中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：新能源電力在國(guó)家規(guī)劃和“雙碳”目標(biāo)下發(fā)展迅速，讓對(duì)電網(wǎng)供電起到“削峰填谷”、穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行的儲(chǔ)能技術(shù)也同樣迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。目前儲(chǔ)能主要有物理、化學(xué)、電磁儲(chǔ)能等方式，本文主要介紹了物理儲(chǔ)能中的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。近年來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)得到很大程度的發(fā)展，利用鹽穴儲(chǔ)氣的非補(bǔ)燃式絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已成功進(jìn)行工程應(yīng)用，并開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)行。未來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)有望在更多的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求量不斷增加，但與此同時(shí)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)突出，傳統(tǒng)使用的常規(guī)能源，如石油、煤炭等，一方面作為不可再生能源，會(huì)隨著消耗不斷減少；另一方面作為傳統(tǒng)化石能源，大量使用也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)不利影響。在此背景下，近年來(lái)我國(guó)不斷開(kāi)展對(duì)新能源及清潔能源的研究、使用和推廣，新能源發(fā)電及各類(lèi)清潔能源的使用，可以降低碳排放甚至達(dá)到零碳排放，有利于環(huán)境的保護(hù)。2020年，隨著“十四五”規(guī)劃和“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的相繼提出，為我國(guó)綠色低碳轉(zhuǎn)型指明了方向，并提出電力行業(yè)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”的主力軍。
因此，風(fēng)電、光伏等新能源電力系統(tǒng)在“雙碳”環(huán)境中發(fā)展迅速，與此同時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)也迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇。西北、東北、華北地區(qū)是我國(guó)風(fēng)電和光伏資源的主要集中地，近些年這些地區(qū)大量建設(shè)風(fēng)電和光伏電站，裝機(jī)容量過(guò)多，但由于當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展水平較低，對(duì)電力的消納能力有限，若將大量的電能輸送至用電量需求大的地區(qū)，又需要遠(yuǎn)距離輸電線(xiàn)路，因此“棄風(fēng)棄光”問(wèn)題突出。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，一方面可以在風(fēng)電、光伏電站的電源側(cè)起到對(duì)電能的儲(chǔ)集，一定程度上解決了“棄風(fēng)棄光”問(wèn)題；另一方面，由于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電并網(wǎng)具有很大的波動(dòng)性，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用能很好地解決新能源電廠供電穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，儲(chǔ)能電站可以將余電進(jìn)行儲(chǔ)存、釋放，能對(duì)電網(wǎng)起到“削峰填谷”的作用。
目前研究的儲(chǔ)能技術(shù)主要有物理儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、電磁儲(chǔ)能技術(shù)等。其中，化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中各類(lèi)電池儲(chǔ)能由于其充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)應(yīng)用居多；物理儲(chǔ)能技術(shù)中的抽水蓄能技術(shù)因其容量大、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)也得以推廣及應(yīng)用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣儲(chǔ)能也有著較大的發(fā)展?jié)摿?，與抽水蓄能及電化學(xué)儲(chǔ)能相比較而言，具有其特有優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并探討其應(yīng)用前景。
1 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其分類(lèi)
壓縮空氣儲(chǔ)能是利用壓縮機(jī)將電能以高壓空氣形式儲(chǔ)集、再通過(guò)釋放高壓空氣膨脹推動(dòng)透平機(jī)發(fā)電的一種儲(chǔ)能技術(shù)。目前，抽水蓄能在全球電力儲(chǔ)能項(xiàng)目中累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，截至2021年底，全球抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占已投運(yùn)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模的86.20%，達(dá)到了180.5GW。但相較于抽水蓄能而言，壓縮空氣儲(chǔ)能具有建設(shè)周期短、選址相對(duì)容易、對(duì)生態(tài)環(huán)境更友好的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)比于目前較成熟的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中的鋰電池儲(chǔ)能，截至2021年底鋰離子電池儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模僅次于抽水蓄能，在全球新型儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模中占比最大。但化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)存在使用壽命相對(duì)較短的缺點(diǎn)，最高使用年限只能達(dá)到20年。相較化學(xué)儲(chǔ)能而言壓縮空氣儲(chǔ)能具有使用壽命更長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)更多、安全環(huán)保性更好、系統(tǒng)性能不衰減等優(yōu)勢(shì)，且壓縮空氣儲(chǔ)能是繼抽水蓄能之后第二項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能的技術(shù)。此外，對(duì)未來(lái)有更多新能源發(fā)電并入電網(wǎng)的情況，壓縮空氣儲(chǔ)能還具有類(lèi)似火電的調(diào)頻調(diào)壓性能及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和短路電流支撐，可改善電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。壓縮空氣儲(chǔ)能的分類(lèi)，如按利用的儲(chǔ)氣方式來(lái)分主要有地下洞穴儲(chǔ)氣、人工硐室儲(chǔ)氣、金屬容器儲(chǔ)氣3種。這3種儲(chǔ)氣方式的造價(jià)成本對(duì)比為“地下洞穴儲(chǔ)氣＜人工硐室儲(chǔ)氣＜金屬容器儲(chǔ)氣?！?
