儲能技術是解決可再生能源大規(guī)模接入、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經濟性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有規(guī)模大、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術之一。
壓縮空氣儲能技術概述
儲能技術可解決可再生能源大規(guī)模接入、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經濟性的迫切需要，被稱為能源革命的支撐技術。截至2016 年底，我國儲能裝機為24.2GW，約占全國電力總裝機的1.5%，遠低于世界2.7% 的平均水平。預計到2050 年，我國儲能裝機將達到200GW 以上，占發(fā)電總量的10%~15%， 市場需求巨大而迫切。壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有規(guī)模大、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點， 被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術之一。
目前，全球已有兩座大規(guī)模壓縮空氣儲能電站投入了商業(yè)運行。
第一座是1978 年投入商業(yè)運行的德國Huntorf 電站(圖1)。機組采用兩級壓縮兩級膨脹，壓縮機功率為60MW，膨脹機功率為290MW(2007 年擴容至321MW)，壓縮空氣存儲在地下600 米的廢棄礦洞中，總容積達3.1×105m3，壓力最高可達100bar。機組可連續(xù)充氣8 小時，連續(xù)發(fā)電2 小時。機組從靜止到滿負荷需要11 分鐘，冷態(tài)啟動至滿負荷約需6 分鐘，電站效率為42%。
第二座是于1991 年投入商業(yè)運行的美國McIntosh 電站(圖2)。其儲氣洞穴在地下450 米，總容積達5.6×105m3，儲氣壓力約為75bar。該電站壓縮機功率為50MW，膨脹機功率為110MW，可實現(xiàn)連續(xù)41 小時充氣和26 小時發(fā)電，機組從啟動到滿負荷約需9 分鐘， 系統(tǒng)效率為54%。另外，日本于2001 年在北海道空知郡投運了上砂川町2MW 壓縮空氣儲能示范項目。其余國家如瑞士、法國、英國、意大利、俄羅斯、以色列、芬蘭、南非和韓國等國家也在積極開發(fā)壓縮空氣儲能電站。
以上商業(yè)電站均屬于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(圖3)。在用電低谷，壓縮機將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來;在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅動透平發(fā)電。
但傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)存在三個技術瓶頸，一是依賴天然氣等化石燃料提供熱源，不適合我國這類“缺油少氣”的國家;二是需要特殊地理條件建造大型儲氣室，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(分別為42%、54%)，需進一步提高。
新型壓縮空氣儲能技術研發(fā)進展
為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的技術瓶頸問題，近年來，國內外學者開展了新型壓縮空氣儲能技術研發(fā)工作，包括絕熱壓縮空氣儲能、蓄熱式壓縮空氣儲能及等溫壓縮空氣儲能(不使用燃料)、液態(tài)空氣儲能(不使用大型儲氣室)、超臨界壓縮空氣儲能(不使用大型儲氣室、不使用燃料)等。
絕熱式壓縮空氣儲能
絕熱式壓縮空氣儲能技術通過儲熱裝置回收壓縮熱并儲存，使壓縮及膨脹過程近似于絕熱過程，不必燃燒化石燃料，并且能保持較高的儲能密度及效率。其工作原理為：儲能時，通過壓縮機將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)后，通過儲熱系統(tǒng)將壓縮熱儲存，空氣降溫并儲存在儲罐中。釋能時，將高壓空氣釋放，利用儲存的壓縮熱使空氣升溫，由高溫高壓空氣推動膨脹機做功發(fā)電。
