中國儲能網(wǎng)訊：3.3 壓縮空氣儲能
3.3.1 壓縮空氣儲能概述
壓縮空氣儲能（CAES）是一種機(jī)械儲能技術(shù)，其原理是利用電力壓縮空氣，然后將壓縮空氣儲存起來，并在需要時(shí)重新膨脹進(jìn)行發(fā)電。而在壓縮空氣時(shí)將會產(chǎn)生大量的熱量，因此CAES系統(tǒng)可以根據(jù)熱儲能的處理方式和位置進(jìn)行分類。
在非絕熱CAES系統(tǒng)(D-CAES)中，壓縮空氣在膨脹過程中的熱量辛勤努力不可逆地排放到環(huán)境中。在絕熱CAES系統(tǒng) (A-CAES)中，壓縮空氣排放的熱量被捕獲，與壓縮空氣分開存儲，并在膨脹過程中返回?zé)崃俊?
CAES系統(tǒng)也可以根據(jù)它們是在地上還是地下儲存壓縮空氣來區(qū)分。在地上非A-CAES系統(tǒng)中，壓縮空氣儲存在由鋼或混凝土等材料制成的加壓容器中。在地下CAES系統(tǒng)中，壓縮空氣儲存在天然構(gòu)造或人工開采的洞穴中。
在其最簡單的配置中，A-CAES由空氣壓縮機(jī)、容納加壓空氣的儲存室、熱儲能設(shè)施以及渦輪機(jī)組成。在D-CAES系統(tǒng)中，儲熱設(shè)施被燃料發(fā)電系統(tǒng)所取代。
A-CAES是真正的儲能技術(shù)；這些系統(tǒng)的效率是通過將其輸出電力除以輸入電力來衡量的。在理想情況下，A-CAES系統(tǒng)可以在100%的熱力學(xué)效率下運(yùn)行。根據(jù)建模，對A-CAES系統(tǒng)的估計(jì)效率約為55%～65%。地上A-CAES系統(tǒng)的能量密度與熱儲能系統(tǒng)（沒有壓縮空氣）相當(dāng)?；谝呀?jīng)報(bào)告的A-CAES系統(tǒng)關(guān)于低能源成本、中等效率和低自放電率的值，并假設(shè)這些值可以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)，A-CAES技術(shù)可以適用于長時(shí)儲能。
如果D-CAES系統(tǒng)像通常建議的那樣以天然氣為燃料，那就不是零排放的系統(tǒng)。因此，D-CAES系統(tǒng)不屬于儲能技術(shù)（根據(jù)定義），而是這些類型的儲能系統(tǒng)提供了一種使用廉價(jià)電力來提高發(fā)電效率和降低燃?xì)廨啓C(jī)二氧化碳排放的機(jī)制。出于這個(gè)原因，研究團(tuán)隊(duì)在本報(bào)告中沒有詳細(xì)討論D-CAES系統(tǒng)，盡管確實(shí)在本章后面的部分中指出，此類系統(tǒng)可能仍然值得研究，作為減少來自天然氣發(fā)電設(shè)施或作為改進(jìn)的使用碳捕獲的獨(dú)立燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)。然而，在這兩種情況下，D-CAES系統(tǒng)存儲的壓縮空氣量將限制通過添加D-CAES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的性能改進(jìn)的持續(xù)時(shí)間。
3.3.2 迄今為止的CAES開發(fā)工作
通過壓縮空氣來儲存能量是一個(gè)傳統(tǒng)的想法，自從19世紀(jì)以來一直在工業(yè)環(huán)境中使用。而在工業(yè)環(huán)境中，壓縮空氣儲存在地上設(shè)施中，用于操作氣動設(shè)備。壓縮空氣在上世紀(jì)40年代首次被提出作為電網(wǎng)規(guī)模的儲能系統(tǒng)，并在上世紀(jì)60年代引起了越來越多的關(guān)注，其原因是人們有興趣在低需求時(shí)期尋找從不靈活的發(fā)電設(shè)施（例如大型核電廠和燃煤電廠）儲存電力的方法。