中國儲能網(wǎng)訊：新能源電力在國家規(guī)劃和“雙碳”目標(biāo)下發(fā)展迅速，讓對電網(wǎng)供電起到“削峰填谷”、穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行的儲能技術(shù)也同樣迎來了發(fā)展機(jī)遇。目前儲能主要有物理、化學(xué)、電磁儲能等方式，本文主要介紹了物理儲能中的壓縮空氣儲能技術(shù)。近年來，壓縮空氣儲能技術(shù)已經(jīng)得到很大程度的發(fā)展，利用鹽穴儲氣的非補(bǔ)燃式絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)已成功進(jìn)行工程應(yīng)用，并開始商業(yè)化運(yùn)行。未來，壓縮空氣儲能技術(shù)有望在更多的場景下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
引言
隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對能源的需求量不斷增加，但與此同時(shí)帶來的環(huán)境問題也愈發(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，大量使用也會給環(huán)境帶來不利影響。在此背景下，近年來我國不斷開展對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“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)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)也迎來發(fā)展機(jī)遇。西北、東北、華北地區(qū)是我國風(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)容量過多，但由于當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展水平較低，對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)距離輸電線路，因此“棄風(fēng)棄光”問題突出。儲能技術(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)起到對電能的儲集，一定程度上解決了“棄風(fēng)棄光”問題；另一方面，由于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電并網(wǎng)具有很大的波動性，儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用能很好地解決新能源電廠供電穩(wěn)定性問題。因此，儲能電站可以將余電進(jìn)行儲存、釋放，能對電網(wǎng)起到“削峰填谷”的作用。
目前研究的儲能技術(shù)主要有物理儲能技術(shù)、化學(xué)儲能技術(shù)、電磁儲能技術(shù)等。其中，化學(xué)儲能技術(shù)中各類電池儲能由于其充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)近年來應(yīng)用居多；物理儲能技術(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)，壓縮空氣儲能也有著較大的發(fā)展?jié)摿Γc抽水蓄能及電化學(xué)儲能相比較而言，具有其特有優(yōu)勢。本文主要介紹壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并探討其應(yīng)用前景。
1壓縮空氣儲能技術(shù)優(yōu)勢及其分類
壓縮空氣儲能是利用壓縮機(jī)將電能以高壓空氣形式儲集、再通過釋放高壓空氣膨脹推動透平機(jī)發(fā)電的一種儲能技術(shù)。目前，抽水蓄能在全球電力儲能項(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，壓縮空氣儲能具有建設(shè)周期短、選址相對容易、對生態(tài)環(huán)境更友好的優(yōu)勢。而對比于目前較成熟的化學(xué)儲能技術(shù)中的鋰電池儲能，截至2021年底鋰離子電池儲能裝機(jī)規(guī)模僅次于抽水蓄能，在全球新型儲能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模中占比最大。但化學(xué)儲能技術(shù)存在使用壽命相對較短的缺點(diǎn)，最高使用年限只能達(dá)到20年。相較化學(xué)儲能而言壓縮空氣儲能具有使用壽命更長、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，且壓縮空氣儲能是繼抽水蓄能之后第二項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲能的技術(shù)。此外，對未來有更多新能源發(fā)電并入電網(wǎng)的情況，壓縮空氣儲能還具有類似火電的調(diào)頻調(diào)壓性能及轉(zhuǎn)動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。壓縮空氣儲能的分類，如按利用的儲氣方式來分主要有地下洞穴儲氣、人工硐室儲氣、金屬容器儲氣3種。這3種儲氣方式的造價(jià)成本對比為“地下洞穴儲氣＜人工硐室儲氣＜金屬容器儲氣?！?
有研究指出，如果隨著壓縮空氣儲能相應(yīng)裝備規(guī)?；慨a(chǎn)，未來成本有望實(shí)現(xiàn)管線鋼儲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)。地下洞穴儲氣細(xì)分之下有巖石洞穴儲氣（鹽穴、煤礦巷道等）、含水層儲氣、枯竭油氣田儲氣3類。這3類儲氣方式中，目前在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛成熟的是巖石洞穴儲氣中的鹽穴儲氣，已成功實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)并投入商業(yè)運(yùn)用；含水層儲氣是在具有良好蓋層的含水層中進(jìn)行儲氣循環(huán)，含水層中的孔隙可實(shí)現(xiàn)高壓儲氣，但需要預(yù)先排除地下水創(chuàng)造儲氣空間，目前全球還未有實(shí)際工程，該儲氣方式仍處于探索和理論分析階段；針對使用枯竭油氣田進(jìn)行儲氣還僅是在理論上較為可行[4]。我國鹽穴資源豐富，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、水溶性也有利于對后續(xù)鹽穴的造腔，并且使用鹽穴儲存壓縮空氣已實(shí)現(xiàn)了成熟應(yīng)用，儲氣技術(shù)相對成熟。此外，鹽穴儲氣是利用地下空間，不用新增建設(shè)用地，避開了征地難的問題，鹽穴租用的費(fèi)用較低，成本也可得到控制。我國已建設(shè)的金壇、肥城壓縮空氣儲能電站便是利用地下鹽穴作為儲氣庫。
按空氣在壓縮、膨脹過程中熱量的管理方式及空氣的儲存狀態(tài)，壓縮空氣儲能主要有補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能技術(shù)、絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲能技術(shù)、液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)、超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)5種。其中，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能技術(shù)成熟度高，它是在儲氣室后端使用燃燒器來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)燃壓縮空氣儲能中應(yīng)用最多且技術(shù)相對成熟的是絕熱壓縮空氣儲能，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)生的熱量存儲至儲熱裝置中，而后利用存儲的壓縮熱在釋放高壓空氣時(shí)對其進(jìn)行加熱，由于不使用化石能源，因此能實(shí)現(xiàn)真正的無碳。等溫壓縮空氣儲能技術(shù)由于空氣在被壓縮以及釋放膨脹的過程中，會有熱量的產(chǎn)生和傳遞，但傳熱過程對壓縮空氣儲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)不會有能量損失，效率可達(dá)100%。等溫壓縮空氣儲能則是通過控溫技術(shù)，使得空氣在壓縮和釋放膨脹過程中的溫度盡可能實(shí)現(xiàn)等溫，從而提升系統(tǒng)效率，其對比絕熱壓縮空氣儲能的優(yōu)勢就在于擁有更高的理論效率。液態(tài)壓縮空氣儲能技術(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。超臨界壓縮空氣儲能技術(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種儲能技術(shù)理論上均比絕熱壓縮空氣儲能更有優(yōu)勢，但現(xiàn)階段尚不成熟，未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
