全球首个10兆瓦/20兆瓦时气液互转二氧化碳储能工程验证系统,在四川德阳建成。

安徽芜湖海螺水泥10兆瓦/80兆瓦时二氧化碳储能示范系统。

华电新疆木垒100兆瓦/1000兆瓦时压缩二氧化碳储能项目。(本组图片除署名外均由受访团队供图)

谢永慧教授在模型前介绍二氧化碳储能系统。(记者 任娜 摄)

 近日,中国华电100兆瓦/1000兆瓦时压缩二氧化碳储能项目在新疆木垒完成并网。这是全国首个百兆瓦级压缩二氧化碳储能电站,项目采用西安交通大学谢永慧教授团队原创的气液互转二氧化碳储能技术,打通二氧化碳压缩—液化—储能—气化—膨胀—释能—发电完整工艺流程,为我国大规模长时储能开辟了一条全新可行路径。

 100兆瓦连续释放10小时,意味着单次可释放100万度电。按家庭日常用电测算,这部分电量保守估计能够满足2000户普通家庭一个月的用电需求。戈壁滩上这座储能设施的背后,是一支科研团队跨越十余年,从理论推演、方案设计到系统优化,一步步啃下重重工程难题,最终完成从0到1,实现工程转化,并应用于百兆瓦级的漫长征程。

 从创新港展厅模型上的构想,到四川德阳开展工程验证,再到安徽芜湖示范运行,最终落地千里之外的西北戈壁。一项完全自主的原创储能技术,走完了从0到百兆瓦的艰难闯关之路。

 打破路径依赖:

 技术创新落地才是硬道理

 西安交通大学创新港,谢永慧团队的实验室展厅内,玻璃展柜摆放着一套二氧化碳储能系统模型。模型中排布着压气机和透平等核心设备车间、白色柔性气仓、储罐等。站在模型旁,谢永慧手指向模型上一座座白色仓体,向记者介绍,这些小巧的白色构件,对应上百米规模的巨大气仓,也就是这套储能系统储存气态二氧化碳的“大房子”。

 当前我国能源转型最突出的特点,就是可再生能源正在逐步成为电力供给的主力。谢永慧介绍,相关统计截至今年6月,国内可再生能源装机占比已经达到60.7%,这一规模还在继续扩大。但可再生能源与生俱来存在短板:光伏、风电的发电出力受天气影响,具有波动性、间歇性,电能品质不稳定。云层遮挡,光伏发电量立刻下降,风电出力也时强时弱。发电和用电需求还存在时间、空间上的错配,最直观的表现就是弃风弃光——主要是这部分不稳定的电力难以被电网消纳。发电侧与用电侧的矛盾,让大容量长时储能的价值愈发凸显。

 “一般情况下电力系统要实时保持发用电平衡。大容量长时储能,正是用来破解跨时段电力调配矛盾的重要手段,也是电力系统升级过程中绕不开的课题。”谢永慧说,放眼现有的技术路径,各有现实桎梏。抽水蓄能受制于构建水位差的特殊地质;传统压缩空气储能往往需要依托地下洞穴这类特殊空间;电化学储能部署灵活,但也要面对循环寿命、原材料供给等现实考验。行业迫切期待一套选址约束少、服役寿命更长的大容量长时储能方案。

 早在2008年,谢永慧就开始研究二氧化碳动力系统,最早主攻超临界二氧化碳路线,开发了超临界二氧化碳储能技术,但经测算发现该方案工程落地成本偏高。团队在研发中意识到,“实验室可以追逐技术前沿,但要真正建成为电站,经济性是绕不开的硬标尺。理论再完美,落不了地,就没有产业价值。”谢永慧告诉记者。

 带着这样的思考,团队跳出原有框架,转而从二氧化碳本身独特的物理特性寻找破局方向:在7兆帕压力、约28摄氏度的条件下,二氧化碳可以相对容易地在气体和液体两种状态之间来回转换。更关键的是,同等条件下,液态二氧化碳的密度很高——想要储存相同质量的储能工质,它需要的存储空间不到压缩空气的八分之一;换个角度说,一样大小的容器,液态二氧化碳能装下超过8倍空气质量的工质。

 这个特点直接打开了全新的解题思路。传统压缩空气储能储存的是高压气体,体积庞大,往往离不开已有的地下洞穴。而这套技术不需要再苦苦寻觅地下洞穴,依靠地面上的大容量气仓、钢制储液罐就能完成工质存储。沙漠、戈壁、废弃矿山、关停老旧燃煤电厂,只要有合适土地就可以建站,高度契合我国西北大型风光基地的建设场景。

 整套储能系统的构想由此逐步成型:依托二氧化碳独特的气液相变特性,团队设计了从储能到释能的完整流程,搭建起一套不依赖地下洞穴、以地面储液罐与大容量气仓为工质容器的长时储能方案。

