中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
壓縮空氣儲(chǔ)能，簡(jiǎn)稱CAES( Compressed-Air Energy Storage )。
壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的多余電量，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣壓入作為儲(chǔ)氣室的密閉大容量地下洞穴，也可以是報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲(chǔ)氣井，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，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(jī)作功發(fā)電。
CAES系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行示意圖
CAES系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、燃燒室、儲(chǔ)氣室、膨脹機(jī)和電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件，分為儲(chǔ)能與釋能兩個(gè)過程。儲(chǔ)能過程，利用風(fēng)電、光電等可再生能源電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣，將高壓空氣存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室中；釋能過程，儲(chǔ)氣室中的高壓空氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功進(jìn)行發(fā)電。
1、模式一: 儲(chǔ)能模式
壓縮空氣儲(chǔ)能，在電網(wǎng)負(fù)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(chǔ)能模式
2、模式二：發(fā)電模式
在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，釋放壓縮空氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，如圖2所示
3、實(shí)際運(yùn)行模式
在實(shí)際過程中，空氣被壓縮后，溫度會(huì)升高并釋放熱量，所以實(shí)際使用中，需要對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，如圖3所示
在實(shí)際的釋能發(fā)電過程中，壓縮空氣膨脹做功過程中，溫度會(huì)下降并需要吸收熱量，所以實(shí)際使用中，需要對(duì)空氣進(jìn)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(chǔ)能市場(chǎng)前景
全球CAES裝機(jī)預(yù)測(cè)(DOE)
截至目前，世界上僅有德國(guó)Huntorf和美國(guó)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(diǎn)，近年來形成了蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能(TS-CAES)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能、液態(tài)空氣儲(chǔ)能、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能、水下壓縮空氣儲(chǔ)能、濕空氣透平壓縮空氣儲(chǔ)能以及CAES耦合系統(tǒng)等多種新型CAES系統(tǒng)。
中國(guó)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(guó)際首套100 MW先進(jìn)CAES國(guó)家示范項(xiàng)目已建設(shè)安裝完成，并于2022年9月順利實(shí)現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)。
來源： 整理自明哲工作室、儲(chǔ)能科學(xué)等
傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理圖
壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)能周期長(zhǎng)、比投資小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。如圖2所示，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的原理是在用電低谷或電力過剩時(shí)，消耗電力將空氣壓縮，并將高壓空氣存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室中；在用電高峰或電力缺乏時(shí)，將高壓空氣從儲(chǔ)氣室中釋放出來，進(jìn)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(dòng)透平膨脹機(jī)等發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電并利用。傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)目前已在德國(guó)(Huntorf 290 MW壓縮空氣儲(chǔ)能電站)和美國(guó)(McIntosh 110 MW壓縮空氣儲(chǔ)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(guó)家也開展了有關(guān)研究。但傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)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(guó)這類“缺油少氣”的國(guó)家，同時(shí)燃燒化石燃料還會(huì)帶來環(huán)境污染；二是需要特殊的地理?xiàng)l件建造大型儲(chǔ)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(chǔ)能的應(yīng)用和發(fā)展。
實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的兩座傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能電站 (a)1978年投入商業(yè)運(yùn)行的德國(guó)Huntorf電站；(b)1991年投入商業(yè)運(yùn)行的美國(guó)McIntosh電站
近年來，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，目前國(guó)際上發(fā)展較快的主要包括以美國(guó)為代表的蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能，以英國(guó)和日本為代表的液態(tài)空氣儲(chǔ)能。美國(guó)研發(fā)的兆瓦級(jí)蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，擺脫了化石燃料，但仍依賴大型儲(chǔ)氣洞穴。液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)已研制出兆瓦級(jí)系統(tǒng)，雖然擺脫了對(duì)儲(chǔ)氣洞穴的依賴，但系統(tǒng)效率低于25%。目前國(guó)外相關(guān)技術(shù)均未能同時(shí)解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的三個(gè)主要技術(shù)瓶頸。中國(guó)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(chǔ)能系統(tǒng)、液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等，通過空氣的液態(tài)或高壓儲(chǔ)存，消除對(duì)大型儲(chǔ)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(shí)解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要技術(shù)瓶頸。
(a)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程圖；(b)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效果圖
如圖所示，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)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(shí)存儲(chǔ)壓縮熱)，并將空氣高壓或液化儲(chǔ)存(儲(chǔ)能)；在用電高峰或電力資源短缺時(shí)，高壓/液態(tài)空氣加壓，并進(jìn)一步吸收壓縮熱后通過透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢(shì)：首先，由于空氣的高壓/液態(tài)存儲(chǔ)，空氣儲(chǔ)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?xiàng)l件限制，克服了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)主要瓶頸；第二，由于采用必要的儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷設(shè)備，將空氣壓縮過程的壓縮熱存儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的另一個(gè)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(shí)由于采用儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷設(shè)備，系統(tǒng)儲(chǔ)能和釋能過程的熱和冷均能很好地回收；第四，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)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。
