中國儲能網(wǎng)訊：近年來，隨著我國各行業(yè)“雙碳”目標及“十四五”規(guī)劃的提出，風能、太陽能等可再生資源利用得到了快速發(fā)展。在“雙碳”目標提出和能源轉(zhuǎn)型的火熱發(fā)展過程中，以風光發(fā)電為主的新型發(fā)電方式正逐步替代傳統(tǒng)發(fā)電。
由于風光電的輸出功率受到自然條件的影響，無法避免會出現(xiàn)棄電棄光的情況。這不僅浪費了可再生能源，也可能對環(huán)境造成負面影響。風光電的不可控性和短周期波動性可能會對電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全造成威脅。如果大量的風光電突然涌入電網(wǎng)，可能會引起電網(wǎng)的波動和不穩(wěn)定，甚至可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。因此，為了解決風光電的不可控以及短周期波動不穩(wěn)定性產(chǎn)生的問題，需要采取相應(yīng)的措施，如加強電網(wǎng)的建設(shè)和管理、推廣儲能技術(shù)、優(yōu)化電力調(diào)度等。在新舊電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級下，可控化和可儲化成為能源發(fā)展的核心問題。
在全球氣候變化和環(huán)境污染日益嚴重的背景下，碳達峰、碳中和已成為全球各國的共同目標。壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage），簡稱CAES，作為一種具有潛力的能源儲存和釋放方式，對于實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標具有重要意義。是一種利用壓縮空氣來儲能的技術(shù)。目前，壓縮空氣儲能技術(shù)，是繼抽水蓄能之后，第二大被認為適合GW級大規(guī)模電力儲能的技術(shù)。本文旨在探討壓縮空氣儲能技術(shù)的原理與技術(shù)路線、發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)分析等，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。
1 CAES原理與技術(shù)路線
1.1 概述
能源存儲領(lǐng)域涵蓋多種技術(shù)，其中機械儲能中的壓縮空氣儲能備受矚目。與抽水蓄能相比，壓縮空氣儲能受地理條件限制小，建設(shè)周期短，且環(huán)保無污染，未來有望成為新型儲能技術(shù)的有力候選。其工作原理包括儲能和釋能兩個階段。儲能時，利用多余電能將空氣壓縮并儲存，將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；釋能時，高壓空氣釋放并經(jīng)過加熱，驅(qū)動渦輪機發(fā)電，再次轉(zhuǎn)化為電能。這一技術(shù)的推廣與應(yīng)用，對于提升能源利用效率和推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義。
1.2 CAES的主流技術(shù)路徑
壓縮空氣儲能技術(shù)從廣義上可以分為傳統(tǒng)和新型兩種技術(shù)路徑。傳統(tǒng)技術(shù)路徑主要依賴于補燃式系統(tǒng)，需要燃燒室和化石燃料（如煤、石油或天然氣）作為熱源。然而，這種技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)。首先，它依賴于天然氣等化石燃料作為熱源，這增加了其對環(huán)境的影響。其次，需要大型的儲氣洞穴，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，這增加了其建設(shè)和運營的復(fù)雜性。最后，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率較低，例如Huntorf和McIn-tosh電站的效率分別為42%和54%，這限制了其在能源市場中的競爭力。相比之下，新型壓縮空氣儲能技術(shù)正在尋求更高效和環(huán)保的解決方案，通過更高效和環(huán)保的方式來存儲和釋放能量，以克服這些限制。為了克服傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的技術(shù)難題，國內(nèi)外的專家學者們已經(jīng)開始探索新型的壓縮空氣儲能技術(shù)。這些新型技術(shù)包括先進絕熱壓縮空氣儲能、蓄熱式壓縮空氣儲能、等溫壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能和超臨界壓縮空氣儲能等。
1.2.1 先進絕熱式壓縮空氣儲能
