中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，得益于化石能源如石油、天然氣、煤炭等的廣泛使用。然而據(jù)科學(xué)推算，化石能源將在21世紀(jì)上半葉迅速接近枯竭：石油儲(chǔ)量將在2050年左右耗盡，天然氣最多還可以用65年，煤的儲(chǔ)量多些，但最多也就再供應(yīng)不足200年?；茉吹亩倘焙凸┙o的中斷，必將深刻影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響世界局勢(shì)。事實(shí)上近10多年來(lái)，世界許多地區(qū)的沖突和戰(zhàn)爭(zhēng)都是因爭(zhēng)奪能源而引發(fā)的。
為了有效應(yīng)對(duì)化石能源耗盡所帶來(lái)的能源危機(jī)，許多國(guó)家都在尋求化石能源的替代品，如風(fēng)能、核能、太陽(yáng)能以及生物燃料等。然而，不論是不可再生的還是可再生的能源，很大一部分都必須轉(zhuǎn)化為電能加以利用。因此從歷史發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，特別是隨著化石能源的耗盡，未來(lái)能源最主要的形式將是電能。
然而電能卻有一個(gè)非常不利的缺點(diǎn)：不便儲(chǔ)存。在整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)，用戶消耗的電能任何時(shí)候都等于電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電廠在同一時(shí)刻生產(chǎn)的電能，發(fā)電廠的發(fā)電量要隨用戶用電量的變化而變化。由于用戶在用電高峰與用電低谷間的用電需求差別很大，往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)電廠生產(chǎn)的電能，在用電高峰時(shí)不能滿足用戶的需求，而在用電低谷時(shí)大量的富裕電量又不能得到有效利用。以上海近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，為解決全市每年約200小時(shí)的高峰用電負(fù)荷，僅對(duì)電網(wǎng)一項(xiàng)的投資每年就超過(guò)200億元之多，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率卻不到2％，造成了很大的浪費(fèi)。如果能建立起大容量的電力儲(chǔ)能裝置，將對(duì)電能的合理利用起到“削峰填谷”的作用。通過(guò)儲(chǔ)存電網(wǎng)夜間用電低谷時(shí)充足的富余電能，然后到白天用電高峰時(shí)反饋輸出進(jìn)行平抑，這樣可以大大提高發(fā)電設(shè)備的利用效率，并節(jié)約巨額投資。
儲(chǔ)能
正是由于電力儲(chǔ)能裝置對(duì)提高能源利用率有著重要的意義，因此發(fā)達(dá)國(guó)家早就開(kāi)始了針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究。目前，世界上的儲(chǔ)能技術(shù)歸納起來(lái)主要有物理儲(chǔ)能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）、化學(xué)儲(chǔ)能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等）和電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等）這三大類。由于化學(xué)儲(chǔ)能存在成本高、容量小、且對(duì)環(huán)境有污染等問(wèn)題，目前尚不適宜開(kāi)展大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用；而電磁儲(chǔ)能開(kāi)展研究的時(shí)間還不長(zhǎng)，技術(shù)還不夠成熟。因此，物理儲(chǔ)能作為一種相對(duì)成熟也是實(shí)際應(yīng)用較早的儲(chǔ)能方式，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。
在各種物理儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上最大（可達(dá)上千兆瓦）、技術(shù)上也最成熟，但是它對(duì)地勢(shì)有著特殊的要求：最好是在面積較小的范圍內(nèi)有著較大的水位高度落差。抽水蓄能對(duì)地理?xiàng)l件要求苛刻，并且對(duì)水源、道路交通都有特定的要求，如果不能利用已有的自然條件加以改造，完全通過(guò)人工興建將得不償失。
一個(gè)典型的抽水蓄能電站占地上千畝，需要修建上下兩個(gè)水庫(kù)以及包括引水管、導(dǎo)流管、引水渠、盤山公路等在內(nèi)的配套設(shè)施，還會(huì)面臨泥石流、山體滑坡、壩體開(kāi)裂、管道破損等潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。即使在正常的使用過(guò)程中，也會(huì)面臨著水源的蒸發(fā)與流失，如果沒(méi)有合適的天然水源作為補(bǔ)充，將為此支付不菲的水資源成本。再加上水的粘度大，泵水所需耗費(fèi)的功率高，因此抽水蓄
能電站的能量轉(zhuǎn)換效率一般也就在70%左右。然而，盡管抽水蓄能存在著如此多的局限性，但其仍然憑借技術(shù)上的成熟性在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。
