【壓縮機網(wǎng)】引言
儲能技術(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)濟性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。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(yuǎn)低于世界2.7%的平均水平。預(yù)計到2050年，我國儲能裝機將達到200吉瓦以上，占發(fā)電總量的10%～15%，市場需求巨大而迫切。壓縮空氣儲能具有規(guī)模大、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C技術(shù)開發(fā)的儲能系統(tǒng)。在用電低谷，將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)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(qū)動透平發(fā)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(yè)應(yīng)用。但是傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)存在三個主要技術(shù)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(tǒng)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(shù)
為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的技術(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能技術(shù)研發(fā)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(tài)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(tǒng)示范的機構(gòu)共4家，分別是英國Highview公司（2兆瓦液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，2010年）、美國SustainX公司（1.5兆瓦等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2013年）、美國GeneralCompression公司（2兆瓦蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2012年）和中國科學(xué)院工程熱物理研究所（1.5兆瓦超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2013年和10兆瓦先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2016年）。其中，中國科學(xué)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(tǒng)，系統(tǒng)效率達60.2%，是全球目前效率最高規(guī)模最大的新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，目前中國科學(xué)院工程熱物理研究所正在研發(fā)國際首套100兆瓦級先進壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，預(yù)計2020年左右建成。
代表性新型壓縮空氣儲能技術(shù)包括：
（一）絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)在儲能時，通過壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)后，利用儲熱系統(tǒng)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(fā)電，如圖2。
該系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)備材料要求高。
（二）蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)同絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的區(qū)別在于該系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)缺點在于增加了多級換熱及儲熱，系統(tǒng)初投資有所增加。
（三）等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)效率，如圖4。
此外，該系統(tǒng)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(tài)空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能以實現(xiàn)能量存儲的技術(shù)。儲能時，系統(tǒng)驅(qū)動空氣分離及液化裝置，產(chǎn)生液化空氣，儲存于低溫儲罐中；釋能時，將低溫儲罐中液態(tài)空氣加壓吸熱，隨后驅(qū)動透平發(fā)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(xué)院工程熱物理研究所在國際上原創(chuàng)性地提出先進超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，可以同時解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的三大技術(shù)瓶頸。其工作原理是：儲能時，系統(tǒng)利用電力驅(qū)動壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，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(tài)空氣加壓回收冷量達到超臨界狀態(tài)，并進一步吸收壓縮熱后通過透平膨脹機驅(qū)動電機發(fā)電。該系統(tǒng)利用液態(tài)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(tǒng)效率。
壓縮空氣儲能主要應(yīng)用領(lǐng)域
（一）電力系統(tǒng)調(diào)峰
目前，每日的用電負(fù)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(guī)模容量型儲能技術(shù)，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲存，在用電高峰釋放，實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，減少發(fā)電裝機及電網(wǎng)容量，提升電力系統(tǒng)效率和經(jīng)濟性。
（二）可再生能源
可再生能源具有間歇性、不穩(wěn)定性，直接發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)沖擊很大，故棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。壓縮空氣儲能可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲存，再按照需求平穩(wěn)、可控的釋放，具有平滑波動、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能，實現(xiàn)可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)。
（三）分布式能源系統(tǒng)
分布式能源系統(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。但其相較于大電網(wǎng)，具有負(fù)荷波動大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等缺點。壓縮空氣儲能可作為負(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，并可實現(xiàn)黑啟動及孤網(wǎng)運行。
（四）電力系統(tǒng)調(diào)頻
壓縮空氣儲能電站可以同燃?xì)廨啓C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)該電站與其它儲能技術(shù)如超級電容、飛輪、化學(xué)電池等相結(jié)合，調(diào)頻速度會更快更有效。
（五）其它應(yīng)用
壓縮空氣儲能在其它領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如為汽車、高爾夫球車等移動設(shè)備提供動力；作為不間斷電源（UPS），為數(shù)據(jù)機房、精密儀器制造、醫(yī)療設(shè)施、國防設(shè)施等提供保障性電源；經(jīng)膨脹機做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經(jīng)過凈化，可用于空調(diào)系統(tǒng)為建筑提供新風(fēng)和冷量。
壓縮空氣儲能挑戰(zhàn)及前景
（一）技術(shù)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(tǒng)最大規(guī)模為10兆瓦，尚未達到傳統(tǒng)壓縮空氣儲能100兆瓦規(guī)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(tǒng)規(guī)模需進一步增大
大規(guī)模化是壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。現(xiàn)已實現(xiàn)應(yīng)用的新型壓縮空氣儲能技術(shù)規(guī)模偏小（1～10兆瓦），還不能滿足規(guī)模化和經(jīng)濟性的要求。因此，迫切需要啟動更大規(guī)模（100兆瓦級）的新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)，預(yù)計100兆瓦級新型壓縮空氣儲能技術(shù)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(yīng)用亟需加強
新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少，不能滿足技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的示范需求，迫切需要政府、企業(yè)加強政策引導(dǎo)、加大資金支持。目前尚未形成系統(tǒng)的電價補償和激勵政策，抽水蓄能的有關(guān)政策也不適用壓縮空氣儲能，全球商業(yè)運行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲能技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
隨著能源革命的逐步深入，儲能技術(shù)不斷發(fā)展，大規(guī)模壓縮空氣儲能示范項目的陸續(xù)建成，壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)也將進入發(fā)展快車道。相信在政府正確組織和領(lǐng)導(dǎo)下，在良好的政策環(huán)境下，在科研機構(gòu)和企業(yè)的共同努力下，壓縮空氣儲能技術(shù)一定會持續(xù)健康發(fā)展，快速實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
來源：壓縮機雜志第157期綜述欄目