該系統(tǒng)回收了壓縮熱并且再利用，使系統(tǒng)效率得到了較大提高，同時去除了燃燒室，實現(xiàn)了零排放。但由于壓縮機級間不回收熱量、冷卻空氣，故壓縮過程能耗較高。由于壓縮機出口的空氣溫度高，對設備材料要求高。
德國RWE Power 公司于2010 年啟動ADELE 項目， 設計儲熱溫度600 ℃， 設計儲氣壓力100bar，理論設計效率可達70%，該項目一直處于論證階段。
蓄熱式壓縮空氣儲能
蓄熱式壓縮空氣儲能又被稱作先進絕熱壓縮空氣儲能，其原理同絕熱壓縮空氣儲能類似，區(qū)別在于該系統(tǒng)在壓縮過程級間換熱及儲熱，絕熱壓縮空氣儲能在全部壓縮過程結束后儲熱。相較于絕熱壓縮空氣儲能，蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲熱溫度及儲能密度較低，但其壓縮機耗能減小，且對于壓縮機材料要求不高。該系統(tǒng)缺點在于增加了多級換熱及儲熱，系統(tǒng)初投資有所增加。
中國科學院工程熱物理研究所于2013 年在廊坊建成國內首套1.5MW 蓄熱式壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，于2016 年在貴州畢節(jié)建成國際首套10MW 示范系統(tǒng)，效率達60.2%，是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
等溫壓縮空氣儲能
等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)是指通過一定措施(如活塞、噴淋、底部注氣等)，通過比熱容大的液體(水或者油)提供近似恒定的溫度環(huán)境，增大氣液接觸面積和接觸時間，使空氣在壓縮和膨脹過程中無限接近于等溫過程，將熱損失降到最低，從而提高系統(tǒng)效率，其理論效率可達70% 以上。此外，該技術不必提供外部熱源，還可以減少部件的熱應力。但該系統(tǒng)也存在一定問題，在壓縮過程中，部分空氣溶解于水中而沒有存儲到儲氣罐，造成部分能量損失。
美國SustainX 公司于2013 年在美國New Hampshire 州建成1.5MW/1.5MWh 的示范系統(tǒng)。美國General Compression 公司于2012 年在美國Texas 州建成2MW/500MWh 示范系統(tǒng)。目前，上述兩家公司已經合并成立GCX 能源公司，繼續(xù)開展壓縮空氣儲能技術開發(fā)工作。美國的Lightsail 公司也開展等溫壓縮空氣儲能研發(fā)，目前正在加拿大Nova Scotia 省建設500kW/3MWh 示范項目。
液態(tài)空氣儲能
液態(tài)壓縮空氣儲能是將電能轉化為液態(tài)空氣的內能以實現(xiàn)能量存儲的技術。儲能時，利用富余電能驅動電動機將空氣壓縮、冷卻、液化后注入低溫儲罐儲存;發(fā)電時，液態(tài)空氣從儲罐中引出，加壓后送入蓄冷裝置將冷量儲存并使空氣升溫氣化，高壓氣態(tài)空氣通過換熱器進一步升溫后進入膨脹機做功發(fā)電。由于液態(tài)空氣的密度遠大于氣態(tài)空氣，其儲氣室容積可減少約20 倍，大幅壓縮系統(tǒng)占地面積，綜合成本有下降的空間。但由于系統(tǒng)增加液化冷卻和氣化加熱過程，增加了額外損耗。
英國Highview 儲能公司于2010 年建成350kW/2.5MWh 液態(tài)空氣儲能示范系統(tǒng)并成功投運，目前正在開展5MW/15MWh 示范電站建設。中科院工程熱物理所于2013 年在廊坊建成1.5MW 液態(tài)空氣儲能示范系統(tǒng)。其余機構如中科院理化技術研究所、智能電網(wǎng)研究院、東南大學、昆明理工大學等也開展了相關理論及實驗研究。
超臨界壓縮空氣儲能
2009 年，中科院工程熱物理所在國際上原創(chuàng)性地提出超臨界壓縮空氣儲能技術。該技術利用超臨界狀態(tài)下的流體兼有液體和氣體的雙重優(yōu)點，比如接近液體的較高的密度、比熱容和溶解度，良好的傳熱傳質特性;同時也具有類似氣體的粘度小、擴散系數(shù)大、滲透性好、互溶性強等優(yōu)點。