除了抽水蓄能外，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的儲(chǔ)能方式就是壓縮空氣儲(chǔ)能（單機(jī)規(guī)模在百兆瓦級(jí)別）。壓縮空氣儲(chǔ)能是指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將富余電能用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)壓縮空氣，將空氣高壓密封在山洞、報(bào)廢礦井、過(guò)期油氣井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐或地面儲(chǔ)氣罐中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)燃汽輪機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式。1949年，壓縮空氣儲(chǔ)能的第一個(gè)專利在美國(guó)問(wèn)世；1978年，第一臺(tái)商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組在德國(guó)誕生。目前國(guó)際上已有兩座長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，分別位于德國(guó)和美國(guó)。由于具有效率高、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，壓縮空氣儲(chǔ)能是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能技術(shù)之一。
壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能的兩大優(yōu)勢(shì)使其能夠成為一種重要的儲(chǔ)能手段。首先，壓縮空氣儲(chǔ)能在裝機(jī)容量上可達(dá)上百兆瓦，規(guī)模僅次于抽水蓄能，便于開(kāi)展大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用；其次，壓縮空氣儲(chǔ)能在技術(shù)上較為成熟，并且其技術(shù)發(fā)展前景也較為廣闊。
壓縮空氣儲(chǔ)能是一種基于燃?xì)廨啓C(jī)的儲(chǔ)能技術(shù)，其原理是將燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和透平分開(kāi)。在儲(chǔ)能時(shí)，用電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣容器內(nèi)；在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室助燃，燃?xì)馀蛎涷?qū)動(dòng)渦輪做功發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能的能源轉(zhuǎn)化效率較高，一般在75%左右，其中德國(guó)一座裝機(jī)容量為29萬(wàn)千瓦的壓縮空氣儲(chǔ)
能電站，其能源轉(zhuǎn)化效率高達(dá)77%，如果再采用一些先進(jìn)的技術(shù)（如超導(dǎo)熱管技術(shù)等），其效率能進(jìn)一步提升到80%以上。
由于技術(shù)成熟、規(guī)模較大，壓縮空氣儲(chǔ)能的成本較低。以興建一座200萬(wàn)千瓦的電站為例，如果采用抽水蓄能的方式，其投資額約為70到100億元人民幣，而如果采用壓縮空氣儲(chǔ)能的方式，其投資額僅為50~60億元人民幣。即使與其他形式的儲(chǔ)能電站相比，壓縮空氣儲(chǔ)能仍然是成本最低的一種儲(chǔ)能方式。同時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)周期也較短，一般僅需3到5年的時(shí)間，而建設(shè)一座同樣規(guī)格的抽水蓄能電站則需要5到8年。如果在使用的過(guò)程中注意維護(hù)，壓縮空氣儲(chǔ)能電站的壽命也可達(dá)四五十年，接近抽水蓄能的50年，是壽命最長(zhǎng)的一種儲(chǔ)能方式。
除了自身的能源轉(zhuǎn)化效率較高、建設(shè)成本低之外，壓縮空氣儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)效益也十分明顯。一方面，通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的峰谷調(diào)節(jié)功能來(lái)滿足用電高峰時(shí)的需求，可避免興建火力發(fā)電站帶來(lái)的投資與浪費(fèi)（這種火電站僅在用電高峰時(shí)開(kāi)機(jī)而平時(shí)都處在停機(jī)狀態(tài)）。另一方面，以我國(guó)各地現(xiàn)有的“峰谷電價(jià)”來(lái)看，平均起來(lái)峰期電價(jià)是谷期電價(jià)的2到3倍。因此，如果在用電谷期將富余的電能通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能的方式收集起來(lái)，在用電峰期的時(shí)候再釋放出去，即使其效率僅按75%來(lái)計(jì)算，相對(duì)于谷期電價(jià)來(lái)說(shuō)仍有50%～100%的收益率。
壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用
除了將富余的電能儲(chǔ)存再利用，實(shí)現(xiàn)常規(guī)的“削峰平谷”之外，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)還特別適用于解決風(fēng)力發(fā)電和
太陽(yáng)能發(fā)電的隨機(jī)性、間隙性和波動(dòng)性等問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)其發(fā)電的平滑輸出。經(jīng)測(cè)算，如果風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)占電網(wǎng)容量比例達(dá)20%以上時(shí)，則電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大的挑戰(zhàn)。壓縮空氣儲(chǔ)能尤其適用于大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)，因?yàn)閮烧哂兄烊坏慕Y(jié)合優(yōu)勢(shì)：風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械功可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，減少了中間轉(zhuǎn)換成電的環(huán)節(jié)，從而提高效率，而且存儲(chǔ)的能量經(jīng)過(guò)再次發(fā)電可以達(dá)到穩(wěn)定的輸出，從而為風(fēng)能的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電找到了另一條途徑。
