儲(chǔ)能技術(shù)是解決可再生能源大規(guī)模接入、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術(shù)。
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有規(guī)模大、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)概述
儲(chǔ)能技術(shù)可解決可再生能源大規(guī)模接入、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術(shù)。截至2016 年底，我國儲(chǔ)能裝機(jī)為24.2GW，約占全國電力總裝機(jī)的1.5%，遠(yuǎn)低于世界2.7% 的平均水平。預(yù)計(jì)到2050 年，我國儲(chǔ)能裝機(jī)將達(dá)到200GW 以上，占發(fā)電總量的10%~15%， 市場(chǎng)需求巨大而迫切。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有規(guī)模大、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。
目前，全球已有兩座大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能電站投入了商業(yè)運(yùn)行。
第一座是1978 年投入商業(yè)運(yùn)行的德國Huntorf 電站(圖1)。機(jī)組采用兩級(jí)壓縮兩級(jí)膨脹，壓縮機(jī)功率為60MW，膨脹機(jī)功率為290MW(2007 年擴(kuò)容至321MW)，壓縮空氣存儲(chǔ)在地下600 米的廢棄礦洞中，總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓力最高可達(dá)100bar。機(jī)組可連續(xù)充氣8 小時(shí)，連續(xù)發(fā)電2 小時(shí)。機(jī)組從靜止到滿負(fù)荷需要11 分鐘，冷態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷約需6 分鐘，電站效率為42%。
第二座是于1991 年投入商業(yè)運(yùn)行的美國McIntosh 電站(圖2)。其儲(chǔ)氣洞穴在地下450 米，總?cè)莘e達(dá)5.6×105m3，儲(chǔ)氣壓力約為75bar。該電站壓縮機(jī)功率為50MW，膨脹機(jī)功率為110MW，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)41 小時(shí)充氣和26 小時(shí)發(fā)電，機(jī)組從啟動(dòng)到滿負(fù)荷約需9 分鐘， 系統(tǒng)效率為54%。另外，日本于2001 年在北海道空知郡投運(yùn)了上砂川町2MW 壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)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(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。
以上商業(yè)電站均屬于傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)(圖3)。在用電低谷，壓縮機(jī)將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲(chǔ)起來;在用電高峰，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。
但傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)存在三個(gè)技術(shù)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?xiàng)l件建造大型儲(chǔ)氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等;三是系統(tǒng)效率較低(分別為42%、54%)，需進(jìn)一步提高。
新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)進(jìn)展
為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)瓶頸問題，近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)工作，包括絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能及等溫壓縮空氣儲(chǔ)能(不使用燃料)、液態(tài)空氣儲(chǔ)能(不使用大型儲(chǔ)氣室)、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能(不使用大型儲(chǔ)氣室、不使用燃料)等。
絕熱式壓縮空氣儲(chǔ)能
絕熱式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)通過儲(chǔ)熱裝置回收壓縮熱并儲(chǔ)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(chǔ)能密度及效率。其工作原理為：儲(chǔ)能時(shí)，通過壓縮機(jī)將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)后，通過儲(chǔ)熱系統(tǒng)將壓縮熱儲(chǔ)存，空氣降溫并儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。釋能時(shí)，將高壓空氣釋放，利用儲(chǔ)存的壓縮熱使空氣升溫，由高溫高壓空氣推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電。
該系統(tǒng)回收了壓縮熱并且再利用，使系統(tǒng)效率得到了較大提高，同時(shí)去除了燃燒室，實(shí)現(xiàn)了零排放。但由于壓縮機(jī)級(jí)間不回收熱量、冷卻空氣，故壓縮過程能耗較高。由于壓縮機(jī)出口的空氣溫度高，對(duì)設(shè)備材料要求高。
德國RWE Power 公司于2010 年啟動(dòng)ADELE 項(xiàng)目， 設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱溫度600 ℃， 設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣壓力100bar，理論設(shè)計(jì)效率可達(dá)70%，該項(xiàng)目一直處于論證階段。
蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能
蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能又被稱作先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，其原理同絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能類似，區(qū)別在于該系統(tǒng)在壓縮過程級(jí)間換熱及儲(chǔ)熱，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能在全部壓縮過程結(jié)束后儲(chǔ)熱。相較于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)熱溫度及儲(chǔ)能密度較低，但其壓縮機(jī)耗能減小，且對(duì)于壓縮機(jī)材料要求不高。該系統(tǒng)缺點(diǎn)在于增加了多級(jí)換熱及儲(chǔ)熱，系統(tǒng)初投資有所增加。
中國科學(xué)院工程熱物理研究所于2013 年在廊坊建成國內(nèi)首套1.5MW 蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，于2016 年在貴州畢節(jié)建成國際首套10MW 示范系統(tǒng)，效率達(dá)60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。
等溫壓縮空氣儲(chǔ)能