其工作原理是：1)儲能過程，利用富余電能通過壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，通過儲熱系統(tǒng)回收壓縮熱后，利用儲冷系統(tǒng)存儲的冷能將空氣冷卻液化，并儲于低溫儲罐中;2)釋能過程，液態(tài)空氣加壓后，通過儲冷系統(tǒng)將冷量儲存，空氣吸熱至超臨界狀態(tài)，并吸收儲熱系統(tǒng)儲存的壓縮熱使空氣進一步升溫，通過膨脹機驅動電機發(fā)電。
目前，該技術為中科院工程熱物理所的專利技術。中科院工程熱物理所于2011 年在北京建成15kW 原理樣機，并于2013 年在廊坊建成1.5MW 示范系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達52.1%。目前，10MW 級示范項目正在建設中。
水下壓縮空氣儲能
水下壓縮空氣儲能屬于等壓壓縮空氣儲能的一種，該技術將壓縮空氣存儲在水下(如海底和湖底)，利用水的靜壓特性保持儲氣的壓力恒定，保證壓縮機出口及膨脹機入口壓力恒定，從而使壓縮機和膨脹機始終工作在額定工況附近，不需要通過減壓閥進行壓力調整，減少能量損耗，提高系統(tǒng)效率。該系統(tǒng)不需要在儲氣空間保持一定的最小氣壓，使得空氣壓縮能可利用比率更高。此外，該系統(tǒng)安全性相對較高，即使發(fā)生失效事故，造成的破壞與危害也較小。
加拿大Hydrostor 公司于2015 年建成660kW 實驗系統(tǒng)。英國諾丁漢大學研制了1.8 米和直徑5 米的儲氣包，并進行了實驗研究。其余如美國加州大學、佛羅里達大學、北卡羅來納大學、麻省理工大學、我國的中科院工程熱物理所、華北電力大學都進行了理論及實驗研究，目前尚無大規(guī)模示范項目建成。
外部熱源補熱類壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以利用外界熱源來提升空氣做功發(fā)電能力，提高系統(tǒng)整體效率。其可利用的熱源包括太陽能熱利用，工業(yè)企業(yè)如冶金、化工、水泥、玻璃等行業(yè)的余熱廢熱，核電等發(fā)電廠的余熱，生物質制取的沼氣、合成氣等。
目前，應用較廣泛的是太陽能補熱型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽集熱裝置聚光形成溫度可達500℃以上的高溫熱源對壓縮空氣進行補熱升溫后，再推動透平膨脹做功，從而提高系統(tǒng)運行效率的儲能系統(tǒng)。
美國普渡大學、英國華威大學、英國諾丁漢大學、伊朗德黑蘭大學、中科院工程熱物理所、清華大學、華南理工大學等機構也開展了相關研究。
主要應用領域
壓縮空氣儲能技術最早主要用于電力系統(tǒng)的調峰和調頻，但隨著技術不斷發(fā)展和微小型壓縮空氣儲能技術的出現(xiàn)，其應用越來越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車動力系統(tǒng)、UPS 電源等方面都得到了應用。
電力系統(tǒng)調峰
目前，每日的用電負荷是波動變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當前的發(fā)電裝機容量與電網(wǎng)容量需按最大需求建設，導致用電低谷時發(fā)電機組停機或低負荷運行，以及電網(wǎng)容量的浪費。壓縮空氣儲能作為大規(guī)模容量型儲能技術，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲存，在用電高峰釋放，實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，減少發(fā)電裝機及電網(wǎng)容量，提升電力系統(tǒng)效率和經濟性。
可再生能源
可再生能源如風能、太陽能均具有間歇性、不穩(wěn)定性，直接發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)沖擊很大，故棄風、棄光現(xiàn)象嚴重。壓縮空氣儲能技術可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲存起來，再按照需求平穩(wěn)、可控的釋放，具有平滑波動、跟蹤調度輸出、調峰調頻等功能，實現(xiàn)可再生能源電力大規(guī)模并網(wǎng)，有效解決棄風、棄光問題。
分布式能源系統(tǒng)