有研究指出，如果隨著壓縮空氣儲(chǔ)能相應(yīng)裝備規(guī)?；慨a(chǎn)，未來(lái)成本有望實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)鋼儲(chǔ)氣的壓縮空氣電站造價(jià)與中小型抽水蓄能電站相當(dāng)、人工硐室儲(chǔ)氣的壓縮空氣電站造價(jià)與大中型抽水蓄能電站相當(dāng)、地下洞穴儲(chǔ)氣的壓縮空氣電站成本比大中型抽水蓄能電站更低更有利于控制造價(jià)成本等目標(biāo)。地下洞穴儲(chǔ)氣細(xì)分之下有巖石洞穴儲(chǔ)氣（鹽穴、煤礦巷道等）、含水層儲(chǔ)氣、枯竭油氣田儲(chǔ)氣3類(lèi)。這3類(lèi)儲(chǔ)氣方式中，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛成熟的是巖石洞穴儲(chǔ)氣中的鹽穴儲(chǔ)氣，已成功實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)并投入商業(yè)運(yùn)用；含水層儲(chǔ)氣是在具有良好蓋層的含水層中進(jìn)行儲(chǔ)氣循環(huán)，含水層中的孔隙可實(shí)現(xiàn)高壓儲(chǔ)氣，但需要預(yù)先排除地下水創(chuàng)造儲(chǔ)氣空間，目前全球還未有實(shí)際工程，該儲(chǔ)氣方式仍處于探索和理論分析階段；針對(duì)使用枯竭油氣田進(jìn)行儲(chǔ)氣還僅是在理論上較為可行[4]。我國(guó)鹽穴資源豐富，鹽穴一般具有密閉性好、高壓下具有塑性等優(yōu)點(diǎn)。由于采鹽主要通過(guò)鉆井水溶的方式，因此形成的鹽穴腔體穩(wěn)定性較好、水溶性也有利于對(duì)后續(xù)鹽穴的造腔，并且使用鹽穴儲(chǔ)存壓縮空氣已實(shí)現(xiàn)了成熟應(yīng)用，儲(chǔ)氣技術(shù)相對(duì)成熟。此外，鹽穴儲(chǔ)氣是利用地下空間，不用新增建設(shè)用地，避開(kāi)了征地難的問(wèn)題，鹽穴租用的費(fèi)用較低，成本也可得到控制。我國(guó)已建設(shè)的金壇、肥城壓縮空氣儲(chǔ)能電站便是利用地下鹽穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)。
按空氣在壓縮、膨脹過(guò)程中熱量的管理方式及空氣的儲(chǔ)存狀態(tài)，壓縮空氣儲(chǔ)能主要有補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)5種。其中，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)成熟度高，它是在儲(chǔ)氣室后端使用燃燒器來(lái)燃燒化石能源提升空氣溫度使其膨脹進(jìn)而發(fā)電，但這一技術(shù)依舊使用化石能源，不符合現(xiàn)階段綠色低碳轉(zhuǎn)型的方向。而目前非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能中應(yīng)用最多且技術(shù)相對(duì)成熟的是絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，該技術(shù)的突破性在于其使用換熱器將壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)至儲(chǔ)熱裝置中，而后利用存儲(chǔ)的壓縮熱在釋放高壓空氣時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱，由于不使用化石能源，因此能實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)碳。等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)由于空氣在被壓縮以及釋放膨脹的過(guò)程中，會(huì)有熱量的產(chǎn)生和傳遞，但傳熱過(guò)程對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能的性能和效率有很大影響。研究表明，在壓縮空氣的不同熱力循環(huán)中，絕熱循環(huán)壓縮耗功最多且膨脹放功最少、等溫循環(huán)壓縮耗功最少且膨脹放功最多，理論上等溫循環(huán)不會(huì)有能量損失，效率可達(dá)100%。等溫壓縮空氣儲(chǔ)能則是通過(guò)控溫技術(shù)，使得空氣在壓縮和釋放膨脹過(guò)程中的溫度盡可能實(shí)現(xiàn)等溫，從而提升系統(tǒng)效率，其對(duì)比絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)就在于擁有更高的理論效率。液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是將空氣壓縮成液態(tài)，其密度是氣態(tài)空氣的800倍，大大減小空氣體積，有利于突破地理?xiàng)l件的制約，在選址建設(shè)方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是在超臨界狀態(tài)下，空氣具有接近液體和氣體的雙重特性，密度大、傳熱好、粘度小且擴(kuò)散系數(shù)大，因此超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能同時(shí)具備高能量密度和高效率的優(yōu)點(diǎn)。等溫壓縮空氣、液態(tài)壓縮空氣、超臨界壓縮空氣3種儲(chǔ)能技術(shù)理論上均比絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能更有優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段尚不成熟，未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
