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摘 要：【目的】壓縮空氣儲能具有儲能容量大、安全性高、壽命長、經(jīng)濟環(huán)保、建設周期短等優(yōu)勢，是未來和抽水蓄能相媲美的長時儲能技術(shù)，成為未來儲能重點布局的方向。在此背景下，文章通過對壓縮空氣儲能技術(shù)現(xiàn)狀進行綜述，分析不同壓縮空氣儲能技術(shù)的工作原理、面臨挑戰(zhàn)及解決方案，以期對壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展提供參考?！痉椒ā课恼率紫葘嚎s空氣儲能技術(shù)原理進行了介紹；對系統(tǒng)中的壓縮機、透平膨脹機和換熱器等關(guān)鍵設備進行了闡述，分析了大規(guī)模壓縮空氣儲能用的關(guān)鍵設備；并從地面關(guān)鍵工藝技術(shù)和地下儲氣設施兩個角度介紹了大規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)的常用關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展現(xiàn)狀及工程案例；最后對壓縮空氣儲能技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行了分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：蓄熱式壓縮空氣儲能是當前國內(nèi)的主流技術(shù)，且高溫儲熱成為未來壓縮空氣儲能發(fā)展方向，也是壓縮空氣儲能提高效率的重要途徑。同時，系統(tǒng)關(guān)鍵設備和技術(shù)優(yōu)化、成本降低、應用場景發(fā)展等方面尚有一定改進空間。【結(jié)論】壓縮空氣儲能作為一種長時儲能，對未來構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有重要的支撐作用。
關(guān)鍵詞：新型電力系統(tǒng)；壓縮空氣儲能；壓縮機；透平膨脹機；換熱器
引文信息
引用本文：袁照威，楊易凡. 壓縮空氣儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. YUAN Zhaowei, YANG Yifan. Research status and development trend of compressed air energy storage technology [J]. Southern energy construction, 2024, 11(2): 146-153. DOI: 10.16516/j.ceec.2024.2.14
0 引言
“碳達峰、碳中和”背景下，太陽能、風能等可再生能源發(fā)展迅速，但其存在一定的隨機性和不穩(wěn)定性，對電網(wǎng)造成一定的沖擊。儲能作為能源供給與需求時間不匹配的重要解決方案，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐[1-3]。
儲能具有多種類型，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電化學儲能等，不同類型儲能其功率、容量、響應特征等不同，適用于不同的應用場景[4-5]。隨著可再生能源比例的增加，長時儲能成為未來發(fā)展的趨勢。壓縮空氣儲能作為一種長時儲能，其具有儲能容量大、安全性高、壽命長、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢，成為唯一和抽水蓄能媲美的儲能技術(shù)[6-8]。目前，壓縮空氣儲能逐漸受到政府的重視，先后出臺了相關(guān)政策，進一步促進了技術(shù)的發(fā)展[9-10]。
眾多學者圍繞著壓縮空氣儲能系統(tǒng)，從地面工藝技術(shù)、地下儲氣設施、系統(tǒng)關(guān)鍵設備都開展相關(guān)研究。萬明忠等[11-12]對壓縮空氣儲能地下選址關(guān)鍵因素進行了分析，并提出了壓縮空氣儲能地下鹽穴關(guān)鍵問題及相應的處理技術(shù)；梅生偉等[13]從壓縮空氣儲能電站建模、能效提升、運行規(guī)劃及市場運營等方面分析了先進壓縮空氣儲能的研究現(xiàn)狀；陳海生等[14]對壓縮空氣儲能原理、關(guān)鍵技術(shù)及應用領(lǐng)域等進行了詳細分析，指出了未來壓縮空氣儲能的發(fā)展趨勢；姜小峰等[15]從工藝流程、系統(tǒng)集成度、整體經(jīng)濟性和運行維護方便等角度分析了壓縮空氣儲能電站主廠房設計優(yōu)化。
