲(chǔ)存可用的地點(diǎn)不一致?；蛘咧匦吕萌?xì)廨啓C(jī)會(huì)產(chǎn)生成本。鑒于這些問題，重新利用退役的燃?xì)廨啓C(jī)似乎不太可能是一個(gè)有吸引力的選擇。
（3）液態(tài)空氣儲(chǔ)能(LAES)
液態(tài)空氣儲(chǔ)能(LAES)系統(tǒng)通過將空氣壓縮至液態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)能，與A-CAES系統(tǒng)類似，但隨后空氣在其壓力降至接近外部環(huán)境水平之前被冷卻。而其減壓過程可以將空氣溫度降溫約為-196℃，其中一些空氣變成液體（空氣是混合氣體；它的主要成分是氮?dú)?，?195.8℃時(shí)液化）。而未變成液體的空氣在環(huán)境壓力下仍為冷氣體，這種空氣通過熱交換器來冷卻高壓的環(huán)境溫度的氣體。為了發(fā)電，液態(tài)空氣可以加熱膨脹成為氣體，然后通過一個(gè)或多個(gè)渦輪機(jī)使用的布雷頓循環(huán)技術(shù)發(fā)電。在任何一種方法中，壓縮產(chǎn)生的熱量都會(huì)被儲(chǔ)存起來，以便在放電期間使用，就像A-CAES一樣。在放電期間回收冷熱能并將該能量用于下一個(gè)充電循環(huán)的能力是LAES系統(tǒng)獨(dú)有的。
LAES系統(tǒng)的充電和放電功率容量可以獨(dú)立調(diào)整大小，就像在CAES系統(tǒng)一樣。
然而與CAES系統(tǒng)不同的是，LAES系統(tǒng)具有選址靈活性，因?yàn)樗薪M件都部署在地上。液態(tài)空氣的能量密度估計(jì)約為95kWh/立方米，約為CAES能量密度的10～20倍。這顯著減少了地上存儲(chǔ)相關(guān)的挑戰(zhàn)。LAES系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量隨其低溫罐和冷熱儲(chǔ)熱器的大小而變化。使用漢普森-林德循環(huán)、克勞德循環(huán)或其他循環(huán)的氣體液化技術(shù)是一種成熟的工藝，已用于工業(yè)氣體供應(yīng)、天然氣液化和其他應(yīng)用。與其他液化工藝相比，LAES系統(tǒng)的新穎之處在于循環(huán)利用熱能，這是將往返效率提高約50%～60%的關(guān)鍵。在非LAES系統(tǒng)液化設(shè)施中，不可能從壓縮和膨脹中回收熱量，因?yàn)橥ǔＪ菍?duì)外排放的。與附近來源的廢熱集成可以進(jìn)一步提高LAES系統(tǒng)的效率。
對(duì)于LAES系統(tǒng)，技術(shù)成熟度不是主要關(guān)注點(diǎn)，盡管氣體液化設(shè)施確實(shí)需要先進(jìn)的工業(yè)能力和熟練的勞動(dòng)力。關(guān)鍵問題集中在成本和效率上。鑒于迄今為止的技術(shù)發(fā)展有限，目前尚無可靠的成本估算。
（4）具有電阻加熱蓄熱的A-CAES
對(duì)于典型的A-CAES系統(tǒng)，蓄熱器的溫度取決于壓縮機(jī)的壓力比以及是否采用中間冷卻設(shè)備的決定。電阻加熱可用于提高蓄熱溫度。對(duì)于給定體積的存儲(chǔ)空氣，較高的溫度會(huì)提高排放效率和能量容量。此外，較高的溫度增加了壓縮階段的設(shè)計(jì)靈活性。
由于電阻加熱在用于壓縮的能量之外引入了額外的能量，因此根據(jù)其定義，具有這一功能的系統(tǒng)不再是絕熱系統(tǒng)，但它們?nèi)匀豢梢宰鳛橐环N電力存儲(chǔ)形式。在文獻(xiàn)中，這些系統(tǒng)被描述為“熱儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的組合”或“混合熱儲(chǔ)能-CAES”。
開發(fā)商可以設(shè)計(jì)蓄熱系統(tǒng)以滿足每個(gè)膨脹階段的最高允許溫度。對(duì)于高壓渦輪機(jī)，其最高溫度受到材料限制。對(duì)于最終膨脹階段，允許的渦輪機(jī)入口溫度可能與開放式布雷頓渦輪機(jī)的溫度一樣高，約為1,400℃。通過電阻加熱，CAES系統(tǒng)的蓄熱組件可以類似于熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。
（5）用于電網(wǎng)脫碳的A-CAES
盡管D-CAES不是本章的重點(diǎn)，但在考慮整個(gè)電力系統(tǒng)脫碳的更大挑戰(zhàn)時(shí)，該技術(shù)可能會(huì)發(fā)揮作用。正如研究報(bào)告討論的建模分析所示，即使在碳排放高度受限的情況下，也會(huì)部署可調(diào)度的發(fā)電資源，例如具有碳捕獲和封存（碳捕獲率約為90%）的燃?xì)廨啓C(jī)。與碳捕獲和封存(CCS)配對(duì)的D-CAES系統(tǒng)可以被視為類似于帶有碳捕獲和封存(CCS)功能的燃?xì)廨啓C(jī)。不同之處在于，D-CAES系統(tǒng)可以使用低碳電力提前壓縮空氣，從而提高排放過程中的燃油效率。當(dāng)儲(chǔ)存的空氣耗盡時(shí)，D-CAES設(shè)備可以切換模式以同時(shí)操作壓縮機(jī)和膨脹系統(tǒng)，就像天然氣發(fā)電機(jī)一樣?；蛘呖梢允褂脷錃獯嫣烊粴猓韵龑?duì)現(xiàn)場碳捕獲和封存(CCS)的需求。