先進絕熱式壓縮空氣儲能（AA-CAES）是一種高效的能源存儲技術(shù)，通過回收和再利用壓縮空氣中的熱能，避免了傳統(tǒng)技術(shù)的燃料補燃環(huán)節(jié)。該技術(shù)利用可再生能源如棄風、低谷電驅(qū)動壓縮機，將空氣壓縮并儲存，同時回收壓縮熱并存儲。在需要釋放能量時，AA-CAES通過透平系統(tǒng)釋放壓縮熱能，實現(xiàn)空氣壓力勢能和壓縮熱能的耦合釋能發(fā)電。該技術(shù)不僅適用于電能單能流應(yīng)用，還可應(yīng)用于熱電多能流場景，具有靈活性和廣闊的應(yīng)用前景。AA-CAES作為CAES技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一，其高效低成本的特點使其成為未來能源存儲的重要選擇。
1.2.2 蓄熱式壓縮空氣儲能
蓄熱式壓縮空氣儲能（TS-CAES）與絕熱式的主要區(qū)別在于其冷卻和加熱機制。TS-CAES采用級間冷卻和加熱，通過蓄熱器吸收和釋放熱能。在充氣儲能時，冷介質(zhì)吸收熱能并存儲于高溫蓄熱器；放氣發(fā)電時，熱介質(zhì)加熱壓縮空氣并儲存于低溫蓄熱器。這種設(shè)計降低了儲熱溫度和壓縮機材料要求，減小了壓縮側(cè)功率，但增加了能量損失和投資成本。盡管如此，其工程實踐性和可靠性更高。中科院工程熱物理研究所于2016年在貴州畢節(jié)建成的10 MW示范系統(tǒng)，在額定工況下效率達60.2%，創(chuàng)全球壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率新紀錄。
1.2.3 等溫式壓縮空氣儲能
等溫壓縮空氣儲能技術(shù)采用活塞機構(gòu)帶動壓縮過程，通過噴射水霧或液體活塞實現(xiàn)大面積換熱，將壓縮熱存儲并在膨脹時重新加熱空氣。該技術(shù)通過增大氣液接觸面積和時間，利用高比熱容液體維持恒定溫度環(huán)境，使空氣壓縮和膨脹過程近似等溫，極大降低熱損失，提高系統(tǒng)效率。美國SustainX和GeneralCompression公司分別建成了1.5MW/1.5MW·h和2MW/500MW·h的示范系統(tǒng)，標志著該技術(shù)在商業(yè)化應(yīng)用方面取得重要進展。等溫壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊，有望為能源存儲領(lǐng)域帶來革命性變革。
1.2.4 液態(tài)空氣儲能
液態(tài)空氣儲能技術(shù)（LAES）將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣內(nèi)能，實現(xiàn)能量高效存儲。儲能時，系統(tǒng)驅(qū)動空氣分離和液化裝置，生成液態(tài)空氣并存于低溫儲罐；釋能時，液態(tài)空氣加壓吸熱，驅(qū)動透平發(fā)電。我國已建設(shè)多個液態(tài)空氣儲能項目，其中江蘇同里的500 kW/0.5 MW·h實驗樣機是首個試點，而青海格爾木的世界最大項目更是運用尖端技術(shù)，儲能功率達6萬kW，電量60萬kW·h。液態(tài)空氣儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為能源存儲領(lǐng)域帶來新的突破，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。
1.2.5 超臨界壓縮空氣儲能
超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)（簡稱SC-CAES）利用空氣液化技術(shù)，使得系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)中，空氣以超臨界狀態(tài)存在。在儲能過程中，系統(tǒng)利用電力驅(qū)動壓縮機，將空氣壓縮至超臨界狀態(tài)。在回收壓縮熱之后，利用存儲的冷能將空氣冷卻液化，并將其存儲在低溫儲罐中。在釋放能量的環(huán)節(jié)，液態(tài)空氣經(jīng)過加壓處理并回收冷量，達到超臨界狀態(tài)。然后，在進一步吸收壓縮熱后，液態(tài)空氣通過透平膨脹機驅(qū)動電機發(fā)電。中國科學院工程熱物理所于2009年開發(fā)了一種超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)。在2013年，該所在廊坊成功研制了一臺1.5MW的儲能示范裝置。
2 CAES發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 國內(nèi)CAES發(fā)展現(xiàn)狀