D-CAES系統(tǒng)是第一個(gè)被研究的選項(xiàng)，有兩個(gè)此類設(shè)施投入使用：一個(gè)于1978年部署在德國亨托夫（Huntorf），另一個(gè)于1991年部署在美國阿拉巴馬州的麥金托什（McIntosh）。Huntorf）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的流程圖如圖3.5所示，裝機(jī)容量和儲能容量分別為321MW和640MWh，持續(xù)時(shí)間為兩個(gè)小時(shí)。該系統(tǒng)將壓縮空氣儲存在容積為31萬立方米的洞穴中，其最小壓力之間和最大壓力分別為45和70個(gè)大氣壓(atm)。
McIntosh D-CAES系統(tǒng)系統(tǒng)采用了更先進(jìn)的設(shè)計(jì)（圖 3.6）；其裝機(jī)容量為110MW，雖然其裝機(jī)容量比Huntorf D-CAES系統(tǒng)要小，但儲能容量更高，達(dá)到2.86GWh，其持續(xù)放電時(shí)間為26小時(shí)。該系統(tǒng)將壓縮空氣儲存在一個(gè)27萬立方米的鹽穴中，這個(gè)CAES系統(tǒng)在與Huntorf D-CAES系統(tǒng)大致相同的最大和最小壓力之間運(yùn)行。在這兩個(gè)儲能系統(tǒng)中，天然氣發(fā)電設(shè)施對能源容量的貢獻(xiàn)很大。例如，在McIntosh壓縮空氣儲能系統(tǒng)每單位從電網(wǎng)獲取的電能，大約需要1.05個(gè)單位的天然氣能源在放電期間才能將0.6個(gè)單位的電能輸送回電網(wǎng)。
圖3.5 帶有兩個(gè)燃燒室的傳統(tǒng)D-CAES系統(tǒng)的流程圖
圖3.6帶有回?zé)崞鞯腄-CAES系統(tǒng)流程圖
盡管在過去的三十年中規(guī)劃了許多D-CAES系統(tǒng)，但最終都被放棄。因此，自從1991年以來全球沒有建造任何D-CAES系統(tǒng)。而在美國，最近放棄的規(guī)劃包括位于俄亥俄州諾頓的廢棄石灰?guī)r礦一個(gè)D-CAES系統(tǒng)和愛荷華州得梅因附近砂巖含水層中的另一個(gè)D-CAES系統(tǒng)。Apex-CAES公司正在德克薩斯州伯特利附近開發(fā)一座324MW/6GWh的D-CAES系統(tǒng)，但尚未做出最終投資決定。
缺乏部署活動的一些原因與其他儲能技術(shù)相同，包括低于預(yù)期的核電部署、增加部署聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，以及最近降低的天然氣價(jià)格。其他挑戰(zhàn)是電網(wǎng)規(guī)模的 CAES 所獨(dú)有的，其中包括需要尋找或挖掘在數(shù)萬至數(shù)百萬立方米的大型空氣儲存室（通常是天然地質(zhì)構(gòu)造），以及需要有效捕獲、儲存和隨后返回大量熱能壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的能量。
目前在全球并沒有運(yùn)營電網(wǎng)規(guī)模的A-CAES系統(tǒng)，盡管已經(jīng)建成一些小型A-CAES系統(tǒng)。與D-CAES系統(tǒng)一樣，許多項(xiàng)目都是在提出規(guī)劃之后然后取消。近期兩項(xiàng)備受矚目的A-CAES項(xiàng)目就是這種情況：2012年歐洲提出的A-CAES系統(tǒng)Adele Advanced A-CAES系統(tǒng)和2008年在美國啟動的項(xiàng)目Lightsail Energy A-CAES系統(tǒng)。這兩個(gè)項(xiàng)目都在近兩年被取消。