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壓縮空氣儲能，簡稱CAES( Compressed-Air Energy Storage )。
壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負荷低谷時的多余電量，由電動機帶動空氣壓縮機，將空氣壓入作為儲氣室的密閉大容量地下洞穴，也可以是報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)電量不足時，將壓縮空氣經(jīng)換熱器與油或天然氣混合燃燒，導(dǎo)入輪氣機作功發(fā)電。
CAES系統(tǒng)動態(tài)運行示意圖
CAES系統(tǒng)主要包括發(fā)電機、壓縮機、燃燒室、儲氣室、膨脹機和電動機等關(guān)鍵部件，分為儲能與釋能兩個過程。儲能過程，利用風(fēng)電、光電等可再生能源電力驅(qū)動壓縮機壓縮空氣，將高壓空氣存儲于儲氣室中；釋能過程，儲氣室中的高壓空氣驅(qū)動膨脹機做功進行發(fā)電。
1、模式一: 儲能模式
壓縮空氣儲能，在電網(wǎng)負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，并將空氣高壓密封在，如圖1所示:
圖1 壓縮空氣儲能模式
2、模式二：發(fā)電模式
在電網(wǎng)負荷高峰期，釋放壓縮空氣，推動汽輪機發(fā)電，如圖2所示
3、實際運行模式
在實際過程中，空氣被壓縮后，溫度會升高并釋放熱量，所以實際使用中，需要對空氣進行冷卻，如圖3所示
在實際的釋能發(fā)電過程中，壓縮空氣膨脹做功過程中，溫度會下降并需要吸收熱量，所以實際使用中，需要對空氣進行預(yù)加熱或者通過燃燒室升溫，如圖4所示
4、壓縮空氣儲能市場前景
全球CAES裝機預(yù)測(DOE)
截至目前，世界上僅有德國Huntorf和美國McIntosh兩座投產(chǎn)的商業(yè)化傳統(tǒng)CAES電站，由于傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)存在依賴化石燃料、效率低、能量密度低等缺點，近年來形成了蓄熱式壓縮空氣儲能(TS-CAES)、等溫壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能、超臨界壓縮空氣儲能、水下壓縮空氣儲能、濕空氣透平壓縮空氣儲能以及CAES耦合系統(tǒng)等多種新型CAES系統(tǒng)。
中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的山東省泰安市肥城10 MW鹽穴CAES電站于2021年9月并網(wǎng)發(fā)電成功、張家口市張北縣的國際首套100 MW先進CAES國家示范項目已建設(shè)安裝完成，并于2022年9月順利實現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)。
來源： 整理自明哲工作室、儲能科學(xué)等
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)原理圖
壓縮空氣儲能具有儲能容量大、儲能周期長、比投資小等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一。如圖2所示，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)的原理是在用電低谷或電力過剩時，消耗電力將空氣壓縮，并將高壓空氣存儲于儲氣室中；在用電高峰或電力缺乏時，將高壓空氣從儲氣室中釋放出來，進入燃燒室參與燃料的燃燒反應(yīng)，燃燒后的高溫氣體帶有較高的能量可以驅(qū)動透平膨脹機等發(fā)電裝置進行發(fā)電并利用。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)目前已在德國(Huntorf 290 MW壓縮空氣儲能電站)和美國(McIntosh 110 MW壓縮空氣儲能電站)得到了規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用(圖3，日本、以色列、芬蘭等國家也開展了有關(guān)研究。但傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)存在如下技術(shù)瓶頸：一是仍然依賴燃燒化石燃料提供熱源，特別不適合我國這類“缺油少氣”的國家，同時燃燒化石燃料還會帶來環(huán)境污染；二是需要特殊的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(tǒng)效率較低，從而嚴(yán)重限制了壓縮空氣儲能的應(yīng)用和發(fā)展。
實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的兩座傳統(tǒng)壓縮空氣儲能電站 (a)1978年投入商業(yè)運行的德國Huntorf電站；(b)1991年投入商業(yè)運行的美國McIntosh電站
近年來，先進壓縮空氣儲能技術(shù)快速發(fā)展，目前國際上發(fā)展較快的主要包括以美國為代表的蓄熱式壓縮空氣儲能，以英國和日本為代表的液態(tài)空氣儲能。美國研發(fā)的兆瓦級蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)，擺脫了化石燃料，但仍依賴大型儲氣洞穴。液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)現(xiàn)已研制出兆瓦級系統(tǒng)，雖然擺脫了對儲氣洞穴的依賴，但系統(tǒng)效率低于25%。目前國外相關(guān)技術(shù)均未能同時解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的三個主要技術(shù)瓶頸。中國科學(xué)院工程熱物理研究所先后開展了蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)、液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)和超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)等，通過空氣的液態(tài)或高壓儲存，消除對大型儲氣洞穴的依賴；通過壓縮熱回收再利用，擺脫化石燃料依賴；通過高效壓縮、膨脹、超臨界蓄冷蓄熱提高系統(tǒng)效率，從而同時解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的主要技術(shù)瓶頸。
(a)先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)流程圖；(b)先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)效果圖
如圖所示，先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用電網(wǎng)低谷電或可再生能源的間歇式電能將空氣壓縮(同時存儲壓縮熱)，并將空氣高壓或液化儲存(儲能)；在用電高峰或電力資源短缺時，高壓/液態(tài)空氣加壓，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(釋能)，在此過程中一些廢熱可以被回收以提高系統(tǒng)效率。先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢：首先，由于空氣的高壓/液態(tài)存儲，空氣儲罐的體積大大縮小，可以縮短建設(shè)周期，更重要的是可以不受地理條件限制，克服了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的一個主要瓶頸；第二，由于采用必要的儲熱儲冷設(shè)備，將空氣壓縮過程的壓縮熱存儲回收，從而不再需要燃燒燃料提供熱源，解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的另一個主要瓶頸；第三，由于超臨界傳熱/冷卻過程中冷熱源之間的溫差可以做到很小，同時由于采用儲熱、儲冷設(shè)備，系統(tǒng)儲能和釋能過程的熱和冷均能很好地回收；第四，先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)不涉及化石燃料的燃燒，不排放任何有害物質(zhì)，而且空氣壓縮過程中很容易去除其中的有害物質(zhì)如CO2、SOx、NOx等，從而改善大氣質(zhì)量。
