【壓縮機網】引言

　　儲能技術是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和戰略性新興產業。截至2017年底，我國儲能裝機為28.9吉瓦，約占全國電力總裝機的1.6%，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200吉瓦以上，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。

 

　　傳統壓縮空氣儲能技術

　　傳統壓縮空氣儲能系統是基于燃氣輪機技術開發的儲能系統。在用電低谷，將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉化為空氣內能存儲起來；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，如圖1。

        目前已在德國（Huntorf 290兆瓦）和美國（McIntosh110兆瓦）得到了商業應用。但是傳統壓縮空氣儲能系統存在三個主要技術瓶頸，一是依賴天然氣等化石燃料提供熱源；二是需要依賴大型儲氣洞穴，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等；三是系統效率較低，Huntorf和McIntosh電站效率分別為42%和54%。

 

　　新型壓縮空氣儲能技術

　　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、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（不使用大型儲氣洞穴）、超臨界壓縮空氣儲能和先進壓縮空氣儲能（不使用大型儲氣洞穴、不使用燃料）等。目前，國際上已建成兆瓦級新型壓縮空氣儲能系統示范的機構共4家，分別是英國Highview公司（2兆瓦液態空氣儲能系統，2010年）、美國SustainX公司（1.5兆瓦等溫壓縮空氣儲能系統，2013年）、美國GeneralCompression公司（2兆瓦蓄熱式壓縮空氣儲能系統，2012年）和中國科學院工程熱物理研究所（1.5兆瓦超臨界壓縮空氣儲能系統，2013年和10兆瓦先進壓縮空氣儲能系統，2016年）。其中，中國科學院工程熱物理研究所于2016年建成國際首套10兆瓦先進壓縮空氣儲能示范系統，系統效率達60.2%，是全球目前效率最高規模最大的新型壓縮空氣儲能系統，目前中國科學院工程熱物理研究所正在研發國際首套100兆瓦級先進壓縮空氣儲能示范系統，預計2020年左右建成。

　　代表性新型壓縮空氣儲能技術包括：

　　（一）絕熱壓縮空氣儲能系統

　　該系統在儲能時，通過壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態后，利用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，然后推動膨脹機做功發電，如圖2。

       該系統回收壓縮熱再利用，使效率得到了提高，同時去除了燃燒室，實現了零排放，但壓縮過程能耗較高，由于壓縮機出口的空氣溫度高，對設備材料要求高。

　　（二）蓄熱式壓縮空氣儲能系統

　　該系統同絕熱壓縮空氣儲能系統的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，如圖3。

      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。

　　（三）等溫壓縮空氣儲能系統

　　該系統采用一定措施（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，如圖4。

       此外，該系統不需要補燃，擺脫了對化石燃料的依賴，但未擺脫對大型儲氣洞穴的依賴。

　　（四）液態空氣儲能系統

　　該系統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，系統驅動空氣分離及液化裝置，產生液化空氣，儲存于低溫儲罐中；釋能時，將低溫儲罐中液態空氣加壓吸熱，隨后驅動透平發電，如圖5。

      由于空氣的液化存儲，大幅減少存儲裝置尺寸，從而不需要大型儲氣室。

　　（五）超臨界壓縮空氣儲能

　　2009年，中國科學院工程熱物理研究所在國際上原創性地提出先進超臨界壓縮空氣儲能技術，可以同時解決傳統壓縮空氣儲能系統的三大技術瓶頸。其工作原理是：儲能時，系統利用電力驅動壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態，在回收壓縮熱后利用存儲的冷能將其冷卻液化，并儲于低溫儲罐中；釋能時，液態空氣加壓回收冷量達到超臨界狀態，并進一步吸收壓縮熱后通過透平膨脹機驅動電機發電。該系統利用液態空氣存儲提高儲能密度，解決了對大型儲氣室的依賴；利用壓縮熱回收解決了對化石燃料的依賴，并進一步提高了系統效率。

 

　　壓縮空氣儲能主要應用領域

　　（一）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。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。

　　（二）可再生能源

　　可再生能源具有間歇性、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。壓縮空氣儲能可將間斷、不穩定、不可控的可再生能源發電儲存，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，實現可再生能源發電大規模并網。

　　（三）分布式能源系統

　　分布式能源系統是未來高效、低碳、高安全性能源系統的主要發展趨勢。但其相較于大電網，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。

　　（四）電力系統調頻

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

　　（五）其它應用

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

 

　　壓縮空氣儲能挑戰及前景

　　（一）技術性能需要進一步提升

　　目前，新型壓縮空氣儲能最高效率為60%左右，同300兆瓦級抽水蓄能的效率70%～75%相比尚有提升空間；其系統最大規模為10兆瓦，尚未達到傳統壓縮空氣儲能100兆瓦規模；其單位成本約為6000～10000元/千瓦暨1500～2500元/千瓦時，仍有下降空間。

　　（二）系統規模需進一步增大

　　大規模化是壓縮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（1～10兆瓦），還不能滿足規模化和經濟性的要求。因此，迫切需要啟動更大規模（100兆瓦級）的新型壓縮空氣儲能技術研發，預計100兆瓦級新型壓縮空氣儲能技術的效率可以提高到70%，其單位成本可降為約為4000元/千瓦左右暨1000元/千瓦時左右。

　　（三）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，不能滿足技術發展和大規模應用的示范需求，迫切需要政府、企業加強政策引導、加大資金支持。目前尚未形成系統的電價補償和激勵政策，抽水蓄能的有關政策也不適用壓縮空氣儲能，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。

　　隨著能源革命的逐步深入，儲能技術不斷發展，大規模壓縮空氣儲能示范項目的陸續建成，壓縮空氣儲能產業也將進入發展快車道。相信在政府正確組織和領導下，在良好的政策環境下，在科研機構和企業的共同努力下，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。

來源：壓縮機雜志第157期綜述欄目