我國對壓縮空氣儲能技術(shù)的研發(fā)起步相對較晚，2000年后才真正開始在國內(nèi)受到重視，這主要是由于國家開始重視可再生能源的發(fā)展與應(yīng)用。中國科學院工程熱物理研究所是國內(nèi)較早對壓縮空氣儲能技術(shù)開展研究和實驗的團隊，并取得了一些重要的進展。2005年，中國科學院工程熱物理研究所建成15kW液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)。這種技術(shù)利用液態(tài)空氣作為儲能介質(zhì)，可以在需要時釋放出來，從而提高了能源的利用效率。2013年在河北廊坊建成國內(nèi)第一套1.5MW超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達到了52.1%，是我國壓縮空氣儲能的一項重要突破。南網(wǎng)科研院新能源與綜合能源團隊、清華大學電機系儲能團隊和西安交通大學等也投入諸多的資源和資金來研究壓縮空氣儲能技術(shù)，并取得了一些重要的進展。
此外，國內(nèi)一些能源央企也對壓縮空氣儲能的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)發(fā)展、市場需求和未來前景展開了分析，例如中國石油天然氣股份有限公司、中國能源建設(shè)集團（簡稱“中國能建”）、中國電力建設(shè)集團（簡稱“中國電建”、中國長江三峽集團、國家能源集團和國家電網(wǎng)有限公司等。
目前，國內(nèi)已建成投運多個的壓縮空氣儲能項目，裝機容量從kW級發(fā)展到MW級規(guī)模，2022年更是有GW級壓縮空氣儲能項目備案，但國內(nèi)已經(jīng)建成并投入運營的壓縮空氣儲能項目數(shù)量相對較少，且規(guī)模相較于抽水蓄能等新型儲能方式普遍較小。這意味著該領(lǐng)域的發(fā)展尚處于起步階段，需要更多的項目實踐和經(jīng)驗積累。
據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）統(tǒng)計，2022年間，國內(nèi)新增壓縮空氣儲能項目（含規(guī)劃、在建和投運）接近10GW，壓縮空氣儲能技術(shù)規(guī)模正在由100MW向300 MW功率等級方向加速發(fā)展。根據(jù)CNESA DataLink全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計，截至2023年12月底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模86.5GW，同比增長45%。已投運新型儲能累計裝機規(guī)模達34.5GW/74.5GW·h，功率和能量規(guī)模同比增長均超150%，經(jīng)計算可以得到壓縮空氣儲能累計裝機規(guī)模約為2070MW。隨著可再生能源的快速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，儲能市場正迎來巨大的需求。作為極具潛力的大型長時機械儲能方式，壓縮空氣儲能的應(yīng)用前景將更加廣闊。
2.2 國內(nèi)示范CAES電站
2023年12月，我國公布新一批新型儲能試點示范項目，其中壓縮空氣儲能技術(shù)備受矚目，共有12個項目入選。這些項目規(guī)模龐大，投資過億，將推動壓縮空氣儲能技術(shù)的進一步發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。大容量系統(tǒng)能提升整體效率，有望在長時間大規(guī)模儲能中發(fā)揮更大作用。然而，大規(guī)模建設(shè)仍面臨技術(shù)裝備研發(fā)、系統(tǒng)集成和地下工程實施等挑戰(zhàn)。盡管如此，隨著技術(shù)的不斷進步和完善，壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展前景依然廣闊，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α＿@些示范項目的建設(shè)和運行將為未來能源存儲領(lǐng)域帶來革命性變革。
在選擇大規(guī)模壓縮空氣儲能電站地點時，地質(zhì)構(gòu)造至關(guān)重要。鹽穴和人工硐室是主要的儲氣方式，具有多種優(yōu)點，如儲量大、成本低、密封性好、穩(wěn)定性高、安全性強以及對環(huán)境影響小等，能夠滿足大規(guī)模能源儲存的需求，提高能源的利用效率和可靠性。然而，找到合適的地點具有挑戰(zhàn)性，需要在城鎮(zhèn)開發(fā)邊界、永久基本農(nóng)田保護紅線以及生態(tài)保護紅線范圍之外，滿足工程地質(zhì)要求、合適的水文地質(zhì)條件、交通便利以及周邊環(huán)境適宜建設(shè)壓縮空氣儲能電站等多個條件。
因此人工硐室型壓縮空氣儲能電站在選址中要進行室內(nèi)普選、現(xiàn)場踏勘、選址勘察、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性評估和硐室圍巖穩(wěn)定性評估等關(guān)鍵流程，需要充分論證工程的可行性，以確保項目建設(shè)順利進行，降低風險，提高項目的經(jīng)濟效益和社會效益。
