【壓縮機網】壓縮空氣儲能技術概述

　　儲能技術可解決可再生能源大規模接入、提高常規電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術。截至2016年底，我國儲能裝機為24.2GW，約占全國電力總裝機的1.5%，遠低于世界2.7%的平均水平。預計到2050年，我國儲能裝機將達到200GW以上，占發電總量的10%～15%，市場需求巨大而迫切。壓縮空氣儲能系統具有規模大、效率高、成本低、環保等優點，被認為是最具發展潛力的大規模儲能技術之一。

　　目前，全球已有兩座大規模壓縮空氣儲能電站投入了商業運行。

　　第一座是1978年投入商業運行的德國Huntorf 電站（圖1）。機組采用兩級壓縮兩級膨脹，壓縮機功率為60MW，膨脹機功率為290MW（2007年擴容至321MW），壓縮空氣存儲在地下600米的廢棄礦洞中，總容積達3.1×105m3，壓力最高可達100bar。機組可連續充氣8小時，連續發電2小時。機組從靜止到滿負荷需要11分鐘，冷態啟動至滿負荷約需6分鐘，電站效率為42%。
 

 

　　第二座是于1991年投入商業運行的美國McIntosh電站（圖2）。其儲氣洞穴在地下450米，總容積達5.6×105m3，儲氣壓力約為75bar。該電站壓縮機功率為50MW，膨脹機功率為110MW，可實現連續41小時充氣和26小時發電，機組從啟動到滿負荷約需9分鐘，系統效率為54%。另外，日本于2001年在北海道空知郡投運了上砂川町2MW壓縮空氣儲能示范項目。其余國家如瑞士、法國、英國、意大利、俄羅斯、以色列、芬蘭、南非和韓國等國家也在積極開發壓縮空氣儲能電站。
 

 

　　以上商業電站均屬于傳統壓縮空氣儲能技術（圖3）。在用電低谷，壓縮機將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅動透平發電。
 

 

　　但傳統壓縮空氣儲能系統存在三個技術瓶頸，一是依賴天然氣等化石燃料提供熱源，不適合我國這類“缺油少氣”的國家；二是需要特殊地理條件建造大型儲氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等；三是系統效率較低（分別為42%、54%），需進一步提高。

 

　　新型壓縮空氣儲能技術研發進展

　　為解決傳統壓縮空氣儲能的技術瓶頸問題，近年來，國內外學者開展了新型壓縮空氣儲能技術研發工作，包括絕熱壓縮空氣儲能、蓄熱式壓縮空氣儲能及等溫壓縮空氣儲能（不使用燃料）、液態空氣儲能（不使用大型儲氣室）、超臨界壓縮空氣儲能（不使用大型儲氣室、不使用燃料）等。

　　（1）絕熱式壓縮空氣儲能

　　絕熱式壓縮空氣儲能技術通過儲熱裝置回收壓縮熱并儲存，使壓縮及膨脹過程近似于絕熱過程，不必燃燒化石燃料，并且能保持較高的儲能密度及效率。其工作原理為：儲能時，通過壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態后，通過儲熱系統將壓縮熱儲存，空氣降溫并儲存在儲罐中。釋能時，將高壓空氣釋放，利用儲存的壓縮熱使空氣升溫，由高溫高壓空氣推動膨脹機做功發電（如圖4）。
 

 

　　該系統回收了壓縮熱并且再利用，使系統效率得到了較大提高，同時去除了燃燒室，實現了零排放。但由于壓縮機級間不回收熱量、冷卻空氣，故壓縮過程能耗較高。由于壓縮機出口的空氣溫度高，對設備材料要求高。

　　德國RWE Power公司于2010年啟動ADELE項目，設計儲熱溫度600℃，設計儲氣壓力100bar，理論設計效率可達70%，該項目處于論證階段。

　　（2）蓄熱式壓縮空氣儲能

　　蓄熱式壓縮空氣儲能又被稱作先進絕熱壓縮空氣儲能，其原理同絕熱壓縮空氣儲能類似，區別在于該系統在壓縮過程級間換熱及儲熱，絕熱壓縮空氣儲能在全部壓縮過程結束后儲熱。相較于絕熱壓縮空氣儲能，蓄熱式壓縮空氣儲能系統的儲熱溫度及儲能密度較低，但其壓縮機耗能減小，且對于壓縮機材料要求不高。該系統缺點在于增加了多級換熱及儲熱，系統初投資有所增加（如圖5）。
 

 

　　中國科學院工程熱物理研究所于2013年在廊坊建成國內首套1.5MW蓄熱式壓縮空氣儲能示范系統，于2016年在貴州畢節建成國際首套10MW示范系統，效率達60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統。

