什么是壓縮空氣儲(chǔ)能？壓縮空氣儲(chǔ)能的原理及特點(diǎn)

壓縮空氣儲(chǔ)能，是指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，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)電的儲(chǔ)能方式。形式主要有，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、帶儲(chǔ)熱裝置的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、液氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括6個(gè)主要部件：

壓縮機(jī)，一般為多級(jí)壓縮機(jī)帶級(jí)間冷卻裝置；

膨脹機(jī)，一般為多級(jí)渦輪膨脹機(jī)帶級(jí)間再熱設(shè)備；

燃燒室及換熱器，用于燃料燃燒和回收余熱等；

儲(chǔ)氣裝置，地下或者地上洞穴或壓力容器；

電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，分別通過(guò)離合器和壓縮機(jī)以及膨脹機(jī)聯(lián)接；

控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備，包括控制系統(tǒng)、燃料罐、 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、管路和配件等。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是以高壓空氣壓力能作為能量?jī)?chǔ)存形式，并在需要時(shí)通過(guò)高壓空氣膨脹做功來(lái)發(fā)電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作過(guò)程可分為儲(chǔ)能和釋能兩個(gè)環(huán)節(jié)。

儲(chǔ)能環(huán)節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)利用風(fēng)/光電或低谷電能帶動(dòng)壓縮機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲(chǔ)于報(bào)廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或者人造的儲(chǔ)氣罐中；

釋能環(huán)節(jié)：通過(guò)放出高壓空氣推動(dòng)膨脹機(jī)，將存儲(chǔ)的空氣壓力能再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者電能，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在釋能階段需要在燃燒室內(nèi)燃燒化石燃料來(lái)加熱空氣，以實(shí)現(xiàn)利用空氣發(fā)電的功能。

壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)存形式

壓縮空氣儲(chǔ)能主要以兩種形式儲(chǔ)存：壓縮空氣蓄能罐和地下儲(chǔ)氣庫(kù)。

壓縮空氣蓄能罐

壓縮空氣蓄能罐是將壓縮空氣儲(chǔ)存在大型的氣體容器內(nèi)。這種儲(chǔ)存方式需要考慮儲(chǔ)罐的大小和壓力，以保證罐內(nèi)的空氣能夠有效地驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。

壓縮空氣蓄能罐一般分為兩種類型：鋼制儲(chǔ)氣罐和混凝土儲(chǔ)氣罐。鋼制儲(chǔ)氣罐可以容納更高的壓力，更適合進(jìn)行高強(qiáng)度的儲(chǔ)存，但成本較高。而混凝土儲(chǔ)氣罐成本較低，但需要更大的體積才能儲(chǔ)存同樣的壓縮空氣。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)

地下儲(chǔ)氣庫(kù)是將壓縮空氣儲(chǔ)存在地下洞穴或鹽穴中。這種儲(chǔ)存方式具有較高的儲(chǔ)存能力和安全性，但需要考慮儲(chǔ)存洞穴或鹽穴的地質(zhì)特征和環(huán)境影響等問(wèn)題。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)有兩種類型：注入式和抽放式。注入式儲(chǔ)氣庫(kù)是將壓縮空氣通過(guò)管道注入洞穴或鹽穴中，而抽放式儲(chǔ)氣庫(kù)則是通過(guò)井或管道將壓縮空氣抽放到儲(chǔ)存區(qū)域。

壓縮空氣儲(chǔ)能的分類

一般來(lái)說(shuō)，壓縮空氣儲(chǔ)能可分為以下幾種類型:

機(jī)械壓縮式儲(chǔ)能系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械設(shè)備將空氣壓縮儲(chǔ)存，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電能。

熱力壓縮式儲(chǔ)能系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過(guò)利用地?zé)峄蛱?yáng)能等熱源產(chǎn)生高溫氣體，再將高溫氣體壓縮儲(chǔ)存，最后利用儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生電能。

液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)：該系統(tǒng)將空氣壓縮成液態(tài)，儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中，需要時(shí)通過(guò)加熱將液態(tài)空氣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，再通過(guò)渦輪發(fā)電機(jī)將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電能。