在前人研究基礎(chǔ)上，對壓縮空氣儲能的技術(shù)原理、關(guān)鍵設備、地上工藝技術(shù)、儲氣設施等技術(shù)現(xiàn)狀分析，探討技術(shù)存在的難點和未來發(fā)展趨勢，明確后期應用研究重點，為后續(xù)壓縮空氣儲能技術(shù)、設備的發(fā)展提供理論和實際應用支撐。
1 技術(shù)現(xiàn)狀
1.1 技術(shù)原理
壓縮空氣儲能技術(shù)是一種利用壓縮空氣儲存能量的物理儲能技術(shù)[16-17]，分為非補燃式壓縮空氣儲能和補燃式壓縮空氣儲能，目前國內(nèi)主要以非補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)為主，主要包含了能量輸入、能量解耦、能量耦合和能量輸出4個過程（圖1）。
圖1 非補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)原理示意圖
1）能量輸入：在用電低谷時，電動機驅(qū)動壓縮機將環(huán)境中的空氣吸入并壓縮成高溫高壓空氣，將電能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，完成能量的輸入過程。
2）能量解耦：通過壓縮側(cè)換熱器將換熱后的低溫空氣儲存至儲氣單元，升溫后的高溫換熱介質(zhì)存儲至儲熱單元，將內(nèi)能分離成熱能和勢能，完成壓縮熱能和壓力勢能的解耦。
3）能量耦合：通過膨脹側(cè)換熱器將儲氣單元釋放的高壓空氣與儲熱單元中的高溫換熱介質(zhì)進行熱量交換，換熱后的介質(zhì)返還至儲熱單元中，空氣進入膨脹側(cè)，完成壓縮熱能和壓力勢能的耦合。
4）能量輸出：在用電高峰時，換熱后的空氣轉(zhuǎn)換為高溫高壓空氣，驅(qū)動透平膨脹機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能，機械能轉(zhuǎn)換為電能，從而完成能量的輸出。
1.2 關(guān)鍵設備
壓縮空氣儲能電站關(guān)鍵設備主要包含壓縮機、膨脹機、換熱器、發(fā)電機、蓄熱裝置等，相關(guān)設備制造能力已基本成熟，重點介紹壓縮機、透平膨脹機和換熱器三大關(guān)鍵設備。
1）壓縮機：壓縮空氣儲能電站使用的壓縮機具有流量大、高溫高壓、頻繁啟停、寬負荷等特點，總壓比較大，為防止壓縮機出口材料因高溫發(fā)生蠕變，采用多級壓縮，從而降低單級壓縮機出口溫度。根據(jù)國內(nèi)外已投運的大型壓縮空氣儲能電站發(fā)展情況及不同類型壓縮機使用范圍，大規(guī)模壓縮空氣儲能電站主要以離心式和軸流式等類型為主。
2）透平膨脹機：透平膨脹機是利用壓縮氣體膨脹降壓時向外輸出機械功，將壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能的設備，具有大流量、多次再熱、小焓降等特點[18]。針對大容量壓縮空氣儲能電站，儲氣壓力較大，較高的儲氣壓力決定膨脹機組需要較大的膨脹比，一般多采用多級膨脹、級間再熱方式。
3）換熱器：換熱器的種類繁多，按其傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)可分為管式、板式和特殊形式換熱器[6]。板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、單位體積內(nèi)的傳熱面積大等優(yōu)勢，換熱性能優(yōu)于管式換熱器，但其承壓和耐溫能力差、適用于流量小的場景。針對大規(guī)模壓縮空氣儲能電站而言，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟性角度考慮，多選用管式換熱器。
1.3 關(guān)鍵技術(shù)
壓縮空氣儲能技術(shù)主要包含地上工藝技術(shù)以及儲氣設施，二者對壓縮空氣儲能系統(tǒng)高效、安全和穩(wěn)定運行具有重要影響。
1.3.1 工藝技術(shù)
壓縮空氣儲能技術(shù)種類較多，根據(jù)是否需要熱源分為補燃式和非補燃式壓縮空氣儲能[19]，根據(jù)流動介質(zhì)狀態(tài)分為液態(tài)和氣態(tài)壓縮空氣儲能等。目前已經(jīng)投入商業(yè)運營的大型壓縮空氣儲能電站僅有德國的Huntorf電站和美國的McIntosh電站，兩者均采用天然氣進行補燃，以增大透平膨脹機做功能力。為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)存在的問題，在傳統(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)了絕熱壓縮空氣儲能、等溫壓縮空氣儲能、液態(tài)壓縮空氣儲能等技術(shù)。通過技術(shù)不斷迭代升級，旨在充分利用系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，提升系統(tǒng)的效率。
