【壓縮機網(wǎng)】壓縮空氣儲能技術(shù)概述
儲能技術(shù)可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)。截至2016年底，我國儲能裝機為24.2GW，約占全國電力總裝機的1.5%，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。壓縮空氣儲能系統具有規模大、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。
目前，全球已有兩座大規模壓縮空氣儲能電站投入了商業(yè)運行。
第一座是1978年投入商業(yè)運行的德國Huntorf 電站（圖1）。機組采用兩級壓縮兩級膨脹，壓縮機功率為60MW，膨脹機功率為290MW（2007年擴容至321MW），壓縮空氣存儲在地下600米的廢棄礦洞中，總容積達3.1×105m3，壓力最高可達100bar。機組可連續充氣8小時(shí)，連續發(fā)電2小時(shí)。機組從靜止到滿(mǎn)負荷需要11分鐘，冷態(tài)啟動(dòng)至滿(mǎn)負荷約需6分鐘，電站效率為42%。
第二座是于1991年投入商業(yè)運行的美國McIntosh電站（圖2）。其儲氣洞穴在地下450米，總容積達5.6×105m3，儲氣壓力約為75bar。該電站壓縮機功率為50MW，膨脹機功率為110MW，可實(shí)現連續41小時(shí)充氣和26小時(shí)發(fā)電，機組從啟動(dòng)到滿(mǎn)負荷約需9分鐘，系統效率為54%。另外，日本于2001年在北海道空知郡投運了上砂川町2MW壓縮空氣儲能示范項目。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(kāi)發(fā)壓縮空氣儲能電站。
以上商業(yè)電站均屬于傳統壓縮空氣儲能技術(shù)（圖3）。在用電低谷，壓縮機將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來(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。
但傳統壓縮空氣儲能系統存在三個(gè)技術(shù)瓶頸，一是依賴(lài)天然氣等化石燃料提供熱源，不適合我國這類(lèi)“缺油少氣”的國家；二是需要特殊地理條件建造大型儲氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等；三是系統效率較低（分別為42%、54%），需進(jìn)一步提高。
新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)進(jìn)展
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，包括絕熱壓縮空氣儲能、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（不使用大型儲氣室）、超臨界壓縮空氣儲能（不使用大型儲氣室、不使用燃料）等。
（1）絕熱式壓縮空氣儲能
絕熱式壓縮空氣儲能技術(shù)通過(guò)儲熱裝置回收壓縮熱并儲存，使壓縮及膨脹過(guò)程近似于絕熱過(guò)程，不必燃燒化石燃料，并且能保持較高的儲能密度及效率。其工作原理為：儲能時(shí)，通過(guò)壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)后，通過(guò)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，由高溫高壓空氣推動(dòng)膨脹機做功發(fā)電（如圖4）。
該系統回收了壓縮熱并且再利用，使系統效率得到了較大提高，同時(shí)去除了燃燒室，實(shí)現了零排放。但由于壓縮機級間不回收熱量、冷卻空氣，故壓縮過(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。
德國RWE Power公司于2010年啟動(dòng)ADELE項目，設計儲熱溫度600℃，設計儲氣壓力100bar，理論設計效率可達70%，該項目處于論證階段。
（2）蓄熱式壓縮空氣儲能
蓄熱式壓縮空氣儲能又被稱(chēng)作先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能，其原理同絕熱壓縮空氣儲能類(lèi)似，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。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（如圖5）。
中國科學(xué)院工程熱物理研究所于2013年在廊坊建成國內首套1.5MW蓄熱式壓縮空氣儲能示范系統，于2016年在貴州畢節建成國際首套10MW示范系統，效率達60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統。
（3）等溫壓縮空氣儲能
等溫壓縮空氣儲能系統是指通過(guò)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，其理論效率可達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力。但該系統也存在一定問(wèn)題，在壓縮過(guò)程中，部分空氣溶解于水中而沒(méi)有存儲到儲氣罐，造成部分能量損失（如圖6）。
