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分类: 工业

储存风能?

巴黎高科评论 / 编辑 / 2014-10-22

绿色能源浪潮已经在电力领域打开了一道口子,让一些一直以来被边缘化的话题浮出了水面。其中,风能更是引发了激烈的辩论,一个最重要的关注点是如何管理其间歇性问题。问题的答案是包括电力储存技术等在内的一系列的创新。

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不稳定的代价

电力公司很早就知道,各种电力来源不尽相同,有的能保证供电,有的则不能。可再生能源产出的电力天然具有极不稳定的特性,无论是在长期范围内来看,还是仅就一天来看,供电都会有很大的波动。

比如在欧洲,用电高峰是在寒冬酷暑时节,可是在反气旋控制下,几乎没有风可用来发电。

目前全球太阳能或风能发电只占总电能产出的4%或5%,这还没有太大关系,可是,当此类能源的供电比例升高之后,人们就不得不严肃对待这个问题了。举个例子,风能在2011年3月份成为西班牙第一大电力来源,产量达到4750千兆瓦时,覆盖了总用电需求的21%,如今,风能为该国年均供电比例的15%,位居第三,排在煤电之前。2010年2月14日凌晨1点33分,风力发电一度高达西班牙总用电需求的42%。

这种风能供电高峰其实是人为地暂时降低其他方式如水力发电量而导致的,很具灵活性。在天气预报的帮助下,调度员能够协调整体发电情况,在刮风时降低热能发电的比例。如果风能供电比例的升高已是大势所趋,其发电的间断性就会成为一个大问题。

在全球岛屿上,风力和太阳能发电是对传统发电方式的很好补充,却存在同样问题——供电间断性。

于是,能源存储再次引起了人们的注意。对于电力公司来说,这可以是改善供电管理的一个补充性工具,对于岛屿,则能大大减轻小型发电厂依靠煤炭燃料或者燃气发电的负担。只不过,风能能够储存吗?

机械能存储模式

第一个解决办法就是把风能转化成另一种机械能,根据其用途,我们可以区分出三种模式。

飞轮(Flywheels)的最大的作用是延长发电:风车所产生的一部分电力用来转动一个钢铁转轮,使其飞速旋转,一开始转轮的启动会消耗很多风能,但是一旦运转起来,微弱的摩擦力则会大大减小风能的消耗;而当风力减弱时,转轮会在惯性作用下继续发电。若要延长发电,这种方法简单却行之有效,但为了保证该方法的效率,必须采用一种昂贵的技术(为了尽可能减小摩擦,转轮需要在真空中旋转)。

第二种转化模式,将风车与水力发电设施通过泵站连接起来,原理就是利用起风或用电低谷(如周末),用风力把水位升高。这种转化模式已经在法国得到应用,在电网供电最便宜的时候,用电网的电使涡轮机把水吸到高处,这种操作的转换率能达到80%,相当可观。理论上说,完全可以使用风车发电来代替电网供电,在一些风力较大的山谷地区,这种办法颇有成效,只不过需要评估经济性。但是我们可以看到近海风电场和陆地风电场通常都远离水利大坝,这大大限制了涡轮机对风能的直接使用。不过,即使复杂一些,我们仍旧可以通过电网,间接使用风能。

压缩空气的存储方式看似无关紧要,却为存储风能提供了一种很有趣的可能性,尤其是这种方式受到的地理限制更少。在工业上,德国自1978年起(Huntorf发电站, 290MW)以及美国阿拉巴马州自1991年起就已采用这一存储方式,只是转换率仅有40%,德国第三大能源公司EnBW最近研发出了一种更有效的办法,通过回收利用空气压缩时所产生的热量,把转换率提高到了70%。

上述所有解决方案都需要更复杂的设备,这意味着需要更多的资金,现今仍处于试验阶段,经济评估必不可少。不过接下来我们介绍的方案就更加实际一些。

电池,蓄电池,超冷凝器

电池技术发明已久,但近年来技术本身改良不多,只是在容量上有所增加。唯一的真正创新点是它在军事上的应用,不过军事预算与工业预算不可同日而语——前者研发投入巨大。现在情况有所不同,近几年电动车性能大大提升,带动了相关方面的研发;而风力发电的进步也带动了其他创新。