而積極的一面是，加拿大公司Hydrostor于2019年在加拿大戈德里奇成功調(diào)試了一座1.75MW/15MWh的A-CAES系統(tǒng)，還宣布了在加州克恩縣建設(shè)一個(gè)500MW的A-CAES系統(tǒng)的計(jì)劃，該項(xiàng)目如果完成部署，將是第一個(gè)電網(wǎng)規(guī)模部署的A-CAES系統(tǒng)系統(tǒng)。Hydrostor A-CAES系統(tǒng)在堅(jiān)硬的巖石中挖掘洞穴以儲存壓縮空氣，壓縮空氣通過水庫保持恒定壓力。此外，瑞士的ALACAES公司在2016年使用山洞成功測試了60kW/1MWh的A-CAES系統(tǒng)試點(diǎn)項(xiàng)目。中國目前至少有兩個(gè)A-CAES系統(tǒng)測試項(xiàng)目在運(yùn)行。而兩個(gè)系統(tǒng)規(guī)模較大的一個(gè)是地上的A-CAES系統(tǒng)，其規(guī)模為10MW/40MWh。中國正在建設(shè)測試其他的商業(yè)用途A-CAES系統(tǒng)和液態(tài)空氣儲能設(shè)施。
迄今為止，用于建設(shè)大規(guī)模CAES的唯一地質(zhì)構(gòu)造是鹽丘，但也有采用層狀鹽、硬巖洞穴和含鹽含水層用于壓縮空氣儲存。設(shè)計(jì)限制包括將壓力保持在100個(gè)大氣壓左右，其持續(xù)時(shí)間為數(shù)小時(shí)至數(shù)天，以及足夠的內(nèi)部滲透性以允許快速排放壓縮空氣。
除了A-CAES和D-CAES系統(tǒng)，還有第三種形式的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，其名稱為等溫CAES系統(tǒng)。在這種方法中，空氣在被壓縮時(shí)（相對于每個(gè)壓縮階段之后）不斷地從空氣中散失熱量，從而使空氣溫度保持恒定。該過程被反轉(zhuǎn)以進(jìn)行膨脹。等溫壓縮和膨脹過程原則上比A-CAES或D-CAES更有效，但在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)高效且具有成本效益的等溫過程。等溫CAES一直是一些研究和商業(yè)開發(fā)工作的主題，但尚未建造此類大型系統(tǒng)。這部分是因?yàn)榈葴谻AES系統(tǒng)沒有解決其部署的關(guān)鍵障礙。
3.3.3 展望
盡管最近沒有部署電網(wǎng)規(guī)模的CAES系統(tǒng)，但這種技術(shù)繼續(xù)引起人們的興趣。這部分是因?yàn)榕c其他一些長時(shí)儲能系統(tǒng)相比，CAES系統(tǒng)除了尋找或建設(shè)合適的地下存儲壓縮空氣場所之外，并沒有面臨基本的技術(shù)挑戰(zhàn)。盡管如此，由于缺乏進(jìn)展，CAES 系統(tǒng)的未來發(fā)展前景仍不明朗。本章的其余部分討論了機(jī)械設(shè)備和熱力要求、成本估算以及有希望的技術(shù)改進(jìn)領(lǐng)域，這些可能與確定CAES系統(tǒng)是否在到2050年實(shí)現(xiàn)脫碳電網(wǎng)方面發(fā)揮作用有關(guān)。
3.3.4 A-CAES系統(tǒng)的基本原理
當(dāng)空氣被絕熱壓縮時(shí)（意味著在壓縮過程中空氣與環(huán)境隔離）將會變熱。因此，如果最初在室溫和壓力下的空氣被壓縮到75個(gè)大氣壓（CAES系統(tǒng)的典型壓力），如果壓縮的所有熱量都保留在空氣中，其溫度將達(dá)到約750℃。這種空氣可以做功，因?yàn)樗犬a(chǎn)熱又承壓。