 “即便仿真反复演算、模型搭建完成,纸上方案离落地电站依旧隔着一道巨大的工程鸿沟。没有现成的同类大型工程先例,产业方难免心存顾虑,摆在面前的第一道难关,就是说服持审慎态度的产业界。”谢永慧如是说。构想逐步成熟,经过多轮探讨磨合,2020年终于集聚了包括系统设计、设备制造、整体集成在内的各方创新人才,组建了核心攻坚团队,正式启动工程转化。

 产学研协同破冰:

 啃下从0到1这块硬骨头

 作为一项全新的原创路线,当时没有现成成套装备,也没有对应的行业标准。面对亿元级别的工程投入,合作方一开始并不敢仅凭高校的一套构想就贸然参与。

 “我最开始打电话向企业技术负责人介绍这套构想时,对方心里是充满怀疑的。”谢永慧回忆道。一通电话不足以打消工程界的顾虑,经过多次的方案介绍,企业技术团队才专程来到西安交大,一起完整梳理整套技术逻辑。回到工厂内部对学校提供的方案参数进行反复核算、评估风险,多方研判可行性之后,才下定决心协同开展关键装备攻关。

 系统原理、核心装备、系统集成,三大板块全部从零打磨,几乎所有核心部件都没有成熟定型产品。为破解二氧化碳储能技术设计、制造、运行等一系列全新难题,团队开展一轮轮头脑风暴,围着图纸推演方案。“认准大方向技术逻辑成立之后,就要一往无前。”团队成员张荻教授表示。在他们看来,只要系统原理、核心设备、集成方案三块基石站得住脚,剩下大多属于工程细节,只要所有人目标一致,就能够逐个化解。最终突破了气液互转二氧化碳储能及多品质热源利用、高效宽工况轴流及离心二氧化碳压气机、全工况适应性大功率二氧化碳透平、超大可变容量高稳定结构储气库等七大难题。

 当时项目系统集成技术总负责人坦言,如果不是谢永慧的坚持,自己很早就打算放弃项目。

 “这个团队充分发挥了大家的想象力,因为是全新的东西,尤其在我们做验证系统之前,完全没有,虽然说我们在纸面上走通了,在实验室里走通了,但是到工程落地总有太多的问题需要解决。”谢永慧说。

 即便仿真全部跑通,模型推演完美,工程现场依旧变数重重。任何一处不起眼的故障,都可能造成整套系统无法正常运转,达不到预期目标。那段时间谢永慧承受着巨大的心理压力。“就像等待高考放榜,前期准备再充分,心里始终悬着一块石头。直到设备第一次稳定运转起来,我才长舒一口气,0到1的难关才算真正迈过去。”

 三级迭代跨越:

 从工厂验证到戈壁跃升

 实验室模型上推演的方案,最终要放到真实工程环境里接受检验。

 2022年8月25日,全球首个10兆瓦/20兆瓦时气液互转二氧化碳储能工程验证系统,在四川德阳建成。次年3月,顺利完成长时稳定性、快速启停两大关键考核。这一刻,来自西安交大的原创技术,被证实具备实打实的工程应用能力。

 验证系统跑通,示范工程快速跟上。2023年12月30日,安徽芜湖海螺水泥厂区,全球首套10兆瓦/80兆瓦时二氧化碳储能示范系统一次并网成功。项目发挥技术独有的可以利用低至40摄氏度的热源优势,回收水泥厂原本直接排空的废热,进一步提升能量利用效率,该项目成功入选国家能源局新型储能试点示范项目。

 从10兆瓦级示范,再到新疆木垒百兆瓦风光配套储能项目落地,实现关键量级跃升。至此,包括设备和集成企业的联合团队完整掌握气液互转二氧化碳储能系统设计、核心装备制造、施工安装、运行维护全链条技术,拥有完全自主知识产权。

 这套技术有着鲜明差异化优势:不受特殊地质束缚,可适应多样气候环境;压气机、透平始终稳定在最优设计工况;整机设计寿命超30年,服役周期效率不衰减;发电输出平稳,自带转动惯量,不对电网形成冲击;无需稀有特种材料;功率与容量解耦,扩容储能规模只需要新增气仓与储液罐,核心动力主机无需更换。

 “百兆瓦级项目并网,最重要的意义是证实这套技术在工程上可行。后续产业化推广不是简单复制,还要结合不同场景持续做适配优化。”谢永慧说。此前,我国大规模长时储能可选技术路径不多。气液互转二氧化碳储能作为原创性技术方案,适配多元应用场景,助力清洁电力消纳,平滑电网波动,服务新型电力系统建设。

 谢永慧团队的闯关之路也印证:真正的原创硬科技,既要在实验室里反复推演打磨,更要跨过理论与产业之间的层层难关,让纸面构想落地生根,变成可靠的产业力量。