3.3.8 與壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)的總結(jié)和建議
盡管幾十年來人們一直對(duì)A-CAES感興趣，并且具有運(yùn)行兩個(gè)D-CAES儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，但這種儲(chǔ)能技術(shù)的部署并沒有取得成功。地上CAES一直是開發(fā)商的研究主題，但研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這是不切實(shí)際的選擇。地下空氣儲(chǔ)存的CAES在地上部分方面并不存在重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，而其面臨的挑戰(zhàn)是如何尋找和開發(fā)合適的地下場所來儲(chǔ)存壓縮空氣。
鹽丘、層狀鹽和硬巖中的洞穴是地下空氣儲(chǔ)存的有吸引力的選擇。然而，化學(xué)能（例如氫氣）儲(chǔ)存是這些地質(zhì)特征的競爭用途，考慮到其更高的能量密度，可能會(huì)更經(jīng)濟(jì)。研究表明多孔介質(zhì)（例如含水層和枯竭的油氣井）可用于部署CAES，但這些選項(xiàng)尚未得到證實(shí)。
A-CAES通常適用于長時(shí)儲(chǔ)能，其中能源成本低是關(guān)鍵指標(biāo)。
這些系統(tǒng)的主要成本驅(qū)動(dòng)因素是選址過程、空氣儲(chǔ)存設(shè)施的開發(fā)和儲(chǔ)熱設(shè)備。盡管CAES的成本估算受到多重不確定性的影響，但該技術(shù)的能源成本估算通常高于預(yù)計(jì)未來可用的其他儲(chǔ)能技術(shù)的估算。CAES的電力成本預(yù)計(jì)不會(huì)顯著下降。
提高效率和降低電力成本的潛在機(jī)會(huì)包括安裝旁路渦輪機(jī)、重復(fù)使用現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)以及對(duì)對(duì)蓄熱組件采電阻加熱。然而，這些選擇都沒有解決開發(fā)足夠的地下空氣儲(chǔ)存的關(guān)鍵問題。液態(tài)空氣儲(chǔ)存確實(shí)解決了空氣儲(chǔ)存的難題，因此它可能提供一條更有希望的前進(jìn)道路。然而，鑒于液態(tài)空氣系統(tǒng)的開發(fā)處于早期階段，需要更多有關(guān)性能和成本的數(shù)據(jù)來評(píng)估液態(tài)空氣是否可以成為具有競爭力的儲(chǔ)能技術(shù)。
最終，A-CAES系統(tǒng)在地下存儲(chǔ)的部署似乎是可行的，并且在某些地質(zhì)資源有利的地區(qū)，它可能在未來發(fā)揮重要的作用。然而，隨著其他長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的成熟，地質(zhì)限制和有限的成本降低潛力似乎會(huì)使CAES系統(tǒng)的競爭力隨著時(shí)間的推移而降低。除非液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)被證明是一個(gè)例外，否則CAES系統(tǒng)不太可能在美國或全球各地的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能中發(fā)揮重要作用。
3.4 結(jié)論和要點(diǎn)
本章重點(diǎn)介紹兩種得到最廣泛討論的機(jī)械儲(chǔ)能形式：抽水蓄能（PSH）和壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）。
從技術(shù)或?qū)嵤┑慕嵌葋砜?，這些儲(chǔ)能形式幾乎沒有共同之處，但它們確實(shí)具有相對(duì)于其他技術(shù)（如化學(xué)儲(chǔ)能和電化學(xué)存儲(chǔ)）具有低能量密度的共同屬性。因此，抽水蓄能（PSH）和壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）設(shè)施占地面積大，必須在地質(zhì)有利的位置選址，并且無法實(shí)現(xiàn)模塊化。
（1）抽水蓄能設(shè)施
?就裝機(jī)功率和儲(chǔ)能容量而言，抽水蓄能（PSH）設(shè)施是迄今為止在美國和全球占主導(dǎo)地位的電力儲(chǔ)能技術(shù)。
?抽水蓄能（PSH）設(shè)施是的利用率一直在下降。在包括美國在內(nèi)的幾個(gè)國家，而對(duì)低成本、靈活的天然氣發(fā)電的依賴增加減少了抽水蓄能（PSH）設(shè)施的電價(jià)套利機(jī)會(huì)。
