中國儲能網(wǎng)訊：
一、壓縮空氣儲能：市場動態(tài)與發(fā)展趨勢
2023年12月27日，國家能源局綜合司發(fā)布《關(guān)于公示新型儲能試點示范項目的通知》， “山東省肥城市300MW/1800MWh壓縮空氣儲能示范項目”等12個壓縮空氣儲能項目被列為新型儲能試點示范項目。壓縮空氣儲能的項目數(shù)量僅低于鋰電池的17個，位居第二，這顯示了壓縮空氣儲能技術(shù)在我國能源戰(zhàn)略中的重要位置，更展示了壓縮空氣儲能技術(shù)的實際效能和在推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和促進可持續(xù)發(fā)展方面的關(guān)鍵作用。
本文深入探討了壓縮空氣儲能技術(shù)（CAES）的市場動態(tài)與發(fā)展趨勢。CAES技術(shù)作為一種高效的能量存儲解決方案，正逐步提升其性能并降低成本，以適應(yīng)多變的工作條件和提高能源利用效率。此外，技術(shù)發(fā)展在熱管理方面取得了顯著進展，通過減少對外部熱源和化石燃料的依賴，以及改進熱回收機制，增強了系統(tǒng)的整體效率。國內(nèi)研究特別注重發(fā)展非補燃技術(shù)，以盡可能地利用壓縮過程中產(chǎn)生的熱量。此外，研究也在尋求提高儲能密度的新途徑，例如開發(fā)超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，并考慮更多地利用鹽穴資源。
二、什么是壓縮空氣儲能？
壓縮空氣儲能（CASE: Compressed Air Energy Storage）是一種在燃氣輪機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的物理儲能技術(shù)，其基本原理是：在儲能過程中，低谷時段，利用電能將空氣壓縮至高壓并存于洞穴或壓力容器中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來；在釋能過程中，儲氣裝置中的空氣膨脹推動透平發(fā)電機發(fā)電。主要包含以下系統(tǒng)：
圖1：壓縮空氣結(jié)構(gòu)示意圖
圖片來源：大容量壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)
壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵性能主要由其三個主要組成部分決定：空氣壓縮子系統(tǒng)、儲熱子系統(tǒng)、膨脹發(fā)電子系統(tǒng)，這三個部分對系統(tǒng)性能起決定性影響。
壓縮空氣儲能技術(shù)路線
壓縮空氣儲能有多種技術(shù)路線，按照是否利用壓縮熱分為非絕熱式、絕熱式和等溫式；按照工作介質(zhì)存儲狀態(tài)分為氣態(tài)、液態(tài)和超臨界態(tài)；按照是否需要熱源分為補燃式和非補燃式。根據(jù)儲氣方式，壓縮空氣儲能可以分為地面儲能、地下儲能和水下儲能3種建設(shè)模式。地面儲能是以金屬材料壓力容器或其他材料儲氣倉作為儲氣裝置；地下儲能是以礦洞、鹽穴、含水層、枯竭油氣藏或人工硐室等作為儲氣裝置；水下儲能是以海底或湖底的人造球、儲氣罐等作為儲氣裝置。
表1：壓縮空氣儲能技術(shù)路線分類
（數(shù)據(jù)來源：《壓縮空氣儲能技術(shù)經(jīng)濟特點和發(fā)展方向探析》、《大容量壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)》，《一種超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱力學分析》、《水下壓縮空氣儲能研究進展》、中國能源網(wǎng)）
壓縮空氣儲能技術(shù)聚焦于提升系統(tǒng)性能和降低成本，特別是在壓縮與膨脹的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，以適應(yīng)各種工作條件，從而提升整體效率。這一方向的顯著成就包括2023年8月中國推出的首個300兆瓦級先進壓縮空氣儲能膨脹機，該技術(shù)預(yù)計能將系統(tǒng)成本降低20%至30%，并將效率提高3%至5%。在熱管理領(lǐng)域，技術(shù)進步致力于減少對外部熱源和化石燃料的依賴，通過改進的熱回收系統(tǒng)減少熱量散失，進而增強系統(tǒng)效率。國內(nèi)研發(fā)特別重視非補燃技術(shù)的發(fā)展，以實現(xiàn)壓縮過程中產(chǎn)生熱量的最大化回收。此外，研究還在不斷探索提升系統(tǒng)儲能密度的方法，如超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)的開發(fā)。在儲氣方面，計劃更多地利用鹽穴資源，并開發(fā)大型高壓儲氣罐，為壓縮空氣儲能技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造條件。