　　（3）等溫壓縮空氣儲能

　　等溫壓縮空氣儲能系統是指通過一定措施（如活塞、噴淋、底部注氣等），通過比熱容大的液體（水或者油）提供近似恒定的溫度環境，增大氣液接觸面積和接觸時間，使空氣在壓縮和膨脹過程中無限接近于等溫過程，將熱損失降到最低，從而提高系統效率，其理論效率可達70%以上。此外，該技術不必提供外部熱源，還可以減少部件的熱應力。但該系統也存在一定問題，在壓縮過程中，部分空氣溶解于水中而沒有存儲到儲氣罐，造成部分能量損失（如圖6）。
 

 

　　美國SustainX公司于2013年在美國New Hampshire州建成1.5MW/1.5MWh的示范系統。美國General Compression公司于2012年在美國Texas州建成2MW/500MWh示范系統。目前，上述兩家公司已經合并成立GCX能源公司，繼續開展壓縮空氣儲能技術開發工作。美國的Lightsail公司也開展等溫壓縮空氣儲能研發，目前正在加拿大Nova Scotia省建設500kW/3MWh 示范項目。

　　（4）液態空氣儲能

　　液態壓縮空氣儲能是將電能轉化為液態空氣的內能以實現能量存儲的技術。儲能時，利用富余電能驅動電動機將空氣壓縮、冷卻、液化后注入低溫儲罐儲存；發電時，液態空氣從儲罐中引出，加壓后送入蓄冷裝置將冷量儲存并使空氣升溫氣化，高壓氣態空氣通過換熱器進一步升溫后進入膨脹機做功發電。由于液態空氣的密度遠大于氣態空氣，其儲氣室容積可減少約20倍，大幅壓縮系統占地面積，綜合成本有下降的空間。但由于系統增加液化冷卻和氣化加熱過程，增加了額外損耗（如圖7）。
 

 

　　英國Highview儲能公司于2010年建成350kW /2.5MWh液態空氣儲能示范系統并成功投運，目前正在開展5MW/15MWh示范電站建設。中科院工程熱物理所于2013年在廊坊建成1.5MW液態空氣儲能示范系統。其余機構如中科院理化技術研究所、智能電網研究院、東南大學、昆明理工大學等也開展了相關理論及實驗研究。

　　（5）超臨界壓縮空氣儲能

　　2009年，中科院工程熱物理所在國際上原創性地提出超臨界壓縮空氣儲能技術。該技術利用超臨界狀態下的流體兼有液體和氣體的雙重優點，比如接近液體的較高的密度、比熱容和溶解度，良好的傳熱傳質特性；同時也具有類似氣體的粘度小、擴散系數大、滲透性好、互溶性強等優點。

　　其原理是：1）儲能過程，利用富余電能通過壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態，通過儲熱系統回收壓縮熱后，利用儲冷系統存儲的冷能將空氣冷卻液化，并儲于低溫儲罐中；2）釋能過程，液態空氣加壓后，通過儲冷系統將冷量儲存，空氣吸熱至超臨界狀態，并吸收儲熱系統儲存的壓縮熱使空氣進一步升溫，通過膨脹機驅動電機發電(如圖8)。
 

 

　　目前，該技術為中科院工程熱物理所的專利技術。中科院工程熱物理所于2011年在北京建成15kW原理樣機，并于2013年在廊坊建成1.5MW 示范系統，系統效率達52.1%。目前，10MW級示范項目正在建設中。

　　（6）水下壓縮空氣儲能

　　水下壓縮空氣儲能屬于等壓壓縮空氣儲能的一種，該技術將壓縮空氣存儲在水下（如海底和湖底），利用水的靜壓特性保持儲氣的壓力恒定，保證壓縮機出口及膨脹機入口壓力恒定，從而使壓縮機和膨脹機始終工作在額定工況附近，不需要通過減壓閥進行壓力調整，減少能量損耗，提高系統效率。該系統不需要在儲氣空間保持一定的最小氣壓，使得空氣壓縮能可利用比率更高。此外，該系統安全性相對較高，即使發生失效事故，造成的破壞與危害也較小（如圖9）。

 

　　加拿大Hydrostor公司于2015年建成660kW實驗系統。英國諾丁漢大學研制了1.8米和直徑5米的儲氣包，并進行了實驗研究。其余如美國加州大學、佛羅里達大學、北卡羅來納大學、麻省理工大學、我國的中科院工程熱物理所、華北電力大學都進行了理論及實驗研究，目前尚無大規模示范項目建成。

　　（7）外部熱源補熱類壓縮空氣儲能

　　壓縮空氣儲能系統可以利用外界熱源來提升空氣做功發電能力，提高系統整體效率。其可利用的熱源包括太陽能熱利用，工業企業如冶金、化工、水泥、玻璃等行業的余熱廢熱，核電等發電廠的余熱，生物質制取的沼氣、合成氣等（如圖10）。
 

　　目前，應用較廣泛的是太陽能補熱型壓縮空氣儲能系統，該系統是利用太陽集熱裝置聚光形成溫度可達500℃以上的高溫熱源對壓縮空氣進行補熱升溫后，再推動透平膨脹做功，從而提高系統運行效率的儲能系統。

