【壓縮機網(wǎng)】引言
儲能技術(shù)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(jīng)濟性的迫切需要，被稱(chēng)為能源革命的支撐技術(shù)和戰略性新興產(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(fā)電總量的10%～15%，市場(chǎng)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(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認為是最具發(fā)展潛力的大規模儲能技術(shù)之一。
傳統壓縮空氣儲能技術(shù)
傳統壓縮空氣儲能系統是基于燃氣輪機技術(shù)開(kāi)發(fā)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(lái)；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅動(dòng)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)應用。但是傳統壓縮空氣儲能系統存在三個(gè)主要技術(shù)瓶頸，一是依賴(lài)天然氣等化石燃料提供熱源；二是需要依賴(lài)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(shù)
為解決傳統壓縮空氣儲能的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，近年來(lái)，國內外學(xué)者開(kāi)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(jìn)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(tài)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(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，2013年和10兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲能系統，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(jìn)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(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(jìn)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(shù)包括：
?。ㄒ唬┙^熱壓縮空氣儲能系統
該系統在儲能時(shí)，通過(guò)壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)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(shí)，將高壓空氣釋放，利用儲存的壓縮熱使空氣升溫，然后推動(dòng)膨脹機做功發(fā)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(shí)去除了燃燒室，實(shí)現了零排放，但壓縮過(guò)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。
?。ǘ┬顭崾綁嚎s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(guò)程級間換熱及儲熱，絕熱壓縮空氣儲能在全部壓縮過(guò)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(diǎn)在于增加了多級換熱及儲熱，系統初投資有所增加。
?。ㄈ┑葴貕嚎s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(guò)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(guò)程中無(wú)限接近于等溫過(guò)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(lài)，但未擺脫對大型儲氣洞穴的依賴(lài)。
?。ㄋ模┮簯B(tài)空氣儲能系統
該系統是將電能轉化為液態(tài)空氣的內能以實(shí)現能量存儲的技術(shù)。儲能時(shí)，系統驅動(dòng)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(shí)，將低溫儲罐中液態(tài)空氣加壓吸熱，隨后驅動(dòng)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。
?。ㄎ澹┏R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(jìn)超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，可以同時(shí)解決傳統壓縮空氣儲能系統的三大技術(shù)瓶頸。其工作原理是：儲能時(shí)，系統利用電力驅動(dòng)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(shí)，液態(tài)空氣加壓回收冷量達到超臨界狀態(tài)，并進(jìn)一步吸收壓縮熱后通過(guò)透平膨脹機驅動(dòng)電機發(fā)電。該系統利用液態(tài)空氣存儲提高儲能密度，解決了對大型儲氣室的依賴(lài)；利用壓縮熱回收解決了對化石燃料的依賴(lài)，并進(jìn)一步提高了系統效率。
壓縮空氣儲能主要應用領(lǐng)域
?。ㄒ唬╇娏ο到y調峰
目前，每日的用電負荷是波動(dòng)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(shù)，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲存，在用電高峰釋放，實(shí)現電力系統削峰填谷，減少發(fā)電裝機及電網(wǎng)容量，提升電力系統效率和經(jīng)濟性。
?。ǘ┛稍偕茉?/strong>
可再生能源具有間歇性、不穩定性，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(fā)電儲存，再按照需求平穩、可控的釋放，具有平滑波動(dòng)、跟蹤調度輸出、調峰調頻等功能，實(shí)現可再生能源發(fā)電大規模并網(wǎng)。
?。ㄈ┓植际侥茉聪到y
分布式能源系統是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統的主要發(fā)展趨勢。但其相較于大電網(wǎng)，具有負荷波動(dòng)大、系統調節能力差、故障率高等缺點(diǎn)。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(wèn)題，提高系統的供電可靠性、穩定性，并可實(shí)現黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運行。
?。ㄋ模╇娏ο到y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(shù)如超級電容、飛輪、化學(xué)電池等相結合，調頻速度會(huì )更快更有效。
?。ㄎ澹┢渌鼞?/strong>
壓縮空氣儲能在其它領(lǐng)域也有廣泛應用，如為汽車(chē)、高爾夫球車(chē)等移動(dòng)設備提供動(dòng)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(jīng)膨脹機做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經(jīng)過(guò)凈化，可用于空調系統為建筑提供新風(fēng)和冷量。
壓縮空氣儲能挑戰及前景
?。ㄒ唬┘夹g(shù)性能需要進(jìn)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(shí)，仍有下降空間。
?。ǘ┫到y規模需進(jìn)一步增大
大規?；菈嚎s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?，F已實(shí)現應用的新型壓縮空氣儲能技術(shù)規模偏?。?～10兆瓦），還不能滿(mǎn)足規?；徒?jīng)濟性的要求。因此，迫切需要啟動(dòng)更大規模（100兆瓦級）的新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)，預計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(shí)左右。
?。ㄈ┦痉逗蛻秘叫杓訌?/strong>
新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統數量少，不能滿(mǎn)足技術(shù)發(fā)展和大規模應用的示范需求，迫切需要政府、企業(yè)加強政策引導、加大資金支持。目前尚未形成系統的電價(jià)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)的推廣和應用。
隨著(zhù)能源革命的逐步深入，儲能技術(shù)不斷發(fā)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(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道。相信在政府正確組織和領(lǐng)導下，在良好的政策環(huán)境下，在科研機構和企業(yè)的共同努力下，壓縮空氣儲能技術(shù)一定會(huì )持續健康發(fā)展，快速實(shí)現大規模應用。