然而，采用壓縮空氣儲存熱量是不切實(shí)際的。其中一個(gè)問題是熱空氣在室溫下要比相同質(zhì)量的空氣占據(jù)更多的體積，從而增加了儲能成本。例如，750℃的空氣的體積大約是室溫下相同壓力下相同數(shù)量空氣的3.4倍。此外，隔離大量熱量的加壓空氣既困難又昂貴。由于這些原因，CAES系統(tǒng)必須去除壓縮熱量，以使壓縮空氣的溫度接近周圍環(huán)境的溫度。在A-CAES系統(tǒng)中，熱交換器將這種熱能傳遞到熱儲能(TES)系統(tǒng)。
事實(shí)上，所有用于壓縮空氣的功最終都變成了熱能。儲存的這種熱量與壓縮空氣一起有助于從儲存中回收的有用功。做有用功的能力在工程熱力學(xué)中被稱為“有效能（exergy）”。從技術(shù)上來說，A-CAES系統(tǒng)的有效能等于通過使儲能系統(tǒng)與其環(huán)境達(dá)到平衡可以提取的最大有用功。也稱為可用工作，這是是研究CAES系統(tǒng)的一個(gè)非常有用的概念。
存儲壓縮空氣的熱量需要一個(gè)擴(kuò)展的熱儲能系統(tǒng)，其尺寸和復(fù)雜性與容量相同的熱儲能系統(tǒng)（TES）相當(dāng)。在A-CAES系統(tǒng)中，壓縮空氣和儲存的熱能包含不同比例的功，具體取決于壓縮空氣的壓力和熱儲能系統(tǒng)（TES）的溫度。
圖3.7顯示了具有兩個(gè)壓縮和兩個(gè)擴(kuò)張階段。在每個(gè)壓縮階段之后，空氣被冷卻到接近環(huán)境溫度，并通過將其熱能輸送到熱存儲器來提高溫度。
圖3.7具有兩個(gè)壓縮和兩個(gè)膨脹階段的傳統(tǒng)A-CAES系統(tǒng)流程圖
圖 3.8 以簡化形式說明了CAES系統(tǒng)的熱力學(xué)原理。圖3.8a顯示了壓縮空氣（曲線下的藍(lán)色區(qū)域）和熱儲能系統(tǒng)（曲線下的紅色區(qū)域）中存儲的有效能，以及熱儲能介質(zhì)的溫度，假設(shè)單級壓縮，用于不同的壓縮比(r)。圖3.8b顯示了兩級壓縮系統(tǒng)的相同信息，假設(shè)每級壓縮空氣的系數(shù)是壓縮比（r）的平方根。這些數(shù)字說明了這是一個(gè)沒有任何損失的理想系統(tǒng)。在實(shí)際系統(tǒng)中，效率低下會減少兩個(gè)來源的可用工作量。對于單級系統(tǒng)，大約一半的熱能存儲在熱儲能系統(tǒng)中；在使用兩級壓縮系統(tǒng)的情況下，較少的熱能用于熱儲能。在無損系統(tǒng)中，能量都是守恒的，因此在圖 3.8 所示的兩種情況下，壓縮空氣和熱儲能的可用功總和為存儲能量的總量（黑色曲線），反過來等于輸入A-CAES系統(tǒng)的電能。
圖3.8壓縮空氣的機(jī)械能和熱能
在理想的A-CAES系統(tǒng)中，空氣（以紅色顯示）在壓縮，然后在膨脹時(shí)返回到儲存的空氣中。TES系統(tǒng)的能量容量必須大致相同，與壓縮級數(shù)無關(guān)。這是因?yàn)樗休斎肽芰慷即鎯υ赥ES系統(tǒng)中。然而，可以從存儲的熱能中提取的電力隨著壓縮級數(shù)的增加而減少。這是因?yàn)閴嚎s級數(shù)越多，TES系統(tǒng)的溫度越低，而熱力學(xué)表明，隨著存儲溫度的下降，可以將較小部分的熱能作為有效能提取出來。額外的壓縮級可以抵消這些損失，從而減少對壓縮機(jī)的需求，并允許TES系統(tǒng)中的溫度更低。許多實(shí)際考慮需要調(diào)整A-CAES系統(tǒng)的機(jī)械和熱能參數(shù)。這些權(quán)衡中的大多數(shù)取決于A-CAES系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，例如操作溫度和壓力的選擇、熱傳導(dǎo)和存儲系統(tǒng)的選擇等。這兩個(gè)重要的操作問題非常普遍。