等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)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(huán)境，增大氣液接觸面積和接觸時(shí)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(tǒng)效率，其理論效率可達(dá)70% 以上。此外，該技術(shù)不必提供外部熱源，還可以減少部件的熱應(yīng)力。但該系統(tǒng)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(chǔ)到儲(chǔ)氣罐，造成部分能量損失。
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(tǒng)。美國General Compression 公司于2012 年在美國Texas 州建成2MW/500MWh 示范系統(tǒng)。目前，上述兩家公司已經(jīng)合并成立GCX 能源公司，繼續(xù)開展壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)工作。美國的Lightsail 公司也開展等溫壓縮空氣儲(chǔ)能研發(fā)，目前正在加拿大Nova Scotia 省建設(shè)500kW/3MWh 示范項(xiàng)目。
液態(tài)空氣儲(chǔ)能
液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)的技術(shù)。儲(chǔ)能時(shí)，利用富余電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將空氣壓縮、冷卻、液化后注入低溫儲(chǔ)罐儲(chǔ)存;發(fā)電時(shí)，液態(tài)空氣從儲(chǔ)罐中引出，加壓后送入蓄冷裝置將冷量?jī)?chǔ)存并使空氣升溫氣化，高壓氣態(tài)空氣通過換熱器進(jìn)一步升溫后進(jìn)入膨脹機(jī)做功發(fā)電。由于液態(tài)空氣的密度遠(yuǎn)大于氣態(tài)空氣，其儲(chǔ)氣室容積可減少約20 倍，大幅壓縮系統(tǒng)占地面積，綜合成本有下降的空間。但由于系統(tǒng)增加液化冷卻和氣化加熱過程，增加了額外損耗。
英國Highview 儲(chǔ)能公司于2010 年建成350kW/2.5MWh 液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)并成功投運(yùn)，目前正在開展5MW/15MWh 示范電站建設(shè)。中科院工程熱物理所于2013 年在廊坊建成1.5MW 液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。其余機(jī)構(gòu)如中科院理化技術(shù)研究所、智能電網(wǎng)研究院、東南大學(xué)、昆明理工大學(xué)等也開展了相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)研究。
超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能
2009 年，中科院工程熱物理所在國際上原創(chuàng)性地提出超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)利用超臨界狀態(tài)下的流體兼有液體和氣體的雙重優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)特性;同時(shí)也具有類似氣體的粘度小、擴(kuò)散系數(shù)大、滲透性好、互溶性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
其工作原理是：1)儲(chǔ)能過程，利用富余電能通過壓縮機(jī)將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，通過儲(chǔ)熱系統(tǒng)回收壓縮熱后，利用儲(chǔ)冷系統(tǒng)存儲(chǔ)的冷能將空氣冷卻液化，并儲(chǔ)于低溫儲(chǔ)罐中;2)釋能過程，液態(tài)空氣加壓后，通過儲(chǔ)冷系統(tǒng)將冷量?jī)?chǔ)存，空氣吸熱至超臨界狀態(tài)，并吸收儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)存的壓縮熱使空氣進(jìn)一步升溫，通過膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電。
目前，該技術(shù)為中科院工程熱物理所的專利技術(shù)。中科院工程熱物理所于2011 年在北京建成15kW 原理樣機(jī)，并于2013 年在廊坊建成1.5MW 示范系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達(dá)52.1%。目前，10MW 級(jí)示范項(xiàng)目正在建設(shè)中。
水下壓縮空氣儲(chǔ)能
水下壓縮空氣儲(chǔ)能屬于等壓壓縮空氣儲(chǔ)能的一種，該技術(shù)將壓縮空氣存儲(chǔ)在水下(如海底和湖底)，利用水的靜壓特性保持儲(chǔ)氣的壓力恒定，保證壓縮機(jī)出口及膨脹機(jī)入口壓力恒定，從而使壓縮機(jī)和膨脹機(jī)始終工作在額定工況附近，不需要通過減壓閥進(jìn)行壓力調(diào)整，減少能量損耗，提高系統(tǒng)效率。該系統(tǒng)不需要在儲(chǔ)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(tǒng)安全性相對(duì)較高，即使發(fā)生失效事故，造成的破壞與危害也較小。
加拿大Hydrostor 公司于2015 年建成660kW 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。英國諾丁漢大學(xué)研制了1.8 米和直徑5 米的儲(chǔ)氣包，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其余如美國加州大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、北卡羅來納大學(xué)、麻省理工大學(xué)、我國的中科院工程熱物理所、華北電力大學(xué)都進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，目前尚無大規(guī)模示范項(xiàng)目建成。
外部熱源補(bǔ)熱類壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用外界熱源來提升空氣做功發(fā)電能力，提高系統(tǒng)整體效率。其可利用的熱源包括太陽能熱利用，工業(yè)企業(yè)如冶金、化工、水泥、玻璃等行業(yè)的余熱廢熱，核電等發(fā)電廠的余熱，生物質(zhì)制取的沼氣、合成氣等。
目前，應(yīng)用較廣泛的是太陽能補(bǔ)熱型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽集熱裝置聚光形成溫度可達(dá)500℃以上的高溫?zé)嵩磳?duì)壓縮空氣進(jìn)行補(bǔ)熱升溫后，再推動(dòng)透平膨脹做功，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
美國普渡大學(xué)、英國華威大學(xué)、英國諾丁漢大學(xué)、伊朗德黑蘭大學(xué)、中科院工程熱物理所、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)研究。
主要應(yīng)用領(lǐng)域
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)最早主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰和調(diào)頻，但隨著技術(shù)不斷發(fā)展和微小型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，其應(yīng)用越來越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車動(dòng)力系統(tǒng)、UPS 電源等方面都得到了應(yīng)用。
電力系統(tǒng)調(diào)峰