吸附式空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過(guò)利用物理或化學(xué)吸附材料將空氣壓縮儲(chǔ)存，需要時(shí)通過(guò)熱力或減壓將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)。

壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)路徑

目前最主要的新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有三個(gè)新的技術(shù)路徑：蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能（TS-CAES）、液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（LAES）、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（SC-CAES）。

蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能（TS-CAES）：空氣壓縮過(guò)程會(huì)產(chǎn)生壓縮熱，在傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能中，這部分熱量通常被冷卻水帶走，最終耗散掉，而蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能則將這部分熱量在儲(chǔ)能時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，而在釋能時(shí)用這部分熱量加熱膨脹機(jī)入口空氣，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用，提高了系統(tǒng)效率。同時(shí)由于膨脹機(jī)前有壓縮熱的加熱，可以取消燃燒室，即該系統(tǒng)也擺脫了對(duì)化石燃料的依賴。

液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（LAES）：借助于空氣降溫液化技術(shù)，通過(guò)添加流程使空氣以液態(tài)形式儲(chǔ)存。儲(chǔ)能時(shí)，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的高壓空氣進(jìn)入回?zé)崞鹘禍睾徒祲涸O(shè)備進(jìn)行液化，被液化的常壓低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中；釋能時(shí)，液態(tài)空氣經(jīng)過(guò)低溫泵升壓、回?zé)崞魃郎兀缓筮M(jìn)入燃燒室，與燃料混合燃燒后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功。

超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（SC-CAES）：利用空氣的超臨界特性，在蓄熱/冷過(guò)程中高效傳熱/冷，并將空氣以液態(tài)形式儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效和高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)兼具蓄熱式和液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能的特點(diǎn)，同時(shí)擺脫了依賴大型儲(chǔ)氣室和化石燃料的問(wèn)題。

壓縮空氣儲(chǔ)能有哪些優(yōu)勢(shì)

壓縮空氣儲(chǔ)能具有容量大、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)、安全性較高等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：

規(guī)模上僅次于抽水蓄能，適合大規(guī)模儲(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以持續(xù)工作數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天；

項(xiàng)目建設(shè)選址限制少。雖然將壓縮空氣儲(chǔ)存在合適的地下礦井或巖穴中是最經(jīng)濟(jì)的方式，但也可以用地面高壓儲(chǔ)氣罐取代地下洞穴；

系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)。通過(guò)恰當(dāng)維護(hù)可以達(dá)到40～50年，接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以達(dá)到60%以上，接近抽水蓄能電站；

安全性較高。壓縮空氣儲(chǔ)能使用的原料是空氣，不會(huì)燃燒，且不產(chǎn)生任何有毒有害氣體。

當(dāng)然，壓縮空氣儲(chǔ)能缺點(diǎn)也比較明顯，尤其是與電化學(xué)儲(chǔ)能相比：

目前壓縮空氣儲(chǔ)能的效率能達(dá)到60%以上，與效率較高的電池（90%以上）相比相對(duì)較低；

響應(yīng)速度沒(méi)有電化學(xué)儲(chǔ)能快，負(fù)荷從0到100%的正常響應(yīng)時(shí)間在分鐘級(jí)，而電化學(xué)儲(chǔ)能為秒級(jí)到毫秒級(jí)；

一般情況下不適合太小規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景，規(guī)模太小，系統(tǒng)效率會(huì)下降，單位成本也會(huì)增加。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)

壓縮空氣是實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電的核心能量載體，而壓縮空氣的長(zhǎng)周期、大容量存儲(chǔ)則需要借助儲(chǔ)氣裝置實(shí)現(xiàn)。為支撐壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全高效的大容量、長(zhǎng)周期儲(chǔ)能運(yùn)行，儲(chǔ)氣裝置必須具備相應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)：

耐高壓，適用于 6~15兆帕工作壓力壓縮空氣介質(zhì)的存儲(chǔ)，具備防超壓、防泄漏、防滲透、防腐蝕能力；抗沖擊，適用于日循環(huán)周期性充放氣工況，具備抗壓力交變和抗溫度交變能力；