首先，膨脹渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)是在固定輸入壓力下運(yùn)行，而存儲在固定體積中的空氣壓力隨著空氣的釋放而不斷下降。 為了應(yīng)對渦輪機(jī)的限制，因此有必要在空氣離開儲存器時(shí)將空氣節(jié)流至固定壓力。而在節(jié)流過程將會降低工作輸出，從而降低CAES系統(tǒng)的整體效率。其次，必須在空氣壓力低于渦輪機(jī)規(guī)定的最小輸入壓力之前停止釋放空氣。 這會在剩余的加壓空氣中留下大量能量。這兩種影響都降低了CAES系統(tǒng)的能量容量和效率。
3.3.5 CAES的蓄熱要求
部署電網(wǎng)規(guī)模的CAES系統(tǒng)取決于合適的大規(guī)模地下儲氣庫的可用性。此類場地的位置可能不會與儲能系統(tǒng)的首選位置有所重疊。此外，在某些場所，壓縮空氣儲存可能需要與二氧化碳和氫氣等其他氣體的儲存進(jìn)行競爭。
給定配置的蓄熱要求取決于壓縮和膨脹過程的設(shè)計(jì)。在單級壓縮系統(tǒng)中，大約一半的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另一半電能則轉(zhuǎn)化為熱能，如上一節(jié)所述。隨著壓縮級數(shù)的增加，TES系統(tǒng)的溫度降低，但存儲的總熱能始終等于輸入電能。在等溫CAES系統(tǒng)中，當(dāng)空氣被壓縮并在環(huán)境溫度下排放到外部環(huán)境中時(shí)，熱能不斷從空氣中去除。
（1）儲氣設(shè)施和地質(zhì)選址
鑒于需要在高壓下儲存大量空氣，儲罐或管道等地上儲存設(shè)施對于長期存儲壓縮空氣來說成本高昂。此外，將許多加壓罐放置在附近會帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。 對于較長時(shí)間的地面存儲來說，一種可行的選擇是采用液態(tài)空氣儲能。
對于較短時(shí)間的應(yīng)用，CAES系統(tǒng)將與電化學(xué)儲能技術(shù)（如鋰離子電池和液流電池）以及其他電網(wǎng)平衡策略（如需求管理）進(jìn)行競爭。CAES系統(tǒng)的電力成本大約是鋰離子電池儲能系統(tǒng)的兩到三倍，鋰離子電池目前是儲能行業(yè)領(lǐng)先的短時(shí)儲能技術(shù)。如果CAES的電力成本可以降低到與其可比的水平，需要重新利用燃?xì)廨啓C(jī)，CAES的能源成本需要低于電池儲能系統(tǒng)（電池儲能系統(tǒng)的能源成本約為250美元/kWh）。根據(jù)有關(guān)壓力容器的研究文獻(xiàn)，壓縮空氣儲能成本在50/kWh～200美元/kWh之間是可以實(shí)現(xiàn)的，盡管這一范圍內(nèi)的成本尚未在實(shí)踐中得到證明。
即使CAES系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與其他電網(wǎng)平衡選項(xiàng)相比具有競爭力的電力和能源成本，效率、選址靈活性、響應(yīng)時(shí)間和模塊化等其他考慮因素將有利于電化學(xué)儲能技術(shù)或儲能需求管理。關(guān)于選址靈活性，圖3.9說明了CAES系統(tǒng)的典型能量密度范圍；顯示抽水蓄能設(shè)施和鋰離子電池儲能系統(tǒng)的能量密度以供比較。例如，能量密度為10kWh/立方米的100MW/400MWh的CAES系統(tǒng)將需要大約40,000立方米的空氣容量，大約相當(dāng)于16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池的體積。而同等規(guī)模的鋰電池儲能系統(tǒng)占用的空間將減少30到65倍。
圖3.9 CAES系統(tǒng)的典型能量密度范圍
由于這些原因，具有地上空氣存儲的CAES系統(tǒng)通常不利于短期儲存。而液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)可能是一個(gè)例外。