总体来说,用电池存储的电能应用范围较小,电网1千瓦时的电费与存储电池相比,可能是1比100,有时甚至是1比1000,好在多个创新项目正在进行中,目的就是为了相对扩大电池存储的应用范围。

我们可以举出一些例子,如日本NGK公司研发的钠硫电池蓄电装置,重达80吨,能够存储至多7.2兆瓦,可以覆盖数百户家庭的用电量,花费约为540万美元,数目虽不小,但却也没有超出一个岛屿居民区的预算。法国电力集团(EDF)旗下的法属岛屿电力系统近期开展了大规模的测试,在留尼汪岛(La Réunion)安装了一个1兆瓦容量的钠硫电池组,实验结论将在6个月的测试后得出。在美国,我们则可以举出XcelEnergy所开展的实验。

与NGK电池旗鼓相当的是钒电池,该蓄电池的工作原理自上世纪50年代就已为人知,但近几年却在工业领域获得了较大发展,最好的两个例子,一个是位于澳大利亚本岛与塔斯马尼亚州中间的金岛发电站,另一个就是爱尔兰Tapbury公司的风车场,这种蓄电系统的工作原理是被一层隔膜隔开的两种不同电解质溶液之间的离子交换。这种交换发生在电池单元之间,而蓄电池的电量则仅取决于电池单元的数量,这与传统的铅酸电池不同,因为电解质是存储在电路外部而非内部。这种储能方式最大的缺点就是占地空间大,此外,钒具有毒性,意味着在安全性方面需要特别处理;不过这种蓄电池的优点也非常明显——电能转换率高达70%,而且钒是一种过渡金属,能够被氧化降解多次,此外这种蓄电池在面对多变的风速时,反应速度非常快。在金岛,风能的使用比例从12%上升到了40%,这能限制燃料型发电机的使用量。这种蓄电池的安装费用与NGK电池组差不多。

电池方面的最后一个创新,是在蓄电池组的基础上补充使用超级冷凝器,通过提供两种不同来源的能量来优化存储。超级冷凝器与冷凝器工作原理相同,即把能量储存在一个静电场里,只不过能量强度比普通的冷凝器更大,超级冷凝器能在非常短暂的风力间断时提供电能,只有当间断达到一定长度时,才会使用蓄电池代替超级冷凝器供电。这种办法既能更好地处理风力的间断问题,又可以延长蓄电池的使用寿命。

燃气的十字路口

最后还有一种存储办法,把风力发电和传统的燃气电厂结合起来,发展出一种混合型发电厂。风车产生的一部分电能用来产生氢气,当风力减弱时则用生产出的氢气来发电。

生产氢气并不复杂,只需要把水电解成氢和氧,但是接着需要存储氢气,因此还要安装一个内燃机和发电机。

目前,这种方法的电能转换率还很低,只有40%,但是力图改善转换率的各种实验已开始进行,例如,美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)正在进行“风到氢”(Wind to Hydrogen)项目,欧洲方面则有挪威于特西拉(Utsira)发电厂和西班牙加利西亚索塔文托(Sotavento)正在进行的项目。

最后一个例子是德国普伦茨劳(Prenzlau)的混合型发电厂,该厂的特色就是在没有风时使用环保型燃气(主要是甲烷),有风时生产氢气,然后将氢气与甲烷混合,生产出一种更出色的燃料。

那么,我们的结论如何?大部分正在进行的试验都显示了较高的转换率,目前成功找到的解决方案一般只适用于特殊地区(岛屿或偏远地区),大部分的解决方案其实只能起到补充作用,并不能完全替代。因此,若要与传统能源相竞争,风能必须经历一次真正的产业突破,现在经济收益还为时过早,有一点却毋庸置疑,我们正在朝着目标迈进。



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