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。美國General Compression公司于2012年在美國Texas州建成2MW/500MWh示范系統。目前，上述兩家公司已經(jīng)合并成立GCX能源公司，繼續開(kāi)展壓縮空氣儲能技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。美國的Lightsail公司也開(kāi)展等溫壓縮空氣儲能研發(fā)，目前正在加拿大Nova Scotia省建設500kW/3MWh 示范項目。
（4）液態(tài)空氣儲能
液態(tài)壓縮空氣儲能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)，利用富余電能驅動(dòng)電動(dòng)機將空氣壓縮、冷卻、液化后注入低溫儲罐儲存；發(fā)電時(shí)，液態(tài)空氣從儲罐中引出，加壓后送入蓄冷裝置將冷量?jì)Υ娌⑹箍諝馍郎貧饣?，高壓氣態(tài)空氣通過(guò)換熱器進(jìn)一步升溫后進(jìn)入膨脹機做功發(fā)電。由于液態(tài)空氣的密度遠大于氣態(tài)空氣，其儲氣室容積可減少約20倍，大幅壓縮系統占地面積，綜合成本有下降的空間。但由于系統增加液化冷卻和氣化加熱過(guò)程，增加了額外損耗（如圖7）。
英國Highview儲能公司于2010年建成350kW /2.5MWh液態(tài)空氣儲能示范系統并成功投運，目前正在開(kāi)展5MW/15MWh示范電站建設。中科院工程熱物理所于2013年在廊坊建成1.5MW液態(tài)空氣儲能示范系統。其余機構如中科院理化技術(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(kāi)展了相關(guān)理論及實(shí)驗研究。
（5）超臨界壓縮空氣儲能
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(lèi)似氣體的粘度小、擴散系數大、滲透性好、互溶性強等優(yōu)點(diǎn)。
其原理是：1）儲能過(guò)程，利用富余電能通過(guò)壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，通過(guò)儲熱系統回收壓縮熱后，利用儲冷系統存儲的冷能將空氣冷卻液化，并儲于低溫儲罐中；2）釋能過(guò)程，液態(tài)空氣加壓后，通過(guò)儲冷系統將冷量?jì)Υ?，空氣吸熱至超臨界狀態(tài)，并吸收儲熱系統儲存的壓縮熱使空氣進(jìn)一步升溫，通過(guò)膨脹機驅動(dòng)電機發(fā)電(如圖8)。
目前，該技術(shù)為中科院工程熱物理所的專(zhuān)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，并于2013年在廊坊建成1.5MW 示范系統，系統效率達52.1%。目前，10MW級示范項目正在建設中。
（6）水下壓縮空氣儲能
水下壓縮空氣儲能屬于等壓壓縮空氣儲能的一種，該技術(shù)將壓縮空氣存儲在水下（如海底和湖底），利用水的靜壓特性保持儲氣的壓力恒定，保證壓縮機出口及膨脹機入口壓力恒定，從而使壓縮機和膨脹機始終工作在額定工況附近，不需要通過(guò)減壓閥進(jìn)行壓力調整，減少能量損耗，提高系統效率。該系統不需要在儲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，該系統安全性相對較高，即使發(fā)生失效事故，造成的破壞與危害也較?。ㄈ鐖D9）。
加拿大Hydrostor公司于2015年建成660kW實(shí)驗系統。英國諾丁漢大學(xué)研制了1.8米和直徑5米的儲氣包，并進(jìn)行了實(shí)驗研究。其余如美國加州大學(xué)、佛羅里達大學(xué)、北卡羅來(lái)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)驗研究，目前尚無(wú)大規模示范項目建成。
（7）外部熱源補熱類(lèi)壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能系統可以利用外界熱源來(lái)提升空氣做功發(fā)電能力，提高系統整體效率。其可利用的熱源包括太陽(yáng)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(chǎng)的余熱，生物質(zhì)制取的沼氣、合成氣等（如圖10）。
目前，應用較廣泛的是太陽(yáng)能補熱型壓縮空氣儲能系統，該系統是利用太陽(yáng)集熱裝置聚光形成溫度可達500℃以上的高溫熱源對壓縮空氣進(jìn)行補熱升溫后，再推動(dòng)透平膨脹做功，從而提高系統運行效率的儲能系統。
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)等機構也開(kāi)展了相關(guān)研究。
主要應用領(lǐng)域
壓縮空氣儲能技術(shù)最早主要用于電力系統的調峰和調頻，但隨著(zhù)技術(shù)不斷發(fā)展和微小型壓縮空氣儲能技術(shù)的出現，其應用越來(lái)越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車(chē)動(dòng)力系統、UPS電源等方面都得到了應用。
?。?）電力系統調峰
目前，每日的用電負荷是波動(dòng)變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿(mǎn)足要求，當前的發(fā)電裝機容量與電網(wǎng)容量需按最大需求建設，導致用電低谷時(shí)發(fā)電機組停機或低負荷運行，以及電網(wǎng)容量的浪費。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。