儲能技術(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)濟性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。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(yuǎn)低于世界2.7%的平均水平。預(yù)計到2050年，我國儲能裝機將達到200吉瓦以上，占發(fā)電總量的10%～15%，市場需求巨大而迫切。壓縮空氣儲能具有規(guī)模大、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C技術(shù)開發(fā)的儲能系統(tǒng)。在用電低谷，將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)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(qū)動透平發(fā)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(yè)應(yīng)用。但是傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)存在三個主要技術(shù)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(tǒng)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(shù)
為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的技術(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能技術(shù)研發(fā)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(tài)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(tǒng)示范的機構(gòu)共4家，分別是英國Highview公司（2兆瓦液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，2010年）、美國SustainX公司（1.5兆瓦等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2013年）、美國GeneralCompression公司（2兆瓦蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2012年）和中國科學(xué)院工程熱物理研究所（1.5兆瓦超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2013年和10兆瓦先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2016年）。其中，中國科學(xué)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(tǒng)，系統(tǒng)效率達60.2%，是全球目前效率最高規(guī)模最大的新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，目前中國科學(xué)院工程熱物理研究所正在研發(fā)國際首套100兆瓦級先進壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，預(yù)計2020年左右建成。
代表性新型壓縮空氣儲能技術(shù)包括：
（一）絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)在儲能時，通過壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)后，利用儲熱系統(tǒng)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(fā)電，如圖2。
該系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)備材料要求高。
（二）蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)同絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的區(qū)別在于該系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)缺點在于增加了多級換熱及儲熱，系統(tǒng)初投資有所增加。
（三）等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)效率，如圖4。
此外，該系統(tǒng)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(tài)空氣儲能系統(tǒng)
該系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能以實現(xiàn)能量存儲的技術(shù)。儲能時，系統(tǒng)驅(qū)動空氣分離及液化裝置，產(chǎn)生液化空氣，儲存于低溫儲罐中；釋能時，將低溫儲罐中液態(tài)空氣加壓吸熱，隨后驅(qū)動透平發(fā)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(xué)院工程熱物理研究所在國際上原創(chuàng)性地提出先進超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，可以同時解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的三大技術(shù)瓶頸。其工作原理是：儲能時，系統(tǒng)利用電力驅(qū)動壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，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(tài)空氣加壓回收冷量達到超臨界狀態(tài)，并進一步吸收壓縮熱后通過透平膨脹機驅(qū)動電機發(fā)電。該系統(tǒng)利用液態(tài)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(tǒng)效率。
壓縮空氣儲能主要應(yīng)用領(lǐng)域
（一）電力系統(tǒng)調(diào)峰
目前，每日的用電負(fù)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(guī)模容量型儲能技術(shù)，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲存，在用電高峰釋放，實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，減少發(fā)電裝機及電網(wǎng)容量，提升電力系統(tǒng)效率和經(jīng)濟性。
（二）可再生能源
可再生能源具有間歇性、不穩(wěn)定性，直接發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)沖擊很大，故棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。壓縮空氣儲能可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲存，再按照需求平穩(wěn)、可控的釋放，具有平滑波動、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能，實現(xiàn)可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)。
（三）分布式能源系統(tǒng)
分布式能源系統(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。但其相較于大電網(wǎng)，具有負(fù)荷波動大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等缺點。壓縮空氣儲能可作為負(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，并可實現(xiàn)黑啟動及孤網(wǎng)運行。
（四）電力系統(tǒng)調(diào)頻
壓縮空氣儲能電站可以同燃?xì)廨啓C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)該電站與其它儲能技術(shù)如超級電容、飛輪、化學(xué)電池等相結(jié)合，調(diào)頻速度會更快更有效。
（五）其它應(yīng)用
壓縮空氣儲能在其它領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如為汽車、高爾夫球車等移動設(shè)備提供動力；作為不間斷電源（UPS），為數(shù)據(jù)機房、精密儀器制造、醫(yī)療設(shè)施、國防設(shè)施等提供保障性電源；經(jīng)膨脹機做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經(jīng)過凈化，可用于空調(diào)系統(tǒng)為建筑提供新風(fēng)和冷量。
壓縮空氣儲能挑戰(zhàn)及前景
（一）技術(shù)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(tǒng)最大規(guī)模為10兆瓦，尚未達到傳統(tǒng)壓縮空氣儲能100兆瓦規(guī)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(tǒng)規(guī)模需進一步增大
大規(guī)模化是壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。現(xiàn)已實現(xiàn)應(yīng)用的新型壓縮空氣儲能技術(shù)規(guī)模偏小（1～10兆瓦），還不能滿足規(guī)模化和經(jīng)濟性的要求。因此，迫切需要啟動更大規(guī)模（100兆瓦級）的新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)，預(yù)計100兆瓦級新型壓縮空氣儲能技術(shù)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(yīng)用亟需加強
新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少，不能滿足技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的示范需求，迫切需要政府、企業(yè)加強政策引導(dǎo)、加大資金支持。目前尚未形成系統(tǒng)的電價補償和激勵政策，抽水蓄能的有關(guān)政策也不適用壓縮空氣儲能，全球商業(yè)運行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲能技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
隨著能源革命的逐步深入，儲能技術(shù)不斷發(fā)展，大規(guī)模壓縮空氣儲能示范項目的陸續(xù)建成，壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)也將進入發(fā)展快車道。相信在政府正確組織和領(lǐng)導(dǎo)下，在良好的政策環(huán)境下，在科研機構(gòu)和企業(yè)的共同努力下，壓縮空氣儲能技術(shù)一定會持續(xù)健康發(fā)展，快速實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
來源：壓縮機雜志第157期綜述欄目
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