【壓縮機(jī)網(wǎng)】壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展面臨的一個(gè)比較大的限制是儲(chǔ)氣，如果要低成本發(fā)展，大容量的地下儲(chǔ)氣場所必不可少，一個(gè)300MW×5小時(shí)的壓縮空氣項(xiàng)目需要的儲(chǔ)氣空間就超過50萬立方。

　　儲(chǔ)氣設(shè)施是壓縮空氣儲(chǔ)能電站的主要組成部分，既是電站建設(shè)成本和選址的決定因素，也是其運(yùn)行能效和安全性的技術(shù)關(guān)鍵。

　　1.儲(chǔ)氣庫分類

　　根據(jù)儲(chǔ)氣方式，壓縮空氣儲(chǔ)能可以分為地面儲(chǔ)能、地下儲(chǔ)能和水下儲(chǔ)能3種建設(shè)模式。

　　水下儲(chǔ)能是以海底或湖底的人造球、儲(chǔ)氣罐等作為儲(chǔ)氣裝置，現(xiàn)階段應(yīng)用較少，暫且按下不表。

　　地面儲(chǔ)能以金屬材料壓力容器或其它材料儲(chǔ)氣倉作為儲(chǔ)氣裝置，其中又以金屬容器儲(chǔ)氣作為壓縮空氣地面儲(chǔ)存的主要形式，具有安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活選址、建設(shè)工程量小、建設(shè)周期短，在小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

　　金屬容器儲(chǔ)氣一般分為鋼瓶儲(chǔ)氣、管道儲(chǔ)氣和金屬壓力罐儲(chǔ)氣3種。相比鋼瓶儲(chǔ)氣，直徑較小的壓力管道儲(chǔ)氣便于集成管網(wǎng)形成規(guī)模，安裝布置更加靈活，目前在我國貴州10MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中得到應(yīng)用，中儲(chǔ)國能張家口100MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目亦采用儲(chǔ)氣鋼管+人工硐室地上與地下結(jié)合的儲(chǔ)氣方式。

　　地下儲(chǔ)能以礦洞、鹽穴、含水層、枯竭油氣層或人工硐室等作為儲(chǔ)氣裝置。

　　鹽穴是鹽礦開采后留下的礦洞，具有體積大、密閉性好、儲(chǔ)氣壓力高、成本低、力學(xué)性能穩(wěn)定、占地面積小等特點(diǎn)，我國鹽穴資源豐富，已利用的鹽穴約0.2%，大部分鹽穴都處于閑置狀態(tài)，未來可利用的空間較大。

　　為提高地下儲(chǔ)氣庫的經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)外亦積極探索利用改造廢棄礦洞建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫的可行性。我國作為礦產(chǎn)資源大國，在各種金屬礦、非金屬礦的開采過程中形成了數(shù)億立方米的開采空間，大量的礦井已因資源的枯竭而報(bào)廢。這些廢棄礦井和巷道經(jīng)過改造后具有作為地下儲(chǔ)氣庫的潛力，利用廢棄礦井建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的地下儲(chǔ)氣庫能降低投資成本。

　　然而以廣泛存在的廢棄煤礦礦井及巷道為例，對(duì)其進(jìn)行利用存在著空間穩(wěn)定性不足、存在巷道坍塌和地面沉陷風(fēng)險(xiǎn)、埋深大帶來的地下水處理難度大、煤礦瓦斯等有害氣體處置等一系列問題需要研究解決。

　　2019年8月16日，全球首個(gè)基于煤礦礦洞的壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目于山西省大同市云岡區(qū)開工。項(xiàng)目基于清華大學(xué)電機(jī)系盧強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)技術(shù)，利用約7500m長的廢棄煤礦巷道進(jìn)行高壓儲(chǔ)氣，可用容積達(dá)9萬余m3。基于地質(zhì)賦存、采掘條件的復(fù)雜性，廢棄煤礦壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)整體處于初級(jí)階段，關(guān)鍵技術(shù)與工程示范方面均需進(jìn)一步研究。對(duì)于大規(guī)模的廢棄金屬礦來說，其伴生巖層的巖體質(zhì)量相對(duì)較好、抗壓強(qiáng)度高，變形模量大，巷道及豎井的穩(wěn)定性較高，改造的技術(shù)難度和相關(guān)環(huán)境問題相對(duì)較小，因此更適合于改造成為壓縮空氣儲(chǔ)能電站的地下儲(chǔ)氣庫。