對于地下儲氣庫，通常研究的地質(zhì)選擇是穹窿或?qū)訝铥}穴、含水層、枯竭的油氣井和硬巖礦山。圖3.10說明了每個(gè)選項(xiàng)。
圖3.10 儲存壓縮空氣的地層示意圖
穹窿或?qū)訝铥}穴儲存洞穴是使用水溶開采法創(chuàng)建的。在這個(gè)過程中，首先在鹽層中鉆孔，然后將水抽到地下以溶解鹽，再去除飽和鹽水用于廢物處理。穹窿的形狀由一層油膜控制，以防止洞頂溶解。水溶開采是一個(gè)成熟的過程，用于創(chuàng)建用于儲存天然氣和廢物的洞穴。在美國，適宜的鹽層集中在墨西哥灣沿岸、五大湖區(qū)的東半部以及在大平原的一些地區(qū)。
與涉及采礦作業(yè)的其他空氣儲存方案相比，含水層和枯竭的油氣井通常按原樣使用。 在含水層的首次設(shè)置過程中，注入空氣以調(diào)節(jié)水位。對于油氣井，設(shè)置可能涉及沖洗殘留的碳?xì)浠衔镆后w和氣體。否則，在油井用于CAES系統(tǒng)之前未去除的殘留碳?xì)浠衔锟赡軙烊雰Υ娴目諝庵?，并在提取空氣時(shí)釋放，從而產(chǎn)生溫室氣體。
采礦作業(yè)留下的硬巖洞穴可用于空氣儲存。在某些情況下，可能必須密封礦區(qū)以防止泄漏。這種類型的地質(zhì)對壓縮空氣儲存很有吸引力，但合適的地點(diǎn)數(shù)量是有限的。可以使用標(biāo)準(zhǔn)采礦方法創(chuàng)建新洞穴，但成本可能高得令人望而卻步，除非開采的材料具有更高的價(jià)值。
需要注意的是，鹽穴和硬巖洞穴的大小可以調(diào)整為容納提供指定能量容量（通過溶液或巖石開采）所需的壓縮空氣量。另一方面，含水層和枯竭油氣井的最大體積是由地質(zhì)條件決定的。如果所需的能量容量超過可用體積，則必須識別和開發(fā)相鄰的地層。
有幾個(gè)指標(biāo)用于比較地下地層。第一個(gè)是評估和開發(fā)CAES系統(tǒng)的投資成本。這一成本包括鉆探巖石樣品和測試井、申請?jiān)S可證、進(jìn)行地震測試和測試注入等步驟的成本。大部分成本與能源容量有關(guān)，盡管一些成本（例如注入/提取井的鉆探）與空氣流量有關(guān)，因此與CAES系統(tǒng)的裝機(jī)容量有關(guān)。其他指標(biāo)是存儲空氣的最小壓力和最大壓力。需要最小壓力來保持地下地層的結(jié)構(gòu)完整性，并匹配最小渦輪輸入壓力。保持這種壓力的氣體稱為緩沖氣體，它被注入但從不被提取。最小壓力通過考慮結(jié)構(gòu)完整性或通過第一個(gè)膨脹設(shè)施的設(shè)計(jì)入口壓力來設(shè)置，以較大者為準(zhǔn)。最大壓力由地下地層的物理特性決定。
其他指標(biāo)是孔隙度和滲透率?？紫堵适遣牧现锌瞻卓臻g的大小。滲透率是衡量流體流過材料的難易程度。其材料可以是多孔的而不是可滲透的。含水層和枯竭的礦井充滿了各種形狀和大小的巖石，在它們之間的空隙和巖石本身可進(jìn)入的孔隙中為空氣留出了一些空間。低孔隙率意味著更少的空氣體積。低滲透率意味著注入或抽出空氣時(shí)的壓力損失較高?？梢越档涂諝饬魉僖宰钚』瘔毫p失，或者可以添加額外的注入/提取井。鹽層和硬巖洞穴幾乎完全是空的，因此在注入時(shí)抽取空氣損失較低。
注入和抽取速率的另一個(gè)考慮因素是用于保持空氣的地下地層的結(jié)構(gòu)完整性。這會影響充放電循環(huán)頻率，因此可能限制CAES系統(tǒng)的運(yùn)行概況。