?。?）可再生能源
可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能均具有間歇性、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。壓縮空氣儲能技術(shù)可將間斷、不穩定、不可控的可再生能源發(fā)電儲存起來(lái)，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)現可再生能源電力大規模并網(wǎng)，有效解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。
（3）分布式能源系統
分布式能源系統和微電網(wǎng)系統是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統的主要發(fā)展趨勢之一。但分布式能源系統相較于大電網(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。由于壓縮空氣儲能技術(shù)過(guò)程中產(chǎn)生熱量，可以和制冷、制熱系統相結合，實(shí)現分布式能源系統的冷熱電聯(lián)產(chǎn)，具有很好的應用前景。
?。?）電力系統調頻
壓縮空氣儲能電站可以和其他如燃氣輪機電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統調頻的作用。當壓縮空氣儲能電站與其他儲能技術(shù)如超級電容、飛輪儲能、化學(xué)電池等相結合時(shí)，調頻速度會(huì )更快更有效。
（5）其它應用
壓縮空氣儲能在其它領(lǐng)域也有較廣泛的應用，可以為汽車(chē)、高爾夫球車(chē)等移動(dòng)設備提供動(dòng)力；也可以作為不間斷電源（UPS），為數據機房、精密儀器制造、醫療設施、國防設施等關(guān)鍵部件提供保障性電源；系統經(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)了凈化，還可用于空調系統為建筑提供新風(fēng)和冷量。
挑戰及機遇
?。?）技術(shù)性能需要進(jìn)一步提升
雖然新型壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展速度較快，但各項技術(shù)性能仍需進(jìn)一步提升，尚不能完全滿(mǎn)足大規模推廣的要求。目前，新型壓縮空氣儲能最高效率為60%左右，距離高效電池儲能技術(shù)的效率（80%以上） 還有一定差距；其系統最大規模為10MW，尚未達到傳統壓縮空氣儲能百兆瓦規模； 其系統單位成本約為6000～10000元/kW暨1500～2500元/kWh，仍有足夠的下降空間。
?。?）迫切需要開(kāi)展大規模系統的技術(shù)攻關(guān)
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?。?-10MW），還不能滿(mǎn)足對儲能規模和經(jīng)濟性的要求。因此，迫切需要啟動(dòng)更大規模（100MW級）的新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)。
?。?）研發(fā)力量尚顯不足
由于壓縮空氣儲能技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統工程且單臺機組規模大，其技術(shù)研發(fā)門(mén)檻較高，需要組建大規模的研發(fā)團隊和大量的資金投入，故目前從事該技術(shù)研發(fā)的機構、團隊相對較少；由于系統內部件繁多，需要建設大量的部件及系統實(shí)驗平臺以完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，目前全球范圍已建成的高水平研發(fā)平臺較少，未給予足夠的研發(fā)條件支撐。
（4）示范和應用亟需加強
新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統數量少，規模小，不能滿(mǎn)足技術(shù)發(fā)展的示范需求，迫切需要各國政府、企業(yè)加強政策引導、加大資金支持。目前大部分國家尚未形成系統的電價(jià)補償和激勵政策，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)各國電價(jià)政策的逐漸完善，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)已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)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，在科研機構持續不斷的技術(shù)革新下，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。
（該文研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（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)研究項目（QYZDB-SSW-JSC023）、北京市科技計劃項目（D161100004616001 ；D161100004616002）的資助。）