三、壓縮空氣儲能的優(yōu)勢與應(yīng)用
高潛力長時儲能技術(shù)路線
隨著新型電力系統(tǒng)中風電、光伏等新能源裝機及發(fā)電量電量占比不斷提高，電力系統(tǒng)對能提供持久穩(wěn)定電力支持的儲能技術(shù)的需求也在增加。在此背景下，壓縮空氣儲能作為一種長時儲能技術(shù)路線，具有儲能容量大、建設(shè)周期短、運行壽命長、安全環(huán)保等優(yōu)點，成為和抽水蓄能媲美的大規(guī)模儲能技術(shù)。與傳統(tǒng)抽水蓄能相比，壓縮空氣儲能的建設(shè)速度更快，選址更為靈活，并且對生態(tài)環(huán)境的影響更小。它能夠使用儲氣罐作為儲能介質(zhì)，減少了對特定地理條件的依賴。此外，壓縮空氣儲能技術(shù)在海洋等高腐蝕性環(huán)境中也能保持穩(wěn)定運行，得益于水的靜壓特性，可以實現(xiàn)壓縮空氣的穩(wěn)定存儲。因此，水下壓縮空氣儲能技術(shù)因其高效和適應(yīng)性強，被視為海上風電集成和儲能方案中的優(yōu)秀選擇。
壓縮空氣儲能：應(yīng)對電力系統(tǒng)“雙高”挑戰(zhàn)的解決方案
此外，壓縮空氣儲能技術(shù)之所以受到儲能領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，另一個原因是它能夠有效地適應(yīng)電力系統(tǒng)的特點和需求。隨著新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比例的持續(xù)上升，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出“雙高”特征，即高比例接入的可再生能源和電力電子設(shè)備。這一現(xiàn)象導(dǎo)致了電力系統(tǒng)的發(fā)電和用電平衡問題，即高比例接入的可再生能源導(dǎo)致發(fā)用電不平衡的問題，同時高比例接入的電力電子設(shè)備使得傳統(tǒng)的同步電網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊，出現(xiàn)了低慣量、低阻尼和電壓支撐能力減弱等問題，這些問題削弱了電力系統(tǒng)對擾動的抵抗能力，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和恢復(fù)力，增加了電壓波動的風險，甚至可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，成為新能源發(fā)展面臨的主要障礙。
圖3：電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行面臨風險示意圖
（圖片來源：《新型電力系統(tǒng)藍皮書》）
與電化學儲能相比，壓縮空氣儲能是解決“雙高”問題的良方。電化學儲能雖然有助于解決高比例可再生能源帶來的發(fā)用電平衡問題，但電化學儲能本身也是通過電力電子設(shè)備并網(wǎng)，加劇了高比例電力電子設(shè)備并網(wǎng)的問題。與之相比，壓縮空氣儲能通過機械方式實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和儲存，其系統(tǒng)中的透平發(fā)電系統(tǒng)自帶旋轉(zhuǎn)部件，具備天然的轉(zhuǎn)動慣量支撐能力。相比于電化學儲能通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)慣量支撐功能，壓縮空氣儲能的慣量支撐穩(wěn)定性更高，且不存在響應(yīng)死區(qū)問題。這種旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性有助于提高系統(tǒng)的慣量，從而增強電網(wǎng)對擾動的抵抗能力和穩(wěn)定性。在新能源發(fā)電波動性較大時，壓縮空氣儲能能夠通過釋放儲存的壓縮空氣來快速響應(yīng)電力需求的變化，有效緩解發(fā)用電平衡問題。此外，壓縮空氣儲能可以在不適合電化學儲能系統(tǒng)的極端環(huán)境，這能增加電網(wǎng)的適應(yīng)性和魯棒性。
壓縮空氣儲能技術(shù)還具有成本效益高、壽命長、維護簡單等優(yōu)點，使其成為新能源發(fā)電和電網(wǎng)穩(wěn)定運行的理想補充。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，壓縮空氣儲能有望在未來的能源體系中扮演更加重要的角色，為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和構(gòu)建更加清潔、高效、可靠的電力系統(tǒng)提供堅實的支撐。
四、代表項目
1、山東肥城300MW/1800MWh鹽穴先進壓縮空氣儲能示范電站