分布式能源系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)是未來高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢之一。但分布式能源系統(tǒng)相較于大電網(wǎng)，具有負荷波動大、系統(tǒng)調節(jié)能力差、故障率高等缺點。壓縮空氣儲能可作為負荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問題，提高系統(tǒng)的供電可靠性、穩(wěn)定性，并可實現(xiàn)黑啟動及孤網(wǎng)運行。由于壓縮空氣儲能技術過程中產生熱量，可以和制冷、制熱系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產，具有很好的應用前景。
電力系統(tǒng)調頻
壓縮空氣儲能電站可以和其他如燃氣輪機電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統(tǒng)調頻的作用。當壓縮空氣儲能電站與其他儲能技術如超級電容、飛輪儲能、化學電池等相結合時，調頻速度會更快更有效。
其他應用
壓縮空氣儲能在其他領域也有較廣泛的應用，可以為汽車、高爾夫球車等移動設備提供動力;也可以作為不間斷電源(UPS)，為數(shù)據(jù)機房、精密儀器制造、醫(yī)療設施、國防設施等關鍵部件提供保障性電源;系統(tǒng)經膨脹機做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經過了凈化，還可用于空調系統(tǒng)為建筑提供新風和冷量。
挑戰(zhàn)及機遇
技術性能需要進一步提升
雖然新型壓縮空氣儲能技術發(fā)展速度較快，但各項技術性能仍需進一步提升，尚不能完全滿足大規(guī)模推廣的要求。目前，新型壓縮空氣儲能最高效率為60% 左右， 距離高效電池儲能技術的效率(80% 以上) 還有一定差距;其系統(tǒng)最大規(guī)模為10MW， 尚未達到傳統(tǒng)壓縮空氣儲能百兆瓦規(guī)模; 其系統(tǒng)單位成本約為6000~10000 元/kW 暨1500~2500 元/kWh，仍有足夠的下降空間。
迫切需要開展大規(guī)模系統(tǒng)的技術攻關
大規(guī)?；菈嚎s空氣儲能技術的發(fā)展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。現(xiàn)已實現(xiàn)應用的新型壓縮空氣儲能技術規(guī)模偏小(1-10MW)，還不能滿足對儲能規(guī)模和經濟性的要求。因此，迫切需要啟動更大規(guī)模(100MW 級)的新型壓縮空氣儲能技術研發(fā)。
研發(fā)力量尚顯不足
由于壓縮空氣儲能技術是一個多學科交叉的系統(tǒng)工程且單臺機組規(guī)模大，其技術研發(fā)門檻較高，需要組建大規(guī)模的研發(fā)團隊和大量的資金投入，故目前從事該技術研發(fā)的機構、團隊相對較少;由于系統(tǒng)內部件繁多，需要建設大量的部件及系統(tǒng)實驗平臺以完成關鍵技術攻關，目前全球范圍已建成的高水平研發(fā)平臺較少，未給予足夠的研發(fā)條件支撐。
示范和應用亟需加強
新型壓縮空氣儲能技術的示范系統(tǒng)數(shù)量少，規(guī)模小，不能滿足技術發(fā)展的示范需求，迫切需要各國政府、企業(yè)加強政策引導、加大資金支持。目前大部分國家尚未形成系統(tǒng)的電價補償和激勵政策，全球商業(yè)運行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲能技術的推廣和應用。
隨著各國電價政策的逐漸完善，大規(guī)模壓縮空氣儲能示范項目的陸續(xù)建成，壓縮空氣儲能產業(yè)已經進入了發(fā)展的快車道。相信在良好的政策環(huán)境下，在產業(yè)鏈上下游的大力支持下，在科研機構持續(xù)不斷的技術革新下，壓縮空氣儲能技術一定會持續(xù)健康發(fā)展，快速實現(xiàn)大規(guī)模應用。
(該文研究獲得了國家重點研發(fā)計劃(2017YFB0903602)、國家自然科學基金(51676181)、中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-JSC023)、北京市科技計劃項目(D161100004616001 ;D161100004616002)的資助。)