易實(shí)施，技術(shù)成熟，生產(chǎn)加工工藝成熟，運(yùn)行維護(hù)便利，退役報(bào)廢成本低；容量大，具備數(shù)千立方至數(shù)十萬(wàn)立方不等的有效可利用容積；

流量大，能夠提供數(shù)千至數(shù)十萬(wàn)標(biāo)立方每小時(shí)的充放氣流量；

壓損小，單個(gè)充放氣循環(huán)的壓力損失可控制在數(shù)公斤壓力之內(nèi)；占地少，地表占地面積較小；

成本低，單位立方存儲(chǔ)容積的造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。

壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，并提供相應(yīng)的安全標(biāo)識(shí)，包括但不限于接地標(biāo)識(shí)、逃生指示、嚴(yán)禁煙火、當(dāng)心觸電等。同時(shí)，所有設(shè)備都應(yīng)有防塵、防潮和防鹽霧的設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置應(yīng)根據(jù)氣源條件、用氣條件、儲(chǔ)氣罐材質(zhì)及儲(chǔ)氣裝置附近安全因素，地下高壓儲(chǔ)氣庫(kù)應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)勘察，并根據(jù)工程巖體分級(jí)開(kāi)展區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)估，經(jīng)綜合分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比后，確定最終工藝方案。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)考慮危險(xiǎn)區(qū)域信息，并根據(jù)區(qū)域分級(jí)提供安全標(biāo)識(shí)，應(yīng)包括但不限于接地標(biāo)識(shí)、逃生指示、嚴(yán)禁煙火、當(dāng)心觸電、禁止帶電操作、壓力容器、高溫高轉(zhuǎn)速設(shè)備等。事故突發(fā)情況下可指示操作人員及時(shí)正確地脫離危險(xiǎn)場(chǎng)所。 

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的生產(chǎn)車間、作業(yè)場(chǎng)所、輔助建筑、附屬建筑、生活建筑和易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)所以及地下建筑物設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 50016的有關(guān)規(guī)定。

補(bǔ)燃型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)按GB 50016設(shè)置消防措施，管道系統(tǒng)法蘭應(yīng)加裝跨接導(dǎo)體防止靜電。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)所有設(shè)備應(yīng)防塵、防潮和防鹽霧，并防止昆蟲和動(dòng)物進(jìn)入以免引起短路和設(shè)備損壞。

管道絕熱材料、電纜材料和墻體密封材料應(yīng)采用阻燃材料。

內(nèi)部溫度超過(guò)100 ℃的管道和容器應(yīng)避免泄漏時(shí)人體直接接觸。

儲(chǔ)氣裝置應(yīng)設(shè)置安全警示標(biāo)識(shí)和報(bào)警系統(tǒng)。

壓力容器和壓力系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置安全閥和安全護(hù)欄。

儲(chǔ)氣裝置應(yīng)設(shè)置高壓氣源危險(xiǎn)標(biāo)識(shí)，宜在高點(diǎn)設(shè)置泄壓放空設(shè)施以實(shí)現(xiàn)安全泄放。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展歷程

壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)進(jìn)化，圍繞更高效率、更靈活應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)展：

一、初級(jí)探索階段（1940~1970年代）——這一階段壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理和概念得到了驗(yàn)證。理念在1949年被提出，利用地下洞穴儲(chǔ)存壓縮空氣作為能量存儲(chǔ)手段。

二、商業(yè)化應(yīng)用階段（1980年代至1990年代）——這一階段，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。主要進(jìn)步為：1）改進(jìn)了地下洞穴或礦井作為儲(chǔ)氣庫(kù)的技術(shù)，確保了儲(chǔ)氣庫(kù)的安全性和穩(wěn)定性。2）開(kāi)發(fā)了高效渦輪機(jī)，使得系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率得以提升。