儲能技術(shù)可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)。截至2016年底，我國儲能裝機為24.2GW，約占全國電力總裝機的1.5%，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。壓縮空氣儲能系統具有規模大、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。
目前，全球已有兩座大規模壓縮空氣儲能電站投入了商業(yè)運行。
第一座是1978年投入商業(yè)運行的德國Huntorf 電站（圖1）。機組采用兩級壓縮兩級膨脹，壓縮機功率為60MW，膨脹機功率為290MW（2007年擴容至321MW），壓縮空氣存儲在地下600米的廢棄礦洞中，總容積達3.1×105m3，壓力最高可達100bar。機組可連續充氣8小時(shí)，連續發(fā)電2小時(shí)。機組從靜止到滿(mǎn)負荷需要11分鐘，冷態(tài)啟動(dòng)至滿(mǎn)負荷約需6分鐘，電站效率為42%。
第二座是于1991年投入商業(yè)運行的美國McIntosh電站（圖2）。其儲氣洞穴在地下450米，總容積達5.6×105m3，儲氣壓力約為75bar。該電站壓縮機功率為50MW，膨脹機功率為110MW，可實(shí)現連續41小時(shí)充氣和26小時(shí)發(fā)電，機組從啟動(dòng)到滿(mǎn)負荷約需9分鐘，系統效率為54%。另外，日本于2001年在北海道空知郡投運了上砂川町2MW壓縮空氣儲能示范項目。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(kāi)發(fā)壓縮空氣儲能電站。
以上商業(yè)電站均屬于傳統壓縮空氣儲能技術(shù)（圖3）。在用電低谷，壓縮機將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來(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。
但傳統壓縮空氣儲能系統存在三個(gè)技術(shù)瓶頸，一是依賴(lài)天然氣等化石燃料提供熱源，不適合我國這類(lèi)“缺油少氣”的國家；二是需要特殊地理條件建造大型儲氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等；三是系統效率較低（分別為42%、54%），需進(jìn)一步提高。
新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)進(jìn)展
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，包括絕熱壓縮空氣儲能、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（不使用大型儲氣室）、超臨界壓縮空氣儲能（不使用大型儲氣室、不使用燃料）等。
（1）絕熱式壓縮空氣儲能
絕熱式壓縮空氣儲能技術(shù)通過(guò)儲熱裝置回收壓縮熱并儲存，使壓縮及膨脹過(guò)程近似于絕熱過(guò)程，不必燃燒化石燃料，并且能保持較高的儲能密度及效率。其工作原理為：儲能時(shí)，通過(guò)壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)后，通過(guò)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，由高溫高壓空氣推動(dòng)膨脹機做功發(fā)電（如圖4）。
該系統回收了壓縮熱并且再利用，使系統效率得到了較大提高，同時(shí)去除了燃燒室，實(shí)現了零排放。但由于壓縮機級間不回收熱量、冷卻空氣，故壓縮過(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。
德國RWE Power公司于2010年啟動(dòng)ADELE項目，設計儲熱溫度600℃，設計儲氣壓力100bar，理論設計效率可達70%，該項目處于論證階段。
（2）蓄熱式壓縮空氣儲能
蓄熱式壓縮空氣儲能又被稱(chēng)作先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能，其原理同絕熱壓縮空氣儲能類(lèi)似，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。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（如圖5）。
中國科學(xué)院工程熱物理研究所于2013年在廊坊建成國內首套1.5MW蓄熱式壓縮空氣儲能示范系統，于2016年在貴州畢節建成國際首套10MW示范系統，效率達60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統。
（3）等溫壓縮空氣儲能
等溫壓縮空氣儲能系統是指通過(guò)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，其理論效率可達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力。但該系統也存在一定問(wèn)題，在壓縮過(guò)程中，部分空氣溶解于水中而沒(méi)有存儲到儲氣罐，造成部分能量損失（如圖6）。
