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第一節(jié)：什么是壓縮空氣儲(chǔ)能？
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)。
關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的形式也是多種多樣，按照工作介質(zhì)、存儲(chǔ)介質(zhì)與熱源可以分為：傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（需要化石燃料燃燒）、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)。
第二節(jié)：工作原理
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理是，空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，在燃燒室同燃料一同燃燒升溫，然后高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入渦輪膨脹做功。燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)需消耗約2/3的渦輪輸出功，因此燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功遠(yuǎn)小于渦輪的輸出功。
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)渦輪不同時(shí)工作），在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中；在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電。由于儲(chǔ)能、釋能分時(shí)工作，在釋能過(guò)程中，并沒(méi)有壓縮機(jī)消耗渦輪的輸出功。 因此，相比于消耗同樣燃料的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生1倍以上的電力。
第三節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成是什么？
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(chǔ)冷卻后的空氣，若采用洞穴存儲(chǔ)，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(zhǎng)時(shí)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(guò)渦輪機(jī)降壓，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；
發(fā)電機(jī)：多為同步發(fā)電機(jī)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；
第四節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)功能
（1）削峰填谷 發(fā)電企業(yè)可利用壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)低谷電能，并在用電高峰時(shí)釋放使用，以實(shí)現(xiàn)削峰填谷；
（2）平衡電力負(fù)荷 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在幾分鐘內(nèi)從啟動(dòng)達(dá)到全負(fù)荷工作狀態(tài)，遠(yuǎn)低于普通的燃煤/油電站的啟動(dòng)時(shí)間，因此更適合作為電力負(fù)荷平衡裝置；
（3）需求側(cè)電力管理 在實(shí)行峰谷差別電價(jià)的地區(qū)，需求側(cè)用戶可以利用壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存低谷低價(jià)電能，然后在高峰高價(jià)時(shí)段使用，從而節(jié)約電力成本，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益；
（4）應(yīng)用于可再生能源 利用壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將間歇的可再生能源拼接起來(lái)，以形成穩(wěn)定的電力供應(yīng)；
（5）備用電源 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以建在電站或者用戶附近，作為線路檢修、故障或緊急情況下的備用電源
第五節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能的分類？
（1）根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱源不同，可以分為：①燃燒燃料的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；②帶儲(chǔ)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；③無(wú)熱源的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。
（2）根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模不同，可以分為：①大型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（單臺(tái)機(jī)組規(guī)模為100 MW級(jí)）；②小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（單臺(tái)機(jī)組規(guī)模為10 MW級(jí)）；③微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（單臺(tái)機(jī)組規(guī)模為10 kW級(jí)）。
（3）根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是否同其它熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合，可以分為：①傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；②壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)廨啓C(jī)耦合系統(tǒng)；③壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)；④壓縮空氣儲(chǔ)能-內(nèi)燃機(jī)耦合系統(tǒng)；⑤壓縮空氣儲(chǔ)能-制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)；⑥壓縮空氣儲(chǔ)能-可再生能源耦合系統(tǒng)。
第六節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能當(dāng)前存在的問(wèn)題是什么？
目前壓縮空氣系統(tǒng)存在著諸多問(wèn)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(lái)作為大型儲(chǔ)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。