目前，每日的用電負(fù)荷是波動(dòng)變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當(dāng)前的發(fā)電裝機(jī)容量與電網(wǎng)容量需按最大需求建設(shè)，導(dǎo)致用電低谷時(shí)發(fā)電機(jī)組停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行，以及電網(wǎng)容量的浪費(fèi)。壓縮空氣儲(chǔ)能作為大規(guī)模容量型儲(chǔ)能技術(shù)，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲(chǔ)存，在用電高峰釋放，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，減少發(fā)電裝機(jī)及電網(wǎng)容量，提升電力系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性。
可再生能源
可再生能源如風(fēng)能、太陽能均具有間歇性、不穩(wěn)定性，直接發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，故棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲(chǔ)存起來，再按照需求平穩(wěn)、可控的釋放，具有平滑波動(dòng)、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能，實(shí)現(xiàn)可再生能源電力大規(guī)模并網(wǎng)，有效解決棄風(fēng)、棄光問題。
分布式能源系統(tǒng)
分布式能源系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)是未來高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。但分布式能源系統(tǒng)相較于大電網(wǎng)，具有負(fù)荷波動(dòng)大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等缺點(diǎn)。壓縮空氣儲(chǔ)能可作為負(fù)荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問題，提高系統(tǒng)的供電可靠性、穩(wěn)定性，并可實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運(yùn)行。由于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)過程中產(chǎn)生熱量，可以和制冷、制熱系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。
電力系統(tǒng)調(diào)頻
壓縮空氣儲(chǔ)能電站可以和其他如燃?xì)廨啓C(jī)電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統(tǒng)調(diào)頻的作用。當(dāng)壓縮空氣儲(chǔ)能電站與其他儲(chǔ)能技術(shù)如超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、化學(xué)電池等相結(jié)合時(shí)，調(diào)頻速度會(huì)更快更有效。
其他應(yīng)用
壓縮空氣儲(chǔ)能在其他領(lǐng)域也有較廣泛的應(yīng)用，可以為汽車、高爾夫球車等移動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力;也可以作為不間斷電源(UPS)，為數(shù)據(jù)機(jī)房、精密儀器制造、醫(yī)療設(shè)施、國防設(shè)施等關(guān)鍵部件提供保障性電源;系統(tǒng)經(jīng)膨脹機(jī)做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經(jīng)過了凈化，還可用于空調(diào)系統(tǒng)為建筑提供新風(fēng)和冷量。
挑戰(zhàn)及機(jī)遇
技術(shù)性能需要進(jìn)一步提升
雖然新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展速度較快，但各項(xiàng)技術(shù)性能仍需進(jìn)一步提升，尚不能完全滿足大規(guī)模推廣的要求。目前，新型壓縮空氣儲(chǔ)能最高效率為60% 左右， 距離高效電池儲(chǔ)能技術(shù)的效率(80% 以上) 還有一定差距;其系統(tǒng)最大規(guī)模為10MW， 尚未達(dá)到傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能百兆瓦規(guī)模; 其系統(tǒng)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(guī)模系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)
大規(guī)模化是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)模偏小(1-10MW)，還不能滿足對(duì)儲(chǔ)能規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，迫切需要啟動(dòng)更大規(guī)模(100MW 級(jí))的新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)。
研發(fā)力量尚顯不足
由于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程且單臺(tái)機(jī)組規(guī)模大，其技術(shù)研發(fā)門檻較高，需要組建大規(guī)模的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和大量的資金投入，故目前從事該技術(shù)研發(fā)的機(jī)構(gòu)、團(tuán)隊(duì)相對(duì)較少;由于系統(tǒng)內(nèi)部件繁多，需要建設(shè)大量的部件及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，目前全球范圍已建成的高水平研發(fā)平臺(tái)較少，未給予足夠的研發(fā)條件支撐。
示范和應(yīng)用亟需加強(qiáng)
新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少，規(guī)模小，不能滿足技術(shù)發(fā)展的示范需求，迫切需要各國政府、企業(yè)加強(qiáng)政策引導(dǎo)、加大資金支持。目前大部分國家尚未形成系統(tǒng)的電價(jià)補(bǔ)償和激勵(lì)政策，全球商業(yè)運(yùn)行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
隨著各國電價(jià)政策的逐漸完善，大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的陸續(xù)建成，壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的快車道。相信在良好的政策環(huán)境下，在產(chǎn)業(yè)鏈上下游的大力支持下，在科研機(jī)構(gòu)持續(xù)不斷的技術(shù)革新下，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)一定會(huì)持續(xù)健康發(fā)展，快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
(該文研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0903602)、國家自然科學(xué)基金(51676181)、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDB-SSW-JSC023)、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D161100004616001 ;D161100004616002)的資助。)