　　適合壓縮空氣儲(chǔ)能的廢棄或天然地下洞穴資源有限且選址不一定符合實(shí)際需求，而地面高壓儲(chǔ)氣罐造價(jià)高且需要占用地面，因而人們把目光投向人造地下儲(chǔ)氣室。一方面可以擺脫對(duì)洞穴資源的限制；另一方面可以大大減少對(duì)地面的占用，從而使得地下人工硐室成為一種重要的工程方案。

　　人造硐室是基于成熟的地下巖體工程技術(shù)，通過在地下連續(xù)巖體中人工開挖成型獲取大容量圍巖硐室，可以用于大容量高壓空氣存儲(chǔ)。人工硐室一般需要建造在硬巖層中，由混凝土、密封層、圍巖等組成。儲(chǔ)氣室由圍巖承受壓力最高時(shí)的載荷，混凝土和密封層保證氣密性，防止漏氣。相比于傳統(tǒng)洞穴儲(chǔ)氣，人造硐室儲(chǔ)氣方式的密閉性更好，能承受更高的儲(chǔ)氣壓力，可在一定程度上減少電站對(duì)地形條件的依賴。

　　2.成本分析

　　儲(chǔ)氣方式對(duì)系統(tǒng)造價(jià)影響較大。綜合分析國內(nèi)已完成可研設(shè)計(jì)或正在開展可研設(shè)計(jì)的項(xiàng)目資料，考慮三種主要儲(chǔ)氣方式的平均造價(jià)水平：鹽穴儲(chǔ)氣造價(jià)較低，約100元/kWh，條件較好的鹽穴造價(jià)可進(jìn)一步降低；人工硐室造價(jià)約500元/kWh；管線鋼儲(chǔ)氣造價(jià)約1500元/kWh。對(duì)于放電時(shí)長5小時(shí)的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目，人工硐室相比于鹽穴儲(chǔ)氣增加造價(jià)2000元/kW，管線鋼儲(chǔ)氣相比于鹽穴儲(chǔ)氣增加造價(jià)7000元/kW。

　　同一儲(chǔ)氣方式下具體工藝和施工方案對(duì)造價(jià)也有一定影響。以人工硐室為例，不同的地質(zhì)條件、開挖方案、支護(hù)方案、密封方案均會(huì)造成工程量費(fèi)用差異。綜合目前在建和正在開展前期工作的項(xiàng)目來看，硐室單位造價(jià)大約在2000-3500元/m3。

　　考慮用穴用地成本，人工硐室與鹽穴儲(chǔ)氣投資差縮小，管線鋼儲(chǔ)氣與另外兩種儲(chǔ)氣方式投資差增大。

　　根據(jù)目前已有工程數(shù)據(jù)，2×300MW×5h壓縮空氣鹽穴租金每年800萬元，按照30年，年利率4.5%，折算現(xiàn)值為13600萬元，即45元/kWh。鹽穴儲(chǔ)氣庫不僅可用于壓縮空氣儲(chǔ)能，也廣泛應(yīng)用于石油天然氣的存儲(chǔ)，因此在鹽穴資源緊缺情況下，租賃成本可能進(jìn)一步增加。管線鋼相比于鹽穴和人工硐室增加的用地成本主要為征地費(fèi)用。5MW×2h壓縮空氣儲(chǔ)能管線鋼占地約4500m2（約7畝），不同地區(qū)征地價(jià)格不同，一般在10-20萬元/畝，按照15萬元/畝計(jì)算，管線鋼增加的用電成本約105元/kWh。