第七節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能的電度成本
張家口的100MW級(jí)項(xiàng)目，造價(jià)是7.07億，初裝成本，100MW×4h，1600-1700元/kWh，7000元/kW，換算到度電成本大概是2毛5。一年330次循環(huán)，30年壽命，每年一個(gè)月檢修期。
第八節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有容量大、工作時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點(diǎn)，具體如下。
（1）壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)適合建造大型電站（>100 MW），僅次于抽水電站；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，工作時(shí)間長(zhǎng)。
（2）壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的建造成本和運(yùn)行成本均比較低，遠(yuǎn)低于鈉硫電池或液流電池，也低于抽水蓄能電站，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。
（3）壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命很長(zhǎng)，可以儲(chǔ)釋能上萬(wàn)次，壽命可達(dá)40~50年；并且其效率可以達(dá)到70%左右，接近抽水蓄能電站。
第九節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)缺點(diǎn)
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)比較適合于大型系統(tǒng)，小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)一般應(yīng)用于一些特殊的領(lǐng)域效率不高，而大型系統(tǒng)需要特定的地理?xiàng)l件建造大型儲(chǔ)氣室，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，大大限制了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
第十節(jié)：收益模式
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，抽水蓄能雖然開工了很多，但是建成是7年以后的事了。
第三方面就是用戶側(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，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。
第十一節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能真有想象中那么好嗎？
隨著新能源裝機(jī)比例不斷擴(kuò)大，對(duì)大容量長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求是一個(gè)共識(shí)。目前抽水蓄能系統(tǒng)是最成熟成本也相對(duì)低的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，其他的大容量長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)幾乎都沒(méi)有完全商業(yè)化，壓縮空氣儲(chǔ)能是其中一種走的比較遠(yuǎn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)系統(tǒng)。
但是目前我覺(jué)得有很多人看待壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)于樂(lè)觀了，所謂的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能效率都能到60%，單位kw的投資成本又很低，這兩個(gè)特點(diǎn)目前來(lái)說(shuō)是達(dá)不到的。在這我想要說(shuō)說(shuō)為啥達(dá)不到的關(guān)鍵因素-儲(chǔ)熱系統(tǒng)。
壓縮空氣儲(chǔ)能為什么需要儲(chǔ)熱系統(tǒng)呢，在壓縮空氣充能時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)被壓縮至高壓，同時(shí)空氣的溫度升高，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能會(huì)將空氣經(jīng)過(guò)壓縮獲得的熱能散去，這就造成了能量的損失，效率會(huì)比較低，同時(shí)在放能時(shí)，將儲(chǔ)存在鹽穴中的高壓空氣通過(guò)透平向外做功，為了提高效率，會(huì)使用天然氣燃燒加熱空氣，這是傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能循環(huán)。
傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站其實(shí)在1978年就已經(jīng)在德國(guó)投入運(yùn)行，這種壓縮空氣的儲(chǔ)能系統(tǒng)是不帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的，它的效率對(duì)外公布的是42%，具體是怎么來(lái)的呢，是它每向外發(fā)出1kwh的電，需要充入0.8kwh的電，同時(shí)還要消耗1.6kwh的天然氣，效率=1/（0.8+1.6）≈42%，這就是傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能40%多效率的來(lái)源。但是這個(gè)循環(huán)中消耗了化石能源天然氣，對(duì)將來(lái)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)來(lái)說(shuō)，是不適合的。
現(xiàn)在發(fā)展的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能都是帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的，其就是把充能時(shí)空氣獲得的熱能通過(guò)換熱器儲(chǔ)存在某種介質(zhì)中，在放能時(shí)再把這部分熱能通過(guò)換熱器傳遞給空氣，變成高溫高壓的空氣通過(guò)透平向外做功，如果能將儲(chǔ)存的能量充分利用，目前的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能循環(huán)的效率能夠達(dá)到60%，并且不需要天然氣補(bǔ)燃。如果能達(dá)到這樣的條件，似乎是能和抽水蓄能稍微比一比了，但目前來(lái)說(shuō)，這樣的參數(shù)目前壓縮空氣儲(chǔ)能還達(dá)不到，具體是什么原因呢？
我們知道先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能與傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能最大的區(qū)別就是先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能帶有儲(chǔ)熱系統(tǒng)，不需要補(bǔ)燃，那么先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)的完成，就是先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能能否商業(yè)化的重要影響因素。