儲存場地的自排放率也很重要，也就通過周圍土壤的空氣泄漏。在通常情況下，上覆巖石的滲透率不同于壓縮空氣所在地質(zhì)層的滲透率。對于鹽巖層和硬巖洞穴，泄漏率可能非常低。對于其他地下儲氣庫方案，泄漏率取決于現(xiàn)場的具體情況。在任何情況下，CAES系統(tǒng)自放電率的主要因素可能是蓄熱。研究文獻(xiàn)表明，美國大部分地區(qū)用于構(gòu)建CAES系統(tǒng)地質(zhì)條件良好（圖3.11）。文獻(xiàn)還發(fā)現(xiàn)了其他國家的一些有利地質(zhì)條件。然而，區(qū)域分析通常是在宏觀層面上進(jìn)行的，而技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性則必須在特定地點(diǎn)進(jìn)行評估。
圖3.11美國用于構(gòu)建CAES系統(tǒng)地質(zhì)條件良好的地區(qū)
壓縮空氣最有利的存儲類型是鹽穴，因?yàn)辂}穴的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較低，內(nèi)部壓力損失最小，并且與頻繁的充放電循環(huán)兼容。然而，CAES系統(tǒng)將不得不與鹽穴的其他用途競爭：這種鹽穴目前用于儲存天然氣和廢物，而未來可能用于儲存氫氣和可能捕獲的二氧化碳。尤其是氫氣，而氫氣對儲存提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗且环N小分子，可以很容易地在許多材料中擴(kuò)散，并且具有化學(xué)和生物反應(yīng)性。迄今為止，鹽穴一直是地下儲氫的首選方法，因?yàn)槠渌问降膬涓菀仔孤饮}與氫的反應(yīng)性較低。CAES系統(tǒng)的能量密度比化學(xué)儲能系統(tǒng)低大約10倍，化學(xué)儲能不僅限于發(fā)電，因?yàn)闅錃夂推渌肿涌捎米骰瘜W(xué)過程的原料。因此，如果可用于儲存應(yīng)用的鹽穴供應(yīng)在地質(zhì)上是有限的，那么化學(xué)能（即氫氣）儲存將是更高價(jià)值的，因此是首選，而不是用于CAES系統(tǒng)。
而多孔地質(zhì)（包括含水層和枯竭的井）也被用來儲存天然氣，但這些設(shè)施是季節(jié)性循環(huán)的，而不是像CAES系統(tǒng)預(yù)期的那樣每天或每周循環(huán)。由于化學(xué)鍵的高能量密度，儲存天然氣的循環(huán)頻率低是經(jīng)濟(jì)的。對于依賴機(jī)械能的CAES系統(tǒng)，可能會根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行更頻繁的充放電循環(huán)。CAES的水力壓裂可用于提高滲透率，但在該領(lǐng)域發(fā)表的研究報(bào)告很少。
在2009年至2016年期間，美國一家公司曾嘗試為D-CAES項(xiàng)目開發(fā)廢棄的天然氣儲層，但該努力并未超出征求建議書階段，因?yàn)槭聦?shí)證明該項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上與替代存儲投標(biāo)相比沒有競爭力。雖然A-CAES可以緩解一些使該項(xiàng)目失去競爭力的技術(shù)問題，但在碳排放不顯著的情況下，從儲層中去除殘留的甲烷將是一個(gè)仍然存在的挑戰(zhàn)。
最近發(fā)表的一篇論文對含水層的CAES系統(tǒng)進(jìn)行了研究。它討論了相關(guān)分析研究，并總結(jié)了2003年提出的愛荷華州含水層和上世紀(jì)80年代初期伊利諾伊州含水層現(xiàn)場測試的結(jié)果。得出的結(jié)論是，主要挑戰(zhàn)是含水層的地質(zhì)異質(zhì)性以及需要更好的建模和表征方法來準(zhǔn)確評估給定含水層對CAES的適用性。在適當(dāng)?shù)臈l件下，多孔介質(zhì)可能具有成本和性能特征，使其可用于地下空氣儲存。