1）傳統(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)
傳統(tǒng)補燃壓縮空氣儲能系統(tǒng)是將進入膨脹機前的高壓空氣與補充燃料進行充分混合并燃燒，提高膨脹機進口處溫度形成高溫高壓氣體，使其做功能力得到提升（圖2）。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)通過外加燃料，提升空氣的溫度進而增強透平膨脹機的做功能力，但是該技術(shù)嚴重依賴于天然氣等化石燃料，一方面造成環(huán)境的污染，不符合國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展的目標；另一方面是壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱直接排掉，造成系統(tǒng)整體效率下降。為了解決對天然氣等化石燃料的依賴，可采用太陽能熱能等加熱釋放的空氣，提升系統(tǒng)效率。
圖2 傳統(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)原理圖
2）絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)
絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)采用換熱器來回收壓縮過程所產(chǎn)生的熱量，并將這部分熱量用于加熱進入膨脹機進口處空氣，實現(xiàn)了儲能和釋能過程中熱量的交換（圖3）。且各過程在近似絕熱的條件下進行，使得系統(tǒng)效率提升。但實際工程中無法實現(xiàn)真正絕熱，所以該技術(shù)處于論證階段。
圖3 絕熱壓縮空氣儲能原理圖
當壓縮機具有高的壓力比時，會導致空氣在壓縮機出口處的溫度過高，使得壓縮機耗功增大。為了降低壓縮機排氣溫度，眾多學者在壓縮機間采用了級間冷卻的方式，由此誕生出蓄熱式壓縮空氣儲能。該技術(shù)與絕熱壓縮空氣儲能運行過程基本相同，但增加了級間冷卻和再熱的方式（圖4）。該系統(tǒng)對設備材料要求降低且能更高效地利用壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，提升系統(tǒng)整體效率。但由于增加了級間換熱裝置，系統(tǒng)的投資成本提高。蓄熱式壓縮空氣儲能技術(shù)儲換熱介質(zhì)通常采用水、導熱油或熔鹽，導熱油儲熱溫度高，但成本高且需要定期更換。壓力水廉價、成本低，但儲熱溫度低，儲熱溫度增加時水罐壓力增加，對儲罐和換熱壁厚要求增加，增加投資成本。熔鹽儲熱溫度高，成本較導熱油低，較壓力水高。因此，蓄熱式壓縮空氣儲能技術(shù)的難點是壓縮熱能的儲存、儲熱材料的選擇以及系統(tǒng)成本的降低等。
圖4 蓄熱式壓縮空氣儲能原理圖
目前，國內(nèi)蓄熱式壓縮空氣儲能技術(shù)應用較廣，如江蘇金壇60 MW壓縮空氣儲能項目于2022年5月并網(wǎng)；河北張家口100 MW壓縮空氣儲能項目于2022年9月并網(wǎng)；湖北應城300 MW壓縮空氣儲能項目、甘肅酒泉300 MW壓縮空氣儲能項目正在建設中。
3）等溫壓縮空氣儲能技術(shù)
該技術(shù)采用換熱溫度控制手段，使空氣在壓縮和膨脹過程為準等溫過程；壓縮和膨脹過程中實時解耦和耦合壓縮熱能和壓力勢能，使得壓縮空氣不發(fā)生較大的溫變（圖5）。等溫壓縮空氣儲能技術(shù)無燃燒室和儲熱裝置，結(jié)構(gòu)簡單，運行參數(shù)較低。但等溫壓縮和膨脹過程較難實現(xiàn)，系統(tǒng)效率較低。因此，該技術(shù)面臨最大的問題是實現(xiàn)熱量的管理，即如何保持溫度恒定。為實現(xiàn)熱量的管理，需要設計高效的熱交換系統(tǒng)，可以使用高導熱材料和先進的熱交換技術(shù)提高熱傳導效率，同時采用良好的絕熱材料減少熱量的損失。同時，等溫壓縮空氣儲能技術(shù)對壓縮機和膨脹機要求較高，需要克服高溫、高壓帶來的材料強度、密封性和振動等問題，可采用高溫合金、陶瓷材料和精密制造技術(shù)等解決。
圖5 等溫壓縮空氣儲能原理圖