3 CAES產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)
壓縮空氣儲能技術(shù)是一種相對新興的儲能技術(shù)，目前正處于技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化推進階段。由于該技術(shù)的發(fā)展時間較短，尚未形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)，導(dǎo)致初始投資成本較高且不穩(wěn)定。隨著技術(shù)的不斷進步以及產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，未來壓縮空氣儲能的經(jīng)濟效益及產(chǎn)業(yè)鏈完整度將進一步提升和完善，應(yīng)用場景和市場機會也將不斷擴大。本節(jié)將對壓縮空氣儲能從需求端、供應(yīng)端以及支撐鏈三個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)進行分析。
3.1 需求端
壓縮空氣儲能電站的需求端涵蓋了發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)和消費側(cè)三大領(lǐng)域，充分展現(xiàn)了其多元化和綜合性的應(yīng)用潛力。
在發(fā)電側(cè)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)成為可再生能源發(fā)電設(shè)施的重要補充。當風力、太陽能等可再生能源發(fā)電出現(xiàn)多余或波動時，儲能系統(tǒng)可以迅速介入，將多余電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣儲存起來。這不僅平衡了電網(wǎng)負荷波動，還提供了穩(wěn)定的電力輸出，為可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。輸電側(cè)則是壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)揮調(diào)峰填谷、優(yōu)化能源配置作用的關(guān)鍵領(lǐng)域。作為分布式能源儲能系統(tǒng)，它可以幫助電網(wǎng)維持穩(wěn)定的電壓和頻率，提高供電可靠性。特別是在應(yīng)對電網(wǎng)突發(fā)負荷或緊急情況時，儲能系統(tǒng)作為備用電源的角色更加凸顯，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了有力保障。消費側(cè)則體現(xiàn)了壓縮空氣儲能系統(tǒng)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。工業(yè)用戶可以借助儲能系統(tǒng)平滑負載波動，降低用電成本；商業(yè)用戶可以通過參與電力市場交易，實現(xiàn)電能的靈活調(diào)度；居民用戶則可以利用儲能系統(tǒng)儲存太陽能或風能，提高自給自足能力。這些應(yīng)用不僅降低了用電成本，還促進了清潔能源的普及和應(yīng)用。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)的規(guī)模大小也是影響其應(yīng)用的重要因素。大型系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)的削峰填谷和平衡電力負荷，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性；小型系統(tǒng)則更適合于城區(qū)供能系統(tǒng)、分布式供能和小型電網(wǎng)等領(lǐng)域，具有更廣泛的應(yīng)用前景；微型系統(tǒng)則以其小巧靈活的特點，在特殊領(lǐng)域和偏遠地區(qū)發(fā)揮著重要作用。
3.2 供應(yīng)端
壓縮空氣儲能的供應(yīng)端涵蓋了儲氣資源供應(yīng)與項目開發(fā)建設(shè)運營兩大關(guān)鍵領(lǐng)域。在儲氣資源方面，地下洞穴與地上壓力容器是主要的儲氣裝置。地下洞穴儲氣規(guī)模龐大且成本較低，但受地質(zhì)條件限制；而地上壓力容器，尤其是靈活布置的小型壓力管道，為儲氣提供了更多可能性。我國鹽穴資源豐富，尤以東部為甚，這些鹽穴在壓縮空氣儲能中展現(xiàn)出卓越的經(jīng)濟性。鹽業(yè)企業(yè)與技術(shù)提供商攜手，共同推進壓縮空氣儲能示范項目的開發(fā)。