　　美國普渡大學、英國華威大學、英國諾丁漢大學、伊朗德黑蘭大學、中科院工程熱物理所、清華大學、華南理工大學等機構也開展了相關研究。

 

　　主要應用領域

　　壓縮空氣儲能技術最早主要用于電力系統的調峰和調頻，但隨著技術不斷發展和微小型壓縮空氣儲能技術的出現，其應用越來越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車動力系統、UPS電源等方面都得到了應用。

　?。?）電力系統調峰

　　目前，每日的用電負荷是波動變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當前的發電裝機容量與電網容量需按最大需求建設，導致用電低谷時發電機組停機或低負荷運行，以及電網容量的浪費。壓縮空氣儲能作為大規模容量型儲能技術，可將用電低谷多發出的電能儲存，在用電高峰釋放，實現電力系統削峰填谷，減少發電裝機及電網容量，提升電力系統效率和經濟性。

　?。?）可再生能源

　　可再生能源如風能、太陽能均具有間歇性、不穩定性，直接發電并網對電網沖擊很大，故棄風、棄光現象嚴重。壓縮空氣儲能技術可將間斷、不穩定、不可控的可再生能源發電儲存起來，再按照需求平穩、可控的釋放，具有平滑波動、跟蹤調度輸出、調峰調頻等功能，實現可再生能源電力大規模并網，有效解決棄風、棄光問題。

　　（3）分布式能源系統

　　分布式能源系統和微電網系統是未來高效、低碳、高安全性能源系統的主要發展趨勢之一。但分布式能源系統相較于大電網，具有負荷波動大、系統調節能力差、故障率高等缺點。壓縮空氣儲能可作為負荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問題，提高系統的供電可靠性、穩定性，并可實現黑啟動及孤網運行。由于壓縮空氣儲能技術過程中產生熱量，可以和制冷、制熱系統相結合，實現分布式能源系統的冷熱電聯產，具有很好的應用前景。

　?。?）電力系統調頻

　　壓縮空氣儲能電站可以和其他如燃氣輪機電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統調頻的作用。當壓縮空氣儲能電站與其他儲能技術如超級電容、飛輪儲能、化學電池等相結合時，調頻速度會更快更有效。

　　（5）其它應用

　　壓縮空氣儲能在其它領域也有較廣泛的應用，可以為汽車、高爾夫球車等移動設備提供動力；也可以作為不間斷電源（UPS），為數據機房、精密儀器制造、醫療設施、國防設施等關鍵部件提供保障性電源；系統經膨脹機做功發電后釋放的空氣由于溫度低且經過了凈化，還可用于空調系統為建筑提供新風和冷量。

 

　　挑戰及機遇

　　（1）技術性能需要進一步提升

　　雖然新型壓縮空氣儲能技術發展速度較快，但各項技術性能仍需進一步提升，尚不能完全滿足大規模推廣的要求。目前，新型壓縮空氣儲能最高效率為60%左右，距離高效電池儲能技術的效率（80%以上） 還有一定差距；其系統最大規模為10MW，尚未達到傳統壓縮空氣儲能百兆瓦規模； 其系統單位成本約為6000～10000元/kW暨1500～2500元/kWh，仍有足夠的下降空間。

　?。?）迫切需要開展大規模系統的技術攻關

　　大規?；菈嚎s空氣儲能技術的發展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。現已實現應用的新型壓縮空氣儲能技術規模偏小（1-10MW），還不能滿足對儲能規模和經濟性的要求。因此，迫切需要啟動更大規模（100MW級）的新型壓縮空氣儲能技術研發。

　?。?）研發力量尚顯不足

　　由于壓縮空氣儲能技術是一個多學科交叉的系統工程且單臺機組規模大，其技術研發門檻較高，需要組建大規模的研發團隊和大量的資金投入，故目前從事該技術研發的機構、團隊相對較少；由于系統內部件繁多，需要建設大量的部件及系統實驗平臺以完成關鍵技術攻關，目前全球范圍已建成的高水平研發平臺較少，未給予足夠的研發條件支撐。

　　（4）示范和應用亟需加強

　　新型壓縮空氣儲能技術的示范系統數量少，規模小，不能滿足技術發展的示范需求，迫切需要各國政府、企業加強政策引導、加大資金支持。目前大部分國家尚未形成系統的電價補償和激勵政策，全球商業運行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲能技術的推廣和應用。

　　隨著各國電價政策的逐漸完善，大規模壓縮空氣儲能示范項目的陸續建成，壓縮空氣儲能產業已經進入了發展的快車道。相信在良好的政策環境下，在產業鏈上下游的大力支持下，在科研機構持續不斷的技術革新下，壓縮空氣儲能技術一定會持續健康發展，快速實現大規模應用。

　　（該文研究獲得了國家重點研發計劃（2017YFB0903602）、國家自然科學基金（51676181）、中國科學院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-JSC023）、北京市科技計劃項目（D161100004616001 ；D161100004616002）的資助。）