除非可以從先前的研究中獲得信息，否則必須為任何地下儲存方案收集特定地點(diǎn)的數(shù)據(jù)以確定可行性。這需要數(shù)十萬美元到數(shù)百萬美元的前期投資，具體取決于所需的分析。雖然不能保證地下儲存方案的可行性，但多孔介質(zhì)儲存地點(diǎn)的適用性將存在更大的不確定性。
總體而言，壓縮空氣儲存最有利的選擇是鹽穴和廢棄的硬巖礦山。這兩者都有競爭用途的需求，例如化學(xué)儲能，而且兩者都供應(yīng)有限。對于多孔介質(zhì)，適用性取決于特定地點(diǎn)的條件以及確保由此產(chǎn)生的能量容量成本和對效率的影響是可接受的。從歷史上看，在美國開發(fā)CAES項(xiàng)目的一些嘗試低估了選址挑戰(zhàn)。展望未來，需要對確定合適的地下儲存地點(diǎn)的挑戰(zhàn)進(jìn)行更多研究，以評估CAES在電網(wǎng)規(guī)模儲能中的作用是否更有意義。
（2）蓄熱容量要求
如第3.3.4節(jié)所述，A-CAES系統(tǒng)要求壓縮被儲存起來，然后在壓縮空氣膨脹期間恢復(fù)?？紤]到所涉及的高壓和高溫，使用加壓容器進(jìn)行蓄熱是不切實(shí)際的。因此，熱交換是必要的，因?yàn)榭赡茉诳諝夂托顭崞髦g使用中間傳熱流體。300℃～400℃的溫度是A-CAES系統(tǒng)的典型溫度，這些溫度低于第4章關(guān)于熱儲能系統(tǒng)的溫度。盡管如此，整體設(shè)計(jì)過程是相同的，可以靈活地對蓄熱材料、絕緣材料、容器、熱交換器等做出不同的選擇。主要區(qū)別在于較低的溫度允許使用成本更低的材料儲能，從而降低熱儲能成本。
盡管由于環(huán)境濕度的原因，水凝結(jié)會產(chǎn)生一些潛熱，，但空氣冷卻主要是從空氣中去除顯熱。雖然使用潛熱或結(jié)合顯熱和潛熱進(jìn)行蓄熱是可能的，但使用顯熱儲存盡可能多地從壓縮空氣中回收熱能可能是最具成本效益的。400℃的最高溫度與使用導(dǎo)熱油的聚光太陽能發(fā)電設(shè)施設(shè)計(jì)中的溫度相當(dāng)。盡管導(dǎo)熱油可能是一種合適的傳熱流體，但它并不是成本最低的儲能選擇。其他選擇是使用回收混凝土或廢金屬等材料的溫躍層或固體存儲。固體儲能系統(tǒng)可以使用與傳熱流體的間接或直接接觸熱交換，這取決于兩種材料的相容性。
（3）等容或等壓壓縮空氣儲存
在等容存儲中，壓縮空氣的體積在壓力變化時(shí)保持不變。McIntosh壓縮空氣儲能系統(tǒng)和Huntorf壓縮空氣儲能系統(tǒng)都在鹽穴中使用等容儲存技術(shù)。
等壓儲存系統(tǒng)使用流體（例如水）來將壓縮空氣并保持恒定壓力。這種流體可以儲存在地表的水池中，使靜水壓力等于地下地層中壓縮空氣的壓力。在排放時(shí)，流體占據(jù)了之前被空氣占據(jù)的體積，因此不需要采用緩沖氣體，盡管最小存儲壓力仍受渦輪機(jī)所需輸入壓力的限制。因?yàn)榈葔簝Υ嬖O(shè)計(jì)可以保持恒定的高壓，并減少了節(jié)流的需要。因此，等壓儲能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比等容儲能系統(tǒng)高2到3倍的能量密度。
雖然等壓儲存可以提供更高的能量密度，但壓力補(bǔ)償?shù)倪x擇流體有實(shí)際限制。在這個(gè)過程中，鹽會溶解在水中，形成飽和鹽水，腐蝕管道和電力設(shè)備。保護(hù)性涂層能夠以額外的成本減輕腐蝕。另一種緩解方法是使用一層油來減少鹽水蒸發(fā)到壓縮空氣中。或者可以使用水以外的液體，但它們必須便宜且無毒。由于這些原因，通常建議使用等壓儲存建議使用硬巖洞穴的項(xiàng)目。
例如再生混凝土或廢金屬。固態(tài)存儲系統(tǒng)可以使用間接或直接與傳熱流體接觸換熱，但須符合兩者的相容性材料。
圖3.12 地面儲氣罐提供壓力，以便在恒壓下抽取空氣
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