壓縮空氣儲能技術(shù)原理及特點(diǎn)
壓縮空氣儲能技術(shù)（compressed air energy storage），簡稱CAES，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(rèn)為適合GW級大規(guī)模電力儲能的技術(shù)。
其工作原理是，在用電低谷時段，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；在用電高峰時段，將高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室燃燒利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。其原理圖如下：
一套完整的壓縮空氣系統(tǒng)五大關(guān)鍵設(shè)備組成：由壓縮機(jī)、冷卻器、壓力容器、回?zé)崞?、渦輪機(jī)以及發(fā)電機(jī)。各部件作用如下，
壓縮機(jī)：將空氣壓縮，將電能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能，空氣壓力可達(dá)70-100 bar，溫度可達(dá) 1000 ° C；
冷卻器：熱交換設(shè)備，用于存入壓力容器前的冷卻，防止空氣在壓力容器或洞穴中壓力減少
壓力容器：存儲冷卻后的空氣，若采用洞穴存儲，則需要滿足耐壓程度較高、密封性較好的地質(zhì)條件
回?zé)崞鳎簾峤粨Q設(shè)備或燃燒室，將空氣溫度提高至1000℃左右，使渦輪機(jī)持續(xù)長時間穩(wěn)定運(yùn)行，以便于提高渦輪機(jī)效率。
渦輪機(jī)：空氣通過渦輪機(jī)降壓，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能。
發(fā)電機(jī)：多為同步發(fā)電機(jī)，將動能轉(zhuǎn)化為電能
目前壓縮空氣系統(tǒng)存在著諸多問題，其中最重要的是其與抽水蓄能一樣太受地理?xiàng)l件約束，建造壓縮空氣系統(tǒng)，需要特殊的地理?xiàng)l件來作為大型儲氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，這一限制是影響這項(xiàng)技術(shù)推廣的重要因素之一。此外傳統(tǒng)的空氣壓縮系統(tǒng)，系統(tǒng)效率僅為40%-55%，相比抽水蓄能的80%，效率較低。
由其原理，可以知道，壓縮空氣儲能很大一部分能量，在壓縮空氣過程中轉(zhuǎn)化為熱能，沒有得到有效利用，這是導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)效率低下的重要原因。要想提高壓縮空氣系統(tǒng)效率，可以將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量通過儲熱器存儲起來，待發(fā)電過程中用這部分熱量預(yù)熱壓縮空氣，可以達(dá)到回收熱量的目的，這一改進(jìn)技術(shù)，稱為絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)（AA-CAES）。目前這一系統(tǒng)仍未有實(shí)際示范項(xiàng)目投入運(yùn)行，該系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)如何保證儲熱器的儲熱時常以及如何能做到更經(jīng)濟(jì)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
壓縮空氣儲能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)
隨著儲能需求的不斷增長，壓縮空氣儲能作為儲能量級唯一可與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲能，技術(shù)正越來越受到青睞。其優(yōu)點(diǎn)如下：
? 快速啟動時間（<15分鐘）
? 能量密度和功率密度較高
? 具備黑啟動能力
? 日常運(yùn)營成本低
? 地球表面的地下儲存空間小
? 設(shè)備的使用壽命長，損耗低
? 壓縮空氣自放電率低
? 對于絕熱壓縮空氣其系統(tǒng)效率較高（70-75％），且不需要借助傳統(tǒng)化石能源加熱壓縮空氣，能夠真正做到碳中和。
壓縮空氣儲能技術(shù)具有調(diào)頻（二次和三次調(diào)頻），電壓調(diào)節(jié)，峰值負(fù)載調(diào)節(jié)，負(fù)載平衡，靜止儲備，黑啟動能力，未來應(yīng)用空間十分廣大，且該項(xiàng)技術(shù)良好的區(qū)域相關(guān)性，在我國三北地區(qū)有巨大發(fā)展?jié)摿?，同時可用于海上風(fēng)電儲能（北海鹽洞）。
然而，壓縮空氣儲能但同時也受各方面因素約束，如：
? 投資成本高，投資回報長（投資回報> 25年）
? 建成系統(tǒng)，必須滿足某些地質(zhì)條件（壓力密封洞穴），且鹽洞成較高
? 對于絕熱系統(tǒng)，蓄熱器自放電率高
? 對于非絕熱系統(tǒng)效率又比較低（<55％）
而且這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足，目前僅運(yùn)行兩個（較舊的）非絕熱壓縮空氣儲能項(xiàng)目; 絕熱系統(tǒng)目前還沒有示范項(xiàng)目投入運(yùn)行。考慮到地理因素，洞穴開挖也會對環(huán)境造成一定的影響，且洞穴的合適位置數(shù)量有限，通常洞穴用作天然氣或石油儲存，更具有經(jīng)濟(jì)效益。最后，分散存儲系統(tǒng)的競爭日益激烈，在小規(guī)模儲能容量下，這項(xiàng)技術(shù)的競爭力暫時不足以與其他技術(shù)相媲美。
壓縮空氣儲能案例
德國Huntorf壓縮空氣電站
來源：E.ON KraftwerkeGmbH
Huntorf是德國1978年投入商業(yè)運(yùn)行的電站，目前仍在運(yùn)行中，是世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站。其示意圖如下：
機(jī)組的壓縮機(jī)功率60MW，釋能輸出功率為290MW，最長額定輸出時間為2小時。系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)10MPa。機(jī)組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動并網(wǎng)5000多次，平均啟動可靠性97.6%。電站采用天然氣補(bǔ)燃方案，實(shí)際運(yùn)行效率約為42%，扣除補(bǔ)燃后的實(shí)際效率為19%。
德國Huntorf壓縮空氣電站參數(shù)
美國McIntosh壓縮空氣電站
來源：http://www.acstyle.com.cn/news/145-3.html
美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站1991年投入商業(yè)運(yùn)行，是世界上第二座投入運(yùn)營的商業(yè)壓縮空氣儲能電站。該系統(tǒng)壓縮機(jī)組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW。儲氣洞穴在地下450m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)41h空氣壓縮和26h發(fā)電，機(jī)組從啟動到滿負(fù)荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動控制。與Huntorf類似的是，仍然采用天然氣補(bǔ)燃，實(shí)際運(yùn)行效率約為54%，扣除補(bǔ)燃后的實(shí)際效率20%。
美國McIntosh壓縮空氣電站參數(shù)
參考資料：
[1] Technologischer überblick zurSpeicherung von Elektrizit?t-ISEA RWTH Aachen
[2] Stromspeicherpotenziale für Deutschland-Universit?t Stuttgart
[3] 細(xì)說儲能：壓縮空, 趙乾乾 http://www.acstyle.com.cn/news/show-411677.html
[4] 壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景, 高科技與產(chǎn)業(yè)化http://www.cnenergynews.cn/xny_183/cn/201807/t20180716_661013.html
[5] 壓縮空氣儲能應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢, 余耀孫華許俊斌曹晨霞林堯,中國壓縮機(jī)網(wǎng)http://www.compressor.cn/