2 壓縮空氣儲(chǔ)能的工程應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)外均已實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的工程應(yīng)用。國(guó)外的工程應(yīng)用案例較早，1975年德國(guó)開(kāi)始在Huntorf建造壓縮空氣儲(chǔ)能電站，由于該區(qū)域在之前就已使用鹽腔儲(chǔ)存天然氣，且擁有大量工程，在利用鹽腔儲(chǔ)氣方面技術(shù)相對(duì)成熟，同時(shí)積累了豐富的地質(zhì)資料，因而這座壓縮空氣儲(chǔ)能電站就是在此基礎(chǔ)上利用兩個(gè)鹽穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)建造而成，并在1978年實(shí)現(xiàn)商用，整體運(yùn)行效率達(dá)42%；1991年美國(guó)在Alabama也建立了壓縮空氣儲(chǔ)能電站，依舊是使用鹽穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)，但因其增加了壓縮熱收集利用裝置，整體的運(yùn)行效率得到了提升，增長(zhǎng)至54%[4]。
我國(guó)擁有豐富的鹽穴資源，可利用空間巨大，且使用成本低，大多數(shù)鹽穴在造腔后可達(dá)到良好的密封性。山東泰安肥城10MW的壓縮空氣儲(chǔ)能電站是國(guó)內(nèi)首座并網(wǎng)的壓縮空氣儲(chǔ)能的商業(yè)電站，2021年8月4日首次送電成功，該電站利用了肥城地區(qū)密閉性好、穩(wěn)定性高的地下鹽穴腔作為儲(chǔ)氣庫(kù)，在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)將空氣壓縮至鹽穴，電網(wǎng)高負(fù)荷時(shí)釋放高壓氣體進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的“削峰填谷”作用，兼具調(diào)相、應(yīng)急響應(yīng)、黑啟動(dòng)等功能，是我國(guó)鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要里程碑，具有重大意義。
2021年9月30日，江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能?chē)?guó)家示范項(xiàng)目并網(wǎng)試驗(yàn)成功，該項(xiàng)目由中鹽集團(tuán)控股、華能和清華控股公司參股建設(shè)，一期工程為60MW的發(fā)電裝機(jī)，是世界上第一個(gè)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站，標(biāo)志著我國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得重大突破。2022年5月26日，江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站正式投產(chǎn)。
2021年12月31日，河北張家口的國(guó)際首套100MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能?chē)?guó)家示范項(xiàng)目送電成功。該項(xiàng)目的規(guī)模為100MW，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率達(dá)70.4%，該項(xiàng)目建成后，可推動(dòng)大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
2022年7月26日，我國(guó)首套300MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程在湖北應(yīng)城舉行開(kāi)工儀式，采用非補(bǔ)燃高壓熱水儲(chǔ)熱中溫絕熱壓縮技術(shù)，核心技術(shù)指標(biāo)能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)70%。
2022年9月28日，全球最大規(guī)模350MW鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目——山東泰安2×300MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能創(chuàng)新示范工程開(kāi)工。該項(xiàng)目采用全球首創(chuàng)低熔點(diǎn)熔融鹽高溫絕熱壓縮技術(shù)，建成后在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)單機(jī)功率、轉(zhuǎn)換效率及儲(chǔ)能規(guī)模全球第一。
3 壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用前景
隨著壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，以及國(guó)內(nèi)相應(yīng)儲(chǔ)能支持政策的出臺(tái)，壓縮空氣儲(chǔ)能的成本不斷降低、產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)與抽水蓄能相近的成本、并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。