項目背景：山東肥城是全國最大的井礦鹽生產(chǎn)基地，已探明的巖鹽儲量高達50.2億噸。長期的鹽業(yè)開發(fā)活動為肥城留下了大量的地下鹽穴空間，這些空間為鹽穴儲能提供了獨特的地理優(yōu)勢。目前，肥城擁有46對可利用的鹽穴腔體，總體積達2000萬立方米，并且每年還能新增約300萬立方米的地下空間。此外，肥城市政府高度重視鹽穴儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將其納入五大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈條之一，并采取了“前端擴能建穴—中端鹽穴儲能—后端建網(wǎng)延伸”的全鏈條產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略，以此推動鹽穴儲能產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。
項目特點：2023年12月28日，中電建在山東肥城啟動了300MW/1800MWh項目的建設(shè)，。該項目采用了創(chuàng)新的“基于沉渣空隙鹽穴儲氣庫的寬工況、大規(guī)模中溫先進絕熱壓縮空氣儲能”技術(shù)路線，這在全球范圍內(nèi)尚屬首次。同時，該項目也是國內(nèi)首個采用高溫熱媒水球形儲罐的建設(shè)項目。作為全球首個大規(guī)模長時新型壓縮空氣儲能電站，該項目將成為單機容量全球最大的壓縮空氣儲能電站。
項目效果：預(yù)計項目建成后，將大幅提升肥城市的能源供應(yīng)能力。電站每小時的發(fā)電量可達30萬千瓦時，年發(fā)電量預(yù)計為5.94億千瓦時。經(jīng)濟收益方面，項目預(yù)計將實現(xiàn)銷售收入3.2億元，利潤1.7億元。
2、湖北應(yīng)城300MW/1500MWh壓縮空氣儲能示范項目
項目特點：2023年12月1日，湖北應(yīng)城300兆瓦級壓縮空氣儲能電站示范工程廠用系統(tǒng)受電一次成功，預(yù)計于2023年3月實現(xiàn)首次并網(wǎng)發(fā)電，6月底投產(chǎn)。該項目是全球首臺套300MW/1500MWh壓縮空氣儲能發(fā)電機組及配套設(shè)施，采用非補燃中溫絕熱壓縮技術(shù)、高壓水工質(zhì)儲換熱、鹽穴儲氣方案，設(shè)計效率為69%。
項目效果：項目建成后，儲能電站年發(fā)電量預(yù)計5億千瓦時，將在非補燃壓縮空氣儲能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)單機功率世界第一、儲能規(guī)模世界第一、轉(zhuǎn)換效率世界第一、為大規(guī)模、長時物理儲能技術(shù)發(fā)展起到積極的示范及推動作用。
五、發(fā)展趨勢與潛力地區(qū)
壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率與規(guī)模和運行工況等因素均相關(guān)。從已建成和在建的項目看，兆瓦級壓縮空氣儲能的系統(tǒng)效率可達50%以上，10兆瓦級的系統(tǒng)效率可達60%以上，百兆瓦級別以上的系統(tǒng)設(shè)計效率可以達到70%。目前規(guī)劃的壓縮空氣儲能項目正在往大容量、高參數(shù)、規(guī)模化方向發(fā)展。
儲氣方式對項目成本有顯著影響，其中鹽穴儲氣因其低成本特性（大約100元/kWh）而成為首選。中國鹽礦資源豐富，分布廣泛，尤其在山東、河南、河北、江蘇、廣東、四川等省份。這些地區(qū)的鹽礦開采活動頻繁，隨之形成了大量的鹽穴。據(jù)估計，目前我國已探明的鹽穴總?cè)萘扛哌_約1.3億立方米。這些鹽穴在經(jīng)過適當?shù)母脑旌?，大多?shù)能夠保持出色的密封性能，適合用于壓縮空氣儲能。盡管如此，目前只有約40個鹽穴被利用，占總資源的0.2%，表明還有巨大的開發(fā)空間。得益于鹽穴所提供的豐富空間、能夠承受的高壓力、以及它們在安全性和成本效益方面的顯著優(yōu)勢，這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為壓縮空氣儲能領(lǐng)域中備受青睞的儲氣選擇。展望未來，隨著技術(shù)的不斷進步和成本的進一步降低，鹽穴儲氣技術(shù)預(yù)期將被更廣泛地探索和利用。
圖4：我國鹽礦分布情況
（圖片來源：我國實施大規(guī)模鹽穴儲油的基本條件）
隨著新能源行業(yè)的迅猛發(fā)展，壓縮空氣儲能技術(shù)因其能夠提供大規(guī)模長時儲能方案而日益受到重視。盡管如此，該技術(shù)在技術(shù)完善和產(chǎn)業(yè)鏈配套方面仍需進一步的發(fā)展，以便在競爭激烈的市場環(huán)境中帶來合理的投資回報。在這個過程中，政府的政策扶持扮演著關(guān)鍵角色，它不僅能夠穩(wěn)定行業(yè)的發(fā)展前景，還能夠促進整個產(chǎn)業(yè)鏈的健康和持續(xù)發(fā)展。