?由于目前對(duì)其服務(wù)的需求不足以及未來需求前景不確定，抽水蓄能（PSH）設(shè)施的增加部署仍面臨巨大障礙，盡管隨著對(duì)可再生能源發(fā)電的依賴增加，這種情況可能會(huì)發(fā)生變化。中國最近投資的大規(guī)模抽水蓄能（PSH）設(shè)施是由于具有獨(dú)特的體制和監(jiān)管條件，即使可能得到借鑒，也很難在其他國家和地區(qū)復(fù)制。
?充分優(yōu)化現(xiàn)有抽水蓄能設(shè)施以利用有組織的批發(fā)市場，可以使抽水蓄能設(shè)施目前產(chǎn)生的市場收入增加三倍以上。此外，很少有其他儲(chǔ)能技術(shù)顯示出能夠顯著抵消或超過其經(jīng)過通脹調(diào)整的購置成本的資本增值潛力。
?盡管如此，在競爭激烈的電力市場中新建的抽水蓄能設(shè)施的可行商業(yè)模式尚未得到證實(shí)。由此產(chǎn)生的不確定性和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)仍然是美國部署抽水蓄能設(shè)施的主要障礙。
?為電力部門的脫碳制定合理的時(shí)間表，并制定競爭機(jī)制以支持從抽水蓄能設(shè)施和其他儲(chǔ)能項(xiàng)目獲取服務(wù)的承購協(xié)議，這將有助于解決這些障礙。
?美國政府應(yīng)考慮采取進(jìn)一步措施，延長抽水蓄能設(shè)施許可證的有效期，并將美國聯(lián)邦政府擁有的抽水蓄能設(shè)施實(shí)現(xiàn)私有化，以激勵(lì)有效利用。與此同時(shí)，美國電力行業(yè)和金融機(jī)構(gòu)應(yīng)繼續(xù)努力為抽水蓄能設(shè)施開發(fā)新的商業(yè)模式和融資策略。
（2）壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)
?使用壓縮空氣實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能是一個(gè)傳統(tǒng)的想法，但只有兩個(gè)項(xiàng)目來證明這一概念（都是非絕熱系統(tǒng)，這意味著壓縮過程中的熱量不可逆地排放到環(huán)境中，并通過氣體燃燒恢復(fù)膨脹）。其他CAES項(xiàng)目（包括絕熱系統(tǒng)，其中捕獲壓縮熱量，與壓縮空氣分開存儲(chǔ)，并在膨脹過程中返回）已經(jīng)規(guī)劃，但尚未建成。
CAES系統(tǒng)也可以根據(jù)它們是否在地上或地下存儲(chǔ)壓縮空氣。由于地上空氣儲(chǔ)存的固有問題，CAES的電網(wǎng)規(guī)模部署取決于合適的大規(guī)模地下空氣儲(chǔ)存。
?即使地上CAES系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與其他電網(wǎng)平衡選項(xiàng)相比，具有競爭力的電力和能源成本，其他考慮因素（如效率、選址靈活性、響應(yīng)時(shí)間和模塊化）也將有利于部署電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)或需求管理。由于這些原因，具有地上空氣儲(chǔ)存的CAES通常不適合短時(shí)儲(chǔ)能或長時(shí)儲(chǔ)能。
?只有液態(tài)空氣儲(chǔ)能才能有意義地解決地上空氣儲(chǔ)存。
?對(duì)潛在地下空氣儲(chǔ)存地點(diǎn)的區(qū)域分析通常在宏觀范圍內(nèi)進(jìn)行，但必須在特定地點(diǎn)評(píng)估技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。
?如果可用于儲(chǔ)存應(yīng)用的鹽穴供應(yīng)在地質(zhì)上是有限的，那么化學(xué)能（即氫氣）儲(chǔ)能將具有更高價(jià)值，因此可能成為首選。
?需要對(duì)確定合適的地下空氣儲(chǔ)存地點(diǎn)的挑戰(zhàn)進(jìn)行更多研究，以評(píng)估CAES是否可以在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
?如果能夠降低成本，A-CAES可以作為一種長時(shí)儲(chǔ)能選項(xiàng)。
?最后，帶有地下空氣儲(chǔ)存的A-CAES似乎是可行的，并且在一些地質(zhì)資源有利的地區(qū)，可能在未來發(fā)揮重要作用。然而，隨著其他長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的日益成熟，地質(zhì)限制和有限的成本降低潛力似乎可能使CAES的競爭力隨著時(shí)間的推移而降低。除非液態(tài)空氣儲(chǔ)能被證明是一個(gè)主要例外，否則CAES不太可能在美國或全球的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能中發(fā)揮重要作用。
（未經(jīng)允許，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載，不足之處，歡迎批評(píng)指正，未完待續(xù)）