目前該技術(shù)已在美國New Hampshire州和Texas州分別開展1.5 MW/1.5 MWh和2 MW/500 MWh的示范項目。
4）液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)
液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)主要是利用空氣的液化相變特性，液態(tài)空氣所需儲氣庫體積較小，占地面積小。其主要在用電低谷期間，利用棄風棄光電或低谷電驅(qū)動電動機，并借助壓縮機和蓄冷裝置將環(huán)境空氣壓縮、冷卻、液化存儲至低溫儲罐中；在用電高峰時，儲罐中的液化壓縮空氣進行加壓、升溫，液態(tài)空氣氣化后進入膨脹機做功，進而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電（圖6）。該技術(shù)能夠大大降低儲氣庫的體積，占地面積小，但壓縮空氣在液化冷卻和氣化加熱過程中，需消耗部分能量，造成效率有所下降，同時增加了蓄冷裝置，導致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。因此，提高液化壓縮空氣儲能的效率是面臨的問題，可采用高效的壓縮機、膨脹機，并對熱交換器進行優(yōu)化，減少能量損失。也可以通過智能控制和優(yōu)化調(diào)度算法，改進壓縮和膨脹過程，提高能量轉(zhuǎn)換效率。
圖6 液態(tài)壓縮空氣儲能原理圖
目前，英國Highview公司于2010年建成350 kW/2.5 MWh液態(tài)壓縮空氣儲能示范項目并投入運行，并開展5 MW/15 MWh示范電站；中科院工程熱物理研究所于2013年在廊坊建成1.5 MW示范系統(tǒng)。
目前，國內(nèi)主要以絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)為主，中科院工程熱物理研究所完成了蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)[20]，并在此基礎(chǔ)上提出超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)；清華大學提出基于壓縮熱回饋的非補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)研究[21]；中國能建以300 MW級壓縮空氣儲能作為項目研究和開發(fā)起點，提出了“絕熱壓縮+寬溫蓄熱+地下儲氣庫”的中國能建系統(tǒng)解決方案，并針對儲換熱系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出了“高壓熱水為儲熱的中溫絕熱壓縮”和“低熔點混合熔鹽儲熱+高壓水儲熱的高溫絕熱壓縮”2條技術(shù)路線[22]。因此，未來壓縮空氣儲能技術(shù)將朝著大規(guī)模、高溫絕熱方向發(fā)展。
1.3.2 儲氣設施
儲氣設施是大規(guī)模壓縮空氣儲能電站規(guī)劃設計首要考慮因素，對電站建設成本和選址有著重要影響，也是未來電站運行成敗的關(guān)鍵因素[11-12, 23]。儲氣設施至少要保證3點要求：（1）容量大，一般需要至少數(shù)十萬立方米；（2）密封性高，能保證氣體不會發(fā)生泄漏；（3）穩(wěn)定性好，力學性能穩(wěn)定能保證長期存儲。目前，儲氣設施有地上儲氣設施、天然鹽穴、人工硐室等。對于大型壓縮空氣儲能電站而言，所需要的儲氣空間較大，地上儲氣設施成本較高，一般適用于中小型電站。從目前壓縮空氣儲能向著規(guī)?；l(fā)展的趨勢，多數(shù)壓縮空氣儲能電站儲氣設施以鹽穴、人工硐室為主。
1）天然鹽穴
鹽穴是鹽礦開采后留下的礦洞，具有體積大、密閉性好、儲氣壓力高、成本低、力學性穩(wěn)定、占地面積小等特點，我國鹽穴資源豐富，已利用的鹽穴約0.2%，大部分鹽穴都處于閑置狀態(tài)，未來可利用的空間較大。
目前，壓縮空氣儲能電站多數(shù)利用鹽穴作為儲氣設施，鹽巖的蠕變和損傷恢復性可以滿足頻繁的注釆需求，開闊的內(nèi)部空間使氣體更易采出，德國Huntorf電站和美國McIntosh電站均采用天然鹽穴作為儲氣設施，儲氣規(guī)模分別為3.1×105 m3和5.6×105 m3。鹽穴雖為一種良好的儲氣設施，但其選址受鹽穴資源分布限制，需滿足儲能電站充放氣引起的壓力變化，以及巖層蠕變等要求。
2）人工硐室
人工硐室主要以混凝土作為襯砌，配合密封層和圍巖組成。儲存的高壓氣體所產(chǎn)生的壓力由圍巖承擔，混凝土襯砌配合密封層實現(xiàn)良好的密封性。目前，河北張家口100 MW壓縮空氣儲能項目采用儲氣罐+人工硐室的儲氣方式；中國能建甘肅酒泉300 MW壓縮空氣儲能采用人工硐室作為儲氣設施，是世界上首套300 MW級壓縮空氣儲能人工硐室儲氣項目。