來(lái)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(jīng)濟性的迫切需要，被稱(chēng)為能源革命的支撐技術(shù)和戰略性新興產(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(fā)電總量的10%～15%，市場(chǎng)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(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認為是最具發(fā)展潛力的大規模儲能技術(shù)之一。
傳統壓縮空氣儲能技術(shù)
傳統壓縮空氣儲能系統是基于燃氣輪機技術(shù)開(kāi)發(fā)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(lái)；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅動(dòng)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)應用。但是傳統壓縮空氣儲能系統存在三個(gè)主要技術(shù)瓶頸，一是依賴(lài)天然氣等化石燃料提供熱源；二是需要依賴(lài)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(shù)
為解決傳統壓縮空氣儲能的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，近年來(lái)，國內外學(xué)者開(kāi)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(jìn)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(tài)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(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，2013年和10兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲能系統，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(jìn)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(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(jìn)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(shù)包括：
?。ㄒ唬┙^熱壓縮空氣儲能系統
該系統在儲能時(shí)，通過(guò)壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)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(shí)，將高壓空氣釋放，利用儲存的壓縮熱使空氣升溫，然后推動(dòng)膨脹機做功發(fā)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(shí)去除了燃燒室，實(shí)現了零排放，但壓縮過(guò)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。
?。ǘ┬顭崾綁嚎s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(guò)程級間換熱及儲熱，絕熱壓縮空氣儲能在全部壓縮過(guò)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(diǎn)在于增加了多級換熱及儲熱，系統初投資有所增加。
?。ㄈ┑葴貕嚎s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(guò)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(guò)程中無(wú)限接近于等溫過(guò)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(lài)，但未擺脫對大型儲氣洞穴的依賴(lài)。
?。ㄋ模┮簯B(tài)空氣儲能系統
該系統是將電能轉化為液態(tài)空氣的內能以實(shí)現能量存儲的技術(shù)。儲能時(shí)，系統驅動(dòng)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(shí)，將低溫儲罐中液態(tài)空氣加壓吸熱，隨后驅動(dòng)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。
?。ㄎ澹┏R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(jìn)超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，可以同時(shí)解決傳統壓縮空氣儲能系統的三大技術(shù)瓶頸。其工作原理是：儲能時(shí)，系統利用電力驅動(dòng)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(shí)，液態(tài)空氣加壓回收冷量達到超臨界狀態(tài)，并進(jìn)一步吸收壓縮熱后通過(guò)透平膨脹機驅動(dòng)電機發(fā)電。該系統利用液態(tài)空氣存儲提高儲能密度，解決了對大型儲氣室的依賴(lài)；利用壓縮熱回收解決了對化石燃料的依賴(lài)，并進(jìn)一步提高了系統效率。
壓縮空氣儲能主要應用領(lǐng)域
?。ㄒ唬╇娏ο到y調峰
目前，每日的用電負荷是波動(dòng)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(shù)，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲存，在用電高峰釋放，實(shí)現電力系統削峰填谷，減少發(fā)電裝機及電網(wǎng)容量，提升電力系統效率和經(jīng)濟性。
?。ǘ┛稍偕茉?/strong>
可再生能源具有間歇性、不穩定性，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(fā)電儲存，再按照需求平穩、可控的釋放，具有平滑波動(dòng)、跟蹤調度輸出、調峰調頻等功能，實(shí)現可再生能源發(fā)電大規模并網(wǎng)。
?。ㄈ┓植际侥茉聪到y
分布式能源系統是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統的主要發(fā)展趨勢。但其相較于大電網(wǎng)，具有負荷波動(dòng)大、系統調節能力差、故障率高等缺點(diǎn)。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(wèn)題，提高系統的供電可靠性、穩定性，并可實(shí)現黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運行。
?。ㄋ模╇娏ο到y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(shù)如超級電容、飛輪、化學(xué)電池等相結合，調頻速度會(huì )更快更有效。
?。ㄎ澹┢渌鼞?/strong>
壓縮空氣儲能在其它領(lǐng)域也有廣泛應用，如為汽車(chē)、高爾夫球車(chē)等移動(dòng)設備提供動(dòng)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(jīng)膨脹機做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經(jīng)過(guò)凈化，可用于空調系統為建筑提供新風(fēng)和冷量。
壓縮空氣儲能挑戰及前景
?。ㄒ唬┘夹g(shù)性能需要進(jìn)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(shí)，仍有下降空間。
?。ǘ┫到y規模需進(jìn)一步增大
大規?；菈嚎s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?，F已實(shí)現應用的新型壓縮空氣儲能技術(shù)規模偏?。?～10兆瓦），還不能滿(mǎn)足規?；徒?jīng)濟性的要求。因此，迫切需要啟動(dòng)更大規模（100兆瓦級）的新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)，預計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(shí)左右。
?。ㄈ┦痉逗蛻秘叫杓訌?/strong>
新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統數量少，不能滿(mǎn)足技術(shù)發(fā)展和大規模應用的示范需求，迫切需要政府、企業(yè)加強政策引導、加大資金支持。目前尚未形成系統的電價(jià)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)的推廣和應用。
隨著(zhù)能源革命的逐步深入，儲能技術(shù)不斷發(fā)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(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道。相信在政府正確組織和領(lǐng)導下，在良好的政策環(huán)境下，在科研機構和企業(yè)的共同努力下，壓縮空氣儲能技術(shù)一定會(huì )持續健康發(fā)展，快速實(shí)現大規模應用。
來(lái)源：壓縮機雜志第157期綜述欄目
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