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。美國General Compression公司于2012年在美國Texas州建成2MW/500MWh示范系統。目前，上述兩家公司已經(jīng)合并成立GCX能源公司，繼續開(kāi)展壓縮空氣儲能技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。美國的Lightsail公司也開(kāi)展等溫壓縮空氣儲能研發(fā)，目前正在加拿大Nova Scotia省建設500kW/3MWh 示范項目。
（4）液態(tài)空氣儲能
液態(tài)壓縮空氣儲能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)，利用富余電能驅動(dòng)電動(dòng)機將空氣壓縮、冷卻、液化后注入低溫儲罐儲存；發(fā)電時(shí)，液態(tài)空氣從儲罐中引出，加壓后送入蓄冷裝置將冷量?jì)Υ娌⑹箍諝馍郎貧饣?，高壓氣態(tài)空氣通過(guò)換熱器進(jìn)一步升溫后進(jìn)入膨脹機做功發(fā)電。由于液態(tài)空氣的密度遠大于氣態(tài)空氣，其儲氣室容積可減少約20倍，大幅壓縮系統占地面積，綜合成本有下降的空間。但由于系統增加液化冷卻和氣化加熱過(guò)程，增加了額外損耗（如圖7）。
英國Highview儲能公司于2010年建成350kW /2.5MWh液態(tài)空氣儲能示范系統并成功投運，目前正在開(kāi)展5MW/15MWh示范電站建設。中科院工程熱物理所于2013年在廊坊建成1.5MW液態(tài)空氣儲能示范系統。其余機構如中科院理化技術(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(kāi)展了相關(guān)理論及實(shí)驗研究。
（5）超臨界壓縮空氣儲能
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(lèi)似氣體的粘度小、擴散系數大、滲透性好、互溶性強等優(yōu)點(diǎn)。
其原理是：1）儲能過(guò)程，利用富余電能通過(guò)壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，通過(guò)儲熱系統回收壓縮熱后，利用儲冷系統存儲的冷能將空氣冷卻液化，并儲于低溫儲罐中；2）釋能過(guò)程，液態(tài)空氣加壓后，通過(guò)儲冷系統將冷量?jì)Υ?，空氣吸熱至超臨界狀態(tài)，并吸收儲熱系統儲存的壓縮熱使空氣進(jìn)一步升溫，通過(guò)膨脹機驅動(dòng)電機發(fā)電(如圖8)。
目前，該技術(shù)為中科院工程熱物理所的專(zhuān)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，并于2013年在廊坊建成1.5MW 示范系統，系統效率達52.1%。目前，10MW級示范項目正在建設中。
（6）水下壓縮空氣儲能
水下壓縮空氣儲能屬于等壓壓縮空氣儲能的一種，該技術(shù)將壓縮空氣存儲在水下（如海底和湖底），利用水的靜壓特性保持儲氣的壓力恒定，保證壓縮機出口及膨脹機入口壓力恒定，從而使壓縮機和膨脹機始終工作在額定工況附近，不需要通過(guò)減壓閥進(jìn)行壓力調整，減少能量損耗，提高系統效率。該系統不需要在儲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，該系統安全性相對較高，即使發(fā)生失效事故，造成的破壞與危害也較?。ㄈ鐖D9）。
加拿大Hydrostor公司于2015年建成660kW實(shí)驗系統。英國諾丁漢大學(xué)研制了1.8米和直徑5米的儲氣包，并進(jìn)行了實(shí)驗研究。其余如美國加州大學(xué)、佛羅里達大學(xué)、北卡羅來(lái)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)驗研究，目前尚無(wú)大規模示范項目建成。
（7）外部熱源補熱類(lèi)壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能系統可以利用外界熱源來(lái)提升空氣做功發(fā)電能力，提高系統整體效率。其可利用的熱源包括太陽(yáng)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(chǎng)的余熱，生物質(zhì)制取的沼氣、合成氣等（如圖10）。
目前，應用較廣泛的是太陽(yáng)能補熱型壓縮空氣儲能系統，該系統是利用太陽(yáng)集熱裝置聚光形成溫度可達500℃以上的高溫熱源對壓縮空氣進(jìn)行補熱升溫后，再推動(dòng)透平膨脹做功，從而提高系統運行效率的儲能系統。
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)等機構也開(kāi)展了相關(guān)研究。
主要應用領(lǐng)域
壓縮空氣儲能技術(shù)最早主要用于電力系統的調峰和調頻，但隨著(zhù)技術(shù)不斷發(fā)展和微小型壓縮空氣儲能技術(shù)的出現，其應用越來(lái)越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車(chē)動(dòng)力系統、UPS電源等方面都得到了應用。
?。?）電力系統調峰
目前，每日的用電負荷是波動(dòng)變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿(mǎn)足要求，當前的發(fā)電裝機容量與電網(wǎng)容量需按最大需求建設，導致用電低谷時(shí)發(fā)電機組停機或低負荷運行，以及電網(wǎng)容量的浪費。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。