但這個(gè)答案目前來(lái)說(shuō)是否定的。
目前知網(wǎng)上已經(jīng)有許多有關(guān)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能的仿真模擬，但在這些仿真模擬中，儲(chǔ)熱系統(tǒng)幾乎都是使用的導(dǎo)熱油，這是有問(wèn)題的，主要原因有兩個(gè)：
①，高溫的導(dǎo)熱油是有壓力的，這意味著儲(chǔ)存導(dǎo)熱油的儲(chǔ)罐必須要做成壓力容器，這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題，第一，單個(gè)導(dǎo)熱油儲(chǔ)罐的容積不能做的太大，一個(gè)儲(chǔ)熱系統(tǒng)會(huì)有許多的導(dǎo)熱油儲(chǔ)罐并列；第二，導(dǎo)熱油儲(chǔ)罐的成本會(huì)非常的高。
②，導(dǎo)熱油的劣化，導(dǎo)熱油一般還是用作傳熱介質(zhì)，不用做儲(chǔ)熱介質(zhì)，主要是因?yàn)閷?dǎo)熱油并不如熔鹽那般穩(wěn)定，光熱電站上的數(shù)據(jù)，導(dǎo)熱油需要每年補(bǔ)充1%，同時(shí)導(dǎo)熱油的價(jià)格也非常昂貴，達(dá)到4萬(wàn)/噸，這使得使用導(dǎo)熱油作為儲(chǔ)熱介質(zhì)是非常不經(jīng)濟(jì)的。
但尷尬的是，壓縮空氣儲(chǔ)能，需要儲(chǔ)存能量的范圍大概60-400℃間，這個(gè)區(qū)間除了導(dǎo)熱油外目前沒(méi)有合適的儲(chǔ)能介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)熱。
金壇壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目是世界上第一個(gè)非補(bǔ)燃式的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目，目前使用的就是用導(dǎo)熱油作為儲(chǔ)熱材料，從公開的照片就可以看到，其廠區(qū)有一排并列的導(dǎo)熱油罐，其建設(shè)成本未找到公開資料，這個(gè)項(xiàng)目更多的是示范性質(zhì)的，我個(gè)人覺(jué)得用導(dǎo)熱油做儲(chǔ)熱介質(zhì)是沒(méi)有前途的，會(huì)導(dǎo)致超高的投資及運(yùn)行成本。
目前還有的方案呢是利用水來(lái)儲(chǔ)存60到180℃左右的能量，這個(gè)方案呢也有一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)水高于100℃之后，它就有壓力了，意味著高溫水罐是不能用常見的那種水罐來(lái)儲(chǔ)存的。我們做過(guò)方案，目前考慮是用球罐，但球罐價(jià)格高，能做的單位也少，況且只存到180℃的話，電到電的效率基本也不會(huì)高于50%。
另外一種方案呢是用低熔點(diǎn)的熔鹽，比如如果研發(fā)出一種熔點(diǎn)為60℃的熔鹽，就基本上可以完美適配壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱需求。有非常多的單位說(shuō)自己已經(jīng)開發(fā)出了低熔點(diǎn)熔鹽，但實(shí)際大規(guī)模使用的幾乎沒(méi)有。我個(gè)人判斷這條路線很難成功，主要就是覺(jué)得很難研發(fā)出一種經(jīng)濟(jì)的低熔點(diǎn)熔鹽來(lái)。我下這個(gè)判斷原因如下：工業(yè)中一直有需求100-400℃這個(gè)溫度區(qū)間的傳熱流體，目前主要用的是導(dǎo)熱油，200℃之上會(huì)用熔鹽，這是一個(gè)非常廣大的市場(chǎng)，在幾十年間有無(wú)數(shù)的企業(yè)和人才尋找過(guò)導(dǎo)熱油的替代品，但目前導(dǎo)熱油還幾乎是唯一的選擇，我不認(rèn)為通過(guò)一個(gè)小市場(chǎng)中的部分科研人員可以獲得低熔點(diǎn)鹽的突破，硝酸鹽的體系幾乎被研究爛了。
將水和熔鹽結(jié)合起來(lái)也是一種方案，就是用水儲(chǔ)存60-190℃間的能量，用熔鹽儲(chǔ)存190-400℃間的能量，我們對(duì)這種方案進(jìn)行過(guò)計(jì)算，效率的卻能達(dá)到很高，但是這個(gè)方案的投資幾乎要爆炸了。
根據(jù)上面的討論，我認(rèn)為在目前條件下壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上是不合理的，要讓壓縮空氣儲(chǔ)能變成主流的大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，可能還需要對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能的原理有進(jìn)一步的優(yōu)化，或者避免儲(chǔ)存這個(gè)溫度區(qū)間的能量，或者找到一種創(chuàng)新的低成本的儲(chǔ)熱系統(tǒng)。
第十二節(jié)：壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)趨勢(shì)
（1）傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)將向壓縮空氣儲(chǔ)能與其它類型電站（如燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)）耦合的方向發(fā)展，這樣既可以提高系統(tǒng)的靈活性，又可提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。
（2）帶儲(chǔ)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，除去了燃燒室，具有效率高、無(wú)污染的特點(diǎn)，并可以方便地和太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向，但需要性能良好的儲(chǔ)熱材料和設(shè)備。
（3）小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能靈活。它利用高壓容器代替儲(chǔ)氣洞穴，能夠擺脫傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)地形的依賴，可以用于備用電源、汽車動(dòng)力和分布式供能系統(tǒng)等，具有廣泛的應(yīng)用前景。
（4）壓縮空氣儲(chǔ)能與可再生能源的耦合系統(tǒng)可以解決可再生能源的間斷性和不穩(wěn)定性問(wèn)題，是提高風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的容量因子和大規(guī)模利用可再生能源的迫切需要，將是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的近期主要發(fā)展方向。
（5）壓縮空氣儲(chǔ)能論文發(fā)表情況（2012-2020）
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)，該技術(shù)路線無(wú)需燃燒燃料供熱，因此更加容易實(shí)現(xiàn)CO2減排。 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)更具發(fā)展前景。