在項目開發(fā)建設(shè)運營方面，我國已躋身全球壓縮空氣儲能技術(shù)的領(lǐng)軍行列。中科院熱物理研究所下屬的中儲國能及清華大學等高校，成為技術(shù)創(chuàng)新的重要力量。中儲國能憑借深厚的科研背景，為行業(yè)技術(shù)研發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。同時，中國能建、中國電建等施工單位在項目建設(shè)上展現(xiàn)出豐富經(jīng)驗，確保項目順利推進。
3.3 支撐鏈
壓縮空氣儲能的支撐鏈主要包括相關(guān)設(shè)備，如壓縮機、膨脹劑、換熱器等。這些設(shè)備在壓縮空氣儲能過程中起著至關(guān)重要的作用，確保系統(tǒng)能夠高效、安全地儲存和釋放能量。在壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，包括了壓縮、存儲和釋能三個關(guān)鍵過程，這需要使用多種設(shè)備來實現(xiàn)。其中，核心設(shè)備包括空氣壓縮機和膨脹機，它們分別用于壓縮和膨脹空氣以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。此外，還需要發(fā)電機、渦輪機以及熱交換器設(shè)備等。
從成本占比來看，空氣壓縮機和膨脹機各占約20%的成本比例，蓄熱換熱裝置占15%~20%?？諝鈮嚎s機是轉(zhuǎn)化氣體壓力能的關(guān)鍵裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)至關(guān)重要。國內(nèi)沈鼓集團、陜鼓動力等企業(yè)已具備提供大型壓縮機技術(shù)方案的能力，但大規(guī)模壓縮機仍需技術(shù)研發(fā)。透平膨脹機則是將壓縮空氣勢能轉(zhuǎn)化為動能的核心部件，東方電氣、上海電氣等國內(nèi)企業(yè)正在加大研發(fā)力度。此外，熱交換系統(tǒng)是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵，國內(nèi)廠家已具備設(shè)計和加工能力，新型換熱器已在項目中得到應(yīng)用。
隨著技術(shù)的不斷進步和市場的擴大，國內(nèi)企業(yè)在壓縮空氣儲能關(guān)鍵設(shè)備領(lǐng)域已取得顯著進展，為行業(yè)發(fā)展提供了有力支撐。未來，隨著政策的進一步支持和市場需求的增長，這些企業(yè)有望在全球壓縮空氣儲能市場中占據(jù)更重要的地位。
4 CAES展望
壓縮空氣儲能和抽水蓄能作為大規(guī)模儲能技術(shù)的代表，各自擁有優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。抽水蓄能技術(shù)成熟，儲能容量大，但受限于地理條件且建設(shè)周期長。相對而言，壓縮空氣儲能選址靈活，建設(shè)周期短，效率也相對較高，但其響應(yīng)速度較慢，技術(shù)成熟度仍需提高。兩者各有特點，選擇時需結(jié)合具體場景需求。國內(nèi)已有多項壓縮空氣儲能項目投產(chǎn)，技術(shù)進步使效率、裝機容量和成本均有所改善。雖然與抽水蓄能相比，壓縮空氣儲能仍有進步空間，但先進技術(shù)的應(yīng)用已使其效率達到可觀水平，顯示出在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的巨大潛力。降低成本是推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，目前部分項目的單位千瓦投資成本已接近大型抽水蓄能電站。
然而，壓縮空氣儲能技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。地理位置限制、響應(yīng)速度慢和產(chǎn)業(yè)鏈不成熟等問題亟待解決。未來需進一步評估和優(yōu)化地理位置，研發(fā)更快的壓縮空氣儲能技術(shù)，并推動產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與完善。
5 結(jié)語
壓縮空氣儲能技術(shù)（CAES）作為清潔高效的能源儲存方式，不僅有助于降低溫室氣體排放，減緩氣候變化，還具備高靈活性、強適應(yīng)性和長壽命等優(yōu)勢，適用于不同規(guī)模的能源儲存需求。在發(fā)電、輸電和消費側(cè)，CAES都能發(fā)揮重要作用，提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低用電成本。盡管面臨系統(tǒng)效率、成本等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)進步和政策支持，CAES技術(shù)有望未來推動清潔能源領(lǐng)域的發(fā)展。