人工硐室儲氣庫的最大優(yōu)點是適合建庫的硬巖巖石類型多，且地層分布廣泛，有效擺脫了對鹽巖地層的依賴性，適用于擁有豐富風光資源但沒有鹽穴的三北地區(qū)，可實現(xiàn)壓縮空氣儲能與風光資源的聯(lián)動，但成本較高。未來隨著壓縮空氣儲能大規(guī)模發(fā)展，人工硐室開挖技術(shù)逐漸成熟，可使其成本下降規(guī)模增大。目前，圍繞儲能硐庫密閉性和穩(wěn)定性這兩大問題，已經(jīng)開展了初步的試驗和理論研究，但仍需針對長期高頻注采下的硐庫圍巖疲勞損傷和密閉性開展系統(tǒng)評價。
2 發(fā)展趨勢
壓縮空氣儲能是一種具有較廣應用前景的儲能技術(shù)，裝機規(guī)模已從kW向MW級、百MW級發(fā)展，300 MW級壓縮空氣儲能電站已開始建設，壓縮空氣儲能呈現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，是一種具有較廣應用前景的儲能技術(shù)，勢必對未來的電網(wǎng)起到一定的支撐作用[24]。但尚有一定的發(fā)展空間，具體表現(xiàn)為：
1）設備發(fā)展展望：壓縮空氣儲能電站存在頻繁啟停、工況多變等場景，需要對壓縮機進一步優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)寬工況范圍內(nèi)高負荷運行，并且實現(xiàn)在變工況下對壓力、排氣參數(shù)的調(diào)整；透平膨脹機需要在變工況下的寬負荷運行，以夠適應大范圍壓力、流量的波動，實現(xiàn)透平膨脹機的安全、高效運行；換熱器需要進一步從材料、流道結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)上進行優(yōu)化，提升換熱器的傳熱效率。
2）技術(shù)發(fā)展展望：尋找更環(huán)保的外來熱源代替?zhèn)鹘y(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能的化石燃料；開發(fā)換熱性能高且成本低的換熱介質(zhì)，如低熔點混合熔鹽，提高壓縮機壓縮熱的儲存溫度，提升系統(tǒng)換熱效率；壓縮空氣儲能朝著大規(guī)模方向發(fā)展，隨著單級規(guī)模提升，可有效降低投資成本，提高系統(tǒng)效率；儲氣設施需要加大對現(xiàn)有鹽穴資源的充分利用，同時，加強對人工硐室儲氣設施的研究，以適應鹽穴資源較為貧乏的地區(qū)。
3）應用場景展望：壓縮空氣儲能作為一種長時儲能，具有快速啟停、循環(huán)壽命長、負荷適應性強等特點，在削峰填谷、新能源消納、調(diào)頻調(diào)峰、無功調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)備用、應急電源、黑啟動等方面具有廣泛的應用。同時，壓縮空氣儲能作為一種具有儲熱、儲電、儲氣的系統(tǒng)，具有冷熱電聯(lián)供的特點，可充分與綜合能源系統(tǒng)結(jié)合，發(fā)揮自身優(yōu)勢，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的冷-熱-電三聯(lián)供。
3 結(jié)論
壓縮空氣儲能通過電能、勢能、熱能等能量的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能的儲存和釋放，是未來大規(guī)模長時儲能的最佳選擇。通過以上研究，得到以下結(jié)論和認識：
1）傳統(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能不符合國家雙碳目標且效率低，發(fā)展受限。非補燃式壓縮空氣儲能通過回收壓縮熱，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。高溫儲熱是壓縮空氣儲能發(fā)展的方向，隨著儲熱參數(shù)的提高，可以達到更高的轉(zhuǎn)換效率。
2）壓縮機、膨脹機和換熱器作為壓縮空氣儲能三大關(guān)鍵設備，其技術(shù)迭代升級優(yōu)化是未來的必然趨勢，如開發(fā)高溫壓縮機、寬負荷膨脹機、高效換熱器、寬溫域儲熱介質(zhì)等，都會推動壓縮空氣儲能效率的提升。
3）壓縮空氣儲能將朝著大規(guī)模方向發(fā)展，通過實施大規(guī)?；?，降低系統(tǒng)單位投資成本，便于規(guī)?；茝V，符合新型電力系統(tǒng)要求。