在水電方面，目前搭配水電站使用的儲(chǔ)能方式基本為抽水蓄能，抽水蓄能是技術(shù)最成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，但抽水蓄能電站的建設(shè)很受制于地理?xiàng)l件，且存在水庫(kù)建設(shè)周期長(zhǎng)的劣勢(shì)。壓縮空氣儲(chǔ)能的規(guī)模僅次于抽水蓄能，目前國(guó)內(nèi)已有100MW的壓縮空氣儲(chǔ)能電站成功送電，多個(gè)300MW及以上的壓縮空氣儲(chǔ)能電站已在建設(shè)中，同時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率也在不斷提升，大型壓縮空氣儲(chǔ)能電站投資儲(chǔ)能效率已上升至70%以上。加上壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)成本在今后有望實(shí)現(xiàn)與抽水蓄能相當(dāng)、不同的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)選址更為寬松及地面設(shè)備占用面積小等優(yōu)勢(shì)，壓縮空氣儲(chǔ)能很有望成為抽水蓄能的一種補(bǔ)充方式。此外，如采用人工平硐儲(chǔ)氣，抽水蓄能電站的建設(shè)均存在平硐的建設(shè)，主要難點(diǎn)在于建設(shè)人工平硐儲(chǔ)氣庫(kù)時(shí)的密封承壓改造方面。因此，在一些抽水蓄能電站無(wú)法建設(shè)或建設(shè)難度大的地方，可以考慮建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。
在風(fēng)能、光伏發(fā)電方面，由于風(fēng)能、光伏發(fā)電很受環(huán)境的影響，導(dǎo)致發(fā)電的波動(dòng)性大、并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響大等問(wèn)題，如能在風(fēng)能、光伏電站建設(shè)時(shí)配備儲(chǔ)能裝置，將能很好地解決上述問(wèn)題。因此，使用壓縮空氣儲(chǔ)能，不僅可以解決現(xiàn)有電池儲(chǔ)能使用期限短、放電要求高及性能下降的問(wèn)題，而且在光伏電站中使用非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能，還可利用太陽(yáng)能的熱量作為外部熱源，提高整體效率。
在電網(wǎng)方面，由于電網(wǎng)供電具有波峰性，因而可以通過(guò)建設(shè)儲(chǔ)能電站來(lái)“削峰填谷”，在余電多時(shí)對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)存，用電高峰時(shí)進(jìn)行釋放填補(bǔ)高峰供電的不足，提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。我國(guó)鹽穴資源豐富、廢棄礦洞多、枯竭油氣田地下空間大，且枯竭油氣田地質(zhì)資料齊全，如能實(shí)現(xiàn)對(duì)這些天然地下洞穴的利用，也有望建設(shè)大規(guī)模、超大規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。
在負(fù)荷側(cè)方面，對(duì)工業(yè)用戶(hù)、商業(yè)用戶(hù)、微電網(wǎng)系統(tǒng)等而言，壓縮空氣儲(chǔ)能電站既可以存儲(chǔ)電能，也能在電力故障時(shí)將電站作為備用電源提供用戶(hù)所需的電能。
結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)各方面都取得了很大的進(jìn)步。在儲(chǔ)氣庫(kù)方面，建設(shè)成本最低的地下鹽穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)的研究應(yīng)用不斷增加，經(jīng)驗(yàn)趨于成熟；在非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能中，出現(xiàn)了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。我國(guó)已成功實(shí)現(xiàn)以地下鹽穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)的非補(bǔ)燃式絕熱壓縮空氣電站的發(fā)電，建設(shè)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站的發(fā)電規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，從60MW到100MW，再到現(xiàn)如今正在建設(shè)的300MW及以上規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，發(fā)展?jié)摿薮?。未?lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能有望成為抽水蓄能的補(bǔ)充，在新能源電站及電網(wǎng)方向也擁有很廣闊的應(yīng)用前景。如能在液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域再取得突破，在地下洞穴和人工平硐儲(chǔ)氣庫(kù)密封承壓改造技術(shù)上再進(jìn)一步，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用并助力我國(guó)新能源及儲(chǔ)能建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。