?。?）可再生能源
可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能均具有間歇性、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。壓縮空氣儲能技術(shù)可將間斷、不穩定、不可控的可再生能源發(fā)電儲存起來(lái)，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)現可再生能源電力大規模并網(wǎng)，有效解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。
（3）分布式能源系統
分布式能源系統和微電網(wǎng)系統是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統的主要發(fā)展趨勢之一。但分布式能源系統相較于大電網(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。由于壓縮空氣儲能技術(shù)過(guò)程中產(chǎn)生熱量，可以和制冷、制熱系統相結合，實(shí)現分布式能源系統的冷熱電聯(lián)產(chǎn)，具有很好的應用前景。
?。?）電力系統調頻
壓縮空氣儲能電站可以和其他如燃氣輪機電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統調頻的作用。當壓縮空氣儲能電站與其他儲能技術(shù)如超級電容、飛輪儲能、化學(xué)電池等相結合時(shí)，調頻速度會(huì )更快更有效。
（5）其它應用
壓縮空氣儲能在其它領(lǐng)域也有較廣泛的應用，可以為汽車(chē)、高爾夫球車(chē)等移動(dòng)設備提供動(dòng)力；也可以作為不間斷電源（UPS），為數據機房、精密儀器制造、醫療設施、國防設施等關(guān)鍵部件提供保障性電源；系統經(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)了凈化，還可用于空調系統為建筑提供新風(fēng)和冷量。
挑戰及機遇
?。?）技術(shù)性能需要進(jìn)一步提升
雖然新型壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展速度較快，但各項技術(shù)性能仍需進(jìn)一步提升，尚不能完全滿(mǎn)足大規模推廣的要求。目前，新型壓縮空氣儲能最高效率為60%左右，距離高效電池儲能技術(shù)的效率（80%以上） 還有一定差距；其系統最大規模為10MW，尚未達到傳統壓縮空氣儲能百兆瓦規模； 其系統單位成本約為6000～10000元/kW暨1500～2500元/kWh，仍有足夠的下降空間。
?。?）迫切需要開(kāi)展大規模系統的技術(shù)攻關(guān)
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?。?-10MW），還不能滿(mǎn)足對儲能規模和經(jīng)濟性的要求。因此，迫切需要啟動(dòng)更大規模（100MW級）的新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)。
?。?）研發(fā)力量尚顯不足
由于壓縮空氣儲能技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統工程且單臺機組規模大，其技術(shù)研發(fā)門(mén)檻較高，需要組建大規模的研發(fā)團隊和大量的資金投入，故目前從事該技術(shù)研發(fā)的機構、團隊相對較少；由于系統內部件繁多，需要建設大量的部件及系統實(shí)驗平臺以完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，目前全球范圍已建成的高水平研發(fā)平臺較少，未給予足夠的研發(fā)條件支撐。
（4）示范和應用亟需加強
新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統數量少，規模小，不能滿(mǎn)足技術(shù)發(fā)展的示范需求，迫切需要各國政府、企業(yè)加強政策引導、加大資金支持。目前大部分國家尚未形成系統的電價(jià)補償和激勵政策，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)各國電價(jià)政策的逐漸完善，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)已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)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，在科研機構持續不斷的技術(shù)革新下，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。
（該文研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（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)研究項目（QYZDB-SSW-JSC023）、北京市科技計劃項目（D161100004616001 ；D161100004616002）的資助。）
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