2壓縮空氣儲能的工程應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外均已實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣儲能技術(shù)的工程應(yīng)用。國外的工程應(yīng)用案例較早，1975年德國開始在Huntorf建造壓縮空氣儲能電站，由于該區(qū)域在之前就已使用鹽腔儲存天然氣，且擁有大量工程，在利用鹽腔儲氣方面技術(shù)相對成熟，同時(shí)積累了豐富的地質(zhì)資料，因而這座壓縮空氣儲能電站就是在此基礎(chǔ)上利用兩個鹽穴作為儲氣庫建造而成，并在1978年實(shí)現(xiàn)商用，整體運(yùn)行效率達(dá)42%；1991年美國在Alabama也建立了壓縮空氣儲能電站，依舊是使用鹽穴作為儲氣庫，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，增長至54%[4]。
我國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的壓縮空氣儲能電站是國內(nèi)首座并網(wǎng)的壓縮空氣儲能的商業(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氣庫，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)對電網(wǎng)的“削峰填谷”作用，兼具調(diào)相、應(yīng)急響應(yīng)、黑啟動等功能，是我國鹽穴壓縮空氣儲能領(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能國家示范項(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)，是世界上第一個非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，標(biāo)志著我國新型儲能技術(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能電站正式投產(chǎn)。
2021年12月31日，河北張家口的國際首套100MW先進(jìn)壓縮空氣儲能國家示范項(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，可推動大規(guī)模壓縮空氣儲能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
2022年7月26日，我國首套300MW級壓縮空氣儲能示范工程在湖北應(yīng)城舉行開工儀式，采用非補(bǔ)燃高壓熱水儲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鹽穴壓縮空氣儲能項(xiàng)目——山東泰安2×300MW級壓縮空氣儲能創(chuàng)新示范工程開工。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能領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)單機(jī)功率、轉(zhuǎn)換效率及儲能規(guī)模全球第一。
3壓縮空氣儲能的應(yīng)用前景
隨著壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展，以及國內(nèi)相應(yīng)儲能支持政策的出臺，壓縮空氣儲能的成本不斷降低、產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，未來有望實(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，且存在水庫建設(shè)周期長的劣勢。壓縮空氣儲能的規(guī)模僅次于抽水蓄能，目前國內(nèi)已有100MW的壓縮空氣儲能電站成功送電，多個300MW及以上的壓縮空氣儲能電站已在建設(shè)中，同時(shí)壓縮空氣儲能技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率也在不斷提升，大型壓縮空氣儲能電站投資儲能效率已上升至70%以上。加上壓縮空氣儲能電站的建設(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，壓縮空氣儲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)人工平硐儲氣庫時(shí)的密封承壓改造方面。因此，在一些抽水蓄能電站無法建設(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)電的波動性大、并網(wǎng)后對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響大等問題，如能在風(fēng)能、光伏電站建設(shè)時(shí)配備儲能裝置，將能很好地解決上述問題。因此，使用壓縮空氣儲能，不僅可以解決現(xiàn)有電池儲能使用期限短、放電要求高及性能下降的問題，而且在光伏電站中使用非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能，還可利用太陽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，因而可以通過建設(shè)儲能電站來“削峰填谷”，在余電多時(shí)對其進(jìn)行儲存，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)模的壓縮空氣儲能電站。
在負(fù)荷側(cè)方面，對工業(yè)用戶、商業(yè)用戶、微電網(wǎng)系統(tǒng)等而言，壓縮空氣儲能電站既可以存儲電能，也能在電力故障時(shí)將電站作為備用電源提供用戶所需的電能。
結(jié)語
近年來，壓縮空氣儲能技術(shù)各方面都取得了很大的進(jìn)步。在儲氣庫方面，建設(shè)成本最低的地下鹽穴作為儲氣庫的研究應(yīng)用不斷增加，經(jīng)驗(yàn)趨于成熟；在非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能中，出現(xiàn)了絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲能技術(shù)、液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)和超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)。我國已成功實(shí)現(xiàn)以地下鹽穴作為儲氣庫的非補(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)模的壓縮空氣儲能電站，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ磥?，壓縮空氣儲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)壓縮空氣儲能技術(shù)和超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)領(lǐng)域再取得突破，在地下洞穴和人工平硐儲氣庫密封承壓改造技術(shù)上再進(jìn)一步，壓縮空氣儲能技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用并助力我國新能源及儲能建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。
文章來源：《資源節(jié)約與環(huán)?！?
作者：中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，李子鈺、呂宏、李祖輝、黃精濤。