而隨著壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展，特別是伴隨著壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的小型化，其在城市內(nèi)的應(yīng)用前景也不斷擴(kuò)大。
首先，壓縮空氣儲(chǔ)能裝置可以作為樓宇大廈的應(yīng)急電源。傳統(tǒng)的應(yīng)急電源一般是采用柴油發(fā)電機(jī)或蓄電池的方式。前者需要一定的啟動(dòng)時(shí)間，且設(shè)備容易老化損壞、可維護(hù)性差；而后者的容量有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的供電。隨著壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的小型化發(fā)展，使其作為應(yīng)急電源成為了一種可能。相對(duì)于前兩者，壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的啟動(dòng)時(shí)間短、能量密度高，能夠快速持續(xù)的供電，是一種非常有效的應(yīng)急電源。而且其壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便，只需定期檢測(cè)壓縮空氣量是否能夠滿足要求，在壓縮空氣量有所不足的時(shí)候，利用電網(wǎng)低谷時(shí)期的電力驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)充即可。
其次，隨著技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的容量進(jìn)一步擴(kuò)大，其作為分布式電源的前景也更加明朗。并且由于空氣在壓縮與膨脹的過(guò)程中總是分別伴隨著熱量的釋放與吸收，因此未來(lái)的建筑中可以通過(guò)一個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能裝置來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電和溫度調(diào)節(jié)的功能，
從另一個(gè)渠道來(lái)實(shí)現(xiàn)零排放的綠色建筑。
除了在電廠和建筑物上的應(yīng)用之外，目前，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始探索基于壓縮空氣儲(chǔ)能的混合動(dòng)力車的研制，這種混合動(dòng)力車不需要蓄電池或電動(dòng)機(jī)，而是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮空氣來(lái)儲(chǔ)存能量。在短距離或低速情況下，僅通過(guò)壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車，當(dāng)車速提高后，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷（要么通過(guò)活塞壓縮空氣來(lái)增加負(fù)荷，要么用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞來(lái)減小負(fù)荷）使其在最佳效率的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，這種基于壓縮空氣儲(chǔ)能的混合動(dòng)力車與當(dāng)今的油電混合動(dòng)力車節(jié)省的燃料相當(dāng)，但成本卻比后者低得多。另?yè)?jù)報(bào)道，也有國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了直接用儲(chǔ)存起來(lái)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功作為汽車動(dòng)力的試驗(yàn)，目前已經(jīng)達(dá)到時(shí)速50公里，可行駛90公里的效果。
結(jié)束語(yǔ)
壓縮空氣儲(chǔ)能具有廣闊的市場(chǎng)前景和社會(huì)效益，然而直到最近兩三年它才在我國(guó)成為研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)的有關(guān)高校和研究院所也已開(kāi)展了相關(guān)方面的研究工作，但主要還是集中在理論研究和小型實(shí)驗(yàn)層面。
空氣，與我們航空人有著不解之緣；燃?xì)廨啓C(jī)，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展的重要領(lǐng)域。壓縮空氣儲(chǔ)能與航空工業(yè)的技術(shù)同源、產(chǎn)品相關(guān)，航空工業(yè)完全可以開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究與工程應(yīng)用探索，在壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域書(shū)寫(xiě)出航空人的濃墨重彩。
(作者系中航工業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院院長(zhǎng))