三、快速發(fā)展階段（2000年代至今）——這一階段在效率和應(yīng)用場(chǎng)景上都有了顯著進(jìn)步。主要進(jìn)步為：

1）先進(jìn)熱管理系統(tǒng)：包括絕熱壓縮技術(shù)，通過(guò)高效的熱回收和再利用系統(tǒng)，提高了整體效率。典型代表是德國(guó)ADELE項(xiàng)目，該項(xiàng)目容量90 MW、儲(chǔ)氣容量約50萬(wàn)立方米的地下鹽洞、效率70%。

2）儲(chǔ)氣介質(zhì)多樣化：研究和應(yīng)用了多種儲(chǔ)氣介質(zhì)，包括液態(tài)空氣儲(chǔ)能（LAES）等，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。典型代表是英國(guó)Highview Power項(xiàng)目（試驗(yàn)中），項(xiàng)目容量5 MW儲(chǔ)能時(shí)間可以在數(shù)小時(shí)至數(shù)天之間靈活調(diào)整、預(yù)計(jì)效率可以達(dá)到50% - 60%。

3）智能控制系統(tǒng)：引入了控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性，能夠更好地與現(xiàn)代電網(wǎng)兼容。

壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈

上游——設(shè)備、資源供應(yīng)：核心設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)、蓄熱換熱系統(tǒng)等，此外還需要儲(chǔ)氣鹽穴資源等。

中游——技術(shù)提供與項(xiàng)目建設(shè)：目前國(guó)內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)積累與項(xiàng)目建設(shè)已做到全球領(lǐng)先。主要的技術(shù)提供方是中科院熱物理研究所下屬的中儲(chǔ)國(guó)能，以及清華大學(xué)等高校。

下游——電網(wǎng)系統(tǒng)：壓縮空氣儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)系統(tǒng)，服務(wù)于工業(yè)用電、商業(yè)用電、居民用電等部門，起到調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、事故備用等關(guān)鍵作用。

壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)因其高效能和靈活性，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，主要包括：

電源側(cè)：

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)集成，有效提升新能源的電能質(zhì)量和可控性。通過(guò)構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)或光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)，提高新能源發(fā)電的穩(wěn)定性和效率。

電網(wǎng)側(cè)：

可以直接接入輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)，并接受電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一調(diào)度。提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、備用、黑啟動(dòng)等技術(shù)服務(wù)，有助于緩解輸配電阻塞，提高供電可靠性。

負(fù)荷側(cè)：
與光熱、地?zé)?、工業(yè)余熱等能源相耦合，應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)、公共建筑等，提高系統(tǒng)布置的靈活性和利用效率。

第一種，可再生能源+儲(chǔ)能，風(fēng)光儲(chǔ)一體。

第二種，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能，類似抽水蓄能，響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度，依靠容量電價(jià)和電量電價(jià)，以示范項(xiàng)目的形式是可能的。電網(wǎng)特別需要長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，抽水蓄能雖然開(kāi)工了很多，但是建成投用一般都是7年以后的事了。

第三種就是用戶側(cè)，比較成功的就是山東的共享儲(chǔ)能模式，用戶能夠租賃、購(gòu)買服務(wù)，共享儲(chǔ)能是個(gè)比較好的商業(yè)模式，山東儲(chǔ)能收益主要靠共享儲(chǔ)能，容量電價(jià)很少。

第四種，發(fā)電企業(yè)或者用戶自己裝配，峰谷差套利省錢，電能質(zhì)量管理，極端情況下保電，提高電力保障可靠性。

壓縮空氣儲(chǔ)能前景展望

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在高比例間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的背景下具有前瞻性的戰(zhàn)略意義。有儲(chǔ)熱的空氣絕熱壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅綜合儲(chǔ)能效率可高達(dá)70%，而且無(wú)需熱源供熱。相比有熱源的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、有儲(chǔ)熱的空氣絕熱壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)需燃燒燃料供熱，因此更加容易實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排。

總之，在“雙碳”目標(biāo)和可再生能源使用比例逐步提高的背景下，帶有儲(chǔ)熱的絕熱空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)與可再生能源耦合系統(tǒng)很有發(fā)展前景。

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