　　綜合預(yù)計(jì)，未來鹽穴儲(chǔ)氣方式考慮租賃后成本造價(jià)略有上升，約150元/kWh；人工硐室約降至400元/kWh；管線鋼約降至1300元/Wh。對(duì)于放電時(shí)長為5h的系統(tǒng)，鹽穴儲(chǔ)氣造價(jià)約750元/kW；人工硐室約降至2000元/kW；管線鋼約降至6500元/kW。

　　由于大型壓縮空氣儲(chǔ)能電站需要較大的儲(chǔ)氣空間，地上儲(chǔ)氣庫一般只適用于中小型電站，且單位投資成本普遍高于地下儲(chǔ)氣庫。因此，從經(jīng)濟(jì)性和儲(chǔ)氣規(guī)模考量，現(xiàn)階段在建、規(guī)劃項(xiàng)目多采用地下儲(chǔ)氣庫。

　　3.如何降本

　　人工硐室造價(jià)主要為建安工程費(fèi)，造價(jià)下降依賴于未來硐室建造技術(shù)的進(jìn)一步突破。

　　管線鋼儲(chǔ)氣環(huán)節(jié)造價(jià)約60%-70%在于管材、10%-20%在于焊材和焊接工藝、其他部分主要包括施工和防腐等，造價(jià)下降主要依賴于未來材料技術(shù)的進(jìn)步。

　　綜合來看，鹽穴儲(chǔ)氣庫多基于已開采完成的老腔，主要成本在于初期改造和后期維護(hù)，建設(shè)投資成本相對(duì)較小，但鹽巖地層具有地區(qū)局限性，且存在鹽穴蠕變、鹽巖夾層變形破壞誘發(fā)鹽穴失效問題；地下礦洞改造與新建硬巖儲(chǔ)氣庫中新建洞穴均需一定量的建設(shè)投資；地下礦洞改造的主要問題是地下瓦斯等有毒氣體的影響及煤巖的損傷可能對(duì)儲(chǔ)氣庫建設(shè)投資和后期運(yùn)營影響較大，新建硬巖儲(chǔ)氣問題相對(duì)較少，主要在于洞穴開挖和襯砌支護(hù)等相關(guān)投資能否控制在一定合理范圍內(nèi)。

　　“地下決定成敗，地上決定好壞。”中能建數(shù)科集團(tuán)黨委書記、董事長萬明忠曾形象地表示。那么，壓縮空氣儲(chǔ)氣庫該如何降本？

　　①由于鋼材單價(jià)較高，大型壓縮空氣電站采用高壓鋼罐儲(chǔ)氣造價(jià)最高，初步估算可占電站總投資的30%以上，經(jīng)濟(jì)性最差。但從布置條件來說，高壓鋼罐不受廠區(qū)地質(zhì)條件限制，可以更靠近負(fù)荷中心，甚至布置在城市里。對(duì)于未來火電容量替代的應(yīng)用場景，如直接利用火電廠廠址改造儲(chǔ)能設(shè)施，采用地面儲(chǔ)氣罐是更可行的方式。為進(jìn)一步降低造價(jià)，應(yīng)盡量少用鋼材，在高分子材料鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)容器等方面開展研究。

　　②鹽穴儲(chǔ)氣庫多基于已開采完成的老腔，主要成本在于初期改造和后期維護(hù)，建設(shè)投資成本相對(duì)較小，但鹽巖儲(chǔ)氣庫存在選點(diǎn)局限性、鹽穴失效、輸氣管道受限發(fā)電效率低等問題。

　　③廢棄礦洞改造儲(chǔ)氣庫工程造價(jià)適中，但不同礦洞的地質(zhì)條件相差較大，工程投資不確定性可能較大。對(duì)于煤礦而言，地下瓦斯等有毒氣體和煤巖損傷等可能影響后期運(yùn)營。

　　④新建人工硐室儲(chǔ)氣庫布置限制最少，單位造價(jià)最高，運(yùn)行問題相對(duì)較少。隨著壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的規(guī)模化發(fā)展，地下工程的建設(shè)費(fèi)用有一定下降空間。另可考慮開挖料綜合利用、開發(fā)新型襯砌結(jié)構(gòu)和密封材料等，以進(jìn)一步降低造價(jià)。