中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3.3 壓縮空氣儲(chǔ)能
3.3.1 壓縮空氣儲(chǔ)能概述
壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）是一種機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，其原理是利用電力壓縮空氣，然后將壓縮空氣儲(chǔ)存起來(lái)，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(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此CAES系統(tǒng)可以根據(jù)熱儲(chǔ)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(guò)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(kāi)存儲(chǔ)，并在膨脹過(guò)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(chǔ)存壓縮空氣來(lái)區(qū)分。在地上非A-CAES系統(tǒng)中，壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)存在天然構(gòu)造或人工開(kāi)采的洞穴中。
在其最簡(jiǎn)單的配置中，A-CAES由空氣壓縮機(jī)、容納加壓空氣的儲(chǔ)存室、熱儲(chǔ)能設(shè)施以及渦輪機(jī)組成。在D-CAES系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱設(shè)施被燃料發(fā)電系統(tǒng)所取代。
A-CAES是真正的儲(chǔ)能技術(shù)；這些系統(tǒng)的效率是通過(guò)將其輸出電力除以輸入電力來(lái)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(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)（沒(méi)有壓縮空氣）相當(dāng)。基于已經(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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)（根據(jù)定義），而是這些類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了一種使用廉價(jià)電力來(lái)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(méi)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(lái)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(chǔ)的壓縮空氣量將限制通過(guò)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(kāi)發(fā)工作
通過(guò)壓縮空氣來(lái)儲(chǔ)存能量是一個(gè)傳統(tǒng)的想法，自從19世紀(jì)以來(lái)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(chǔ)存在地上設(shè)施中，用于操作氣動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)，并在上世紀(jì)60年代引起了越來(lái)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(chǔ)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(guó)亨托夫（Huntorf），另一個(gè)于1991年部署在美國(guó)阿拉巴馬州的麥金托什（McIntosh）。Huntorf）壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的流程圖如圖3.5所示，裝機(jī)容量和儲(chǔ)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(chǔ)存在容積為31萬(wàn)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(chǔ)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(chǔ)存在一個(gè)27萬(wàn)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(chǔ)能系統(tǒng)中，天然氣發(fā)電設(shè)施對(duì)能源容量的貢獻(xiàn)很大。例如，在McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)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(guò)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(lái)全球沒(méi)有建造任何D-CAES系統(tǒng)。而在美國(guó)，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(ài)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(kāi)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(dòng)的一些原因與其他儲(chǔ)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(wàn)至數(shù)百萬(wàn)立方米的大型空氣儲(chǔ)存室（通常是天然地質(zhì)構(gòu)造），以及需要有效捕獲、儲(chǔ)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(méi)有運(yùn)營(yíng)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(guó)啟動(dòng)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(chǔ)存壓縮空氣，壓縮空氣通過(guò)水庫(kù)保持恒定壓力。此外，瑞士的ALACAES公司在2016年使用山洞成功測(cè)試了60kW/1MWh的A-CAES系統(tǒng)試點(diǎn)項(xiàng)目。中國(guó)目前至少有兩個(gè)A-CAES系統(tǒng)測(cè)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(guó)正在建設(shè)測(cè)試其他的商業(yè)用途A-CAES系統(tǒng)和液態(tài)空氣儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(guò)程被反轉(zhuǎn)以進(jìn)行膨脹。等溫壓縮和膨脹過(guò)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(guò)程。等溫CAES一直是一些研究和商業(yè)開(kāi)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(méi)有解決其部署的關(guān)鍵障礙。
3.3.3 展望
盡管最近沒(méi)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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(chǔ)壓縮空氣場(chǎng)所之外，并沒(méi)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(lái)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(guò)程中空氣與環(huán)境隔離）將會(huì)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(chǔ)存熱量是不切實(shí)際的。其中一個(gè)問(wèn)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存的這種熱量與壓縮空氣一起有助于從儲(chǔ)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(lái)說(shuō)，A-CAES系統(tǒng)的有效能等于通過(guò)使儲(chǔ)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(chǔ)壓縮空氣的熱量需要一個(gè)擴(kuò)展的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，其尺寸和復(fù)雜性與容量相同的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)（TES）相當(dāng)。在A-CAES系統(tǒng)中，壓縮空氣和儲(chǔ)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(chǔ)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(guò)將其熱能輸送到熱存儲(chǔ)器來(lái)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(jiǎn)化形式說(shuō)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(chǔ)能系統(tǒng)（曲線下的紅色區(qū)域）中存儲(chǔ)的有效能，以及熱儲(chǔ)能介質(zhì)的溫度，假設(shè)單級(jí)壓縮，用于不同的壓縮比(r)。圖3.8b顯示了兩級(jí)壓縮系統(tǒng)的相同信息，假設(shè)每級(jí)壓縮空氣的系數(shù)是壓縮比（r）的平方根。這些數(shù)字說(shuō)明了這是一個(gè)沒(méi)有任何損失的理想系統(tǒng)。在實(shí)際系統(tǒng)中，效率低下會(huì)減少兩個(gè)來(lái)源的可用工作量。對(duì)于單級(jí)系統(tǒng)，大約一半的熱能存儲(chǔ)在熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中；在使用兩級(jí)壓縮系統(tǒng)的情況下，較少的熱能用于熱儲(chǔ)能。在無(wú)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(chǔ)能的可用功總和為存儲(chǔ)能量的總量（黑色曲線），反過(guò)來(lái)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(chǔ)存的空氣中。TES系統(tǒng)的能量容量必須大致相同，與壓縮級(jí)數(shù)無(wú)關(guān)。這是因?yàn)樗休斎肽芰慷即鎯?chǔ)在TES系統(tǒng)中。然而，可以從存儲(chǔ)的熱能中提取的電力隨著壓縮級(jí)數(shù)的增加而減少。這是因?yàn)閴嚎s級(jí)數(shù)越多，TES系統(tǒng)的溫度越低，而熱力學(xué)表明，隨著存儲(chǔ)溫度的下降，可以將較小部分的熱能作為有效能提取出來(lái)。額外的壓縮級(jí)可以抵消這些損失，從而減少對(duì)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(chǔ)系統(tǒng)的選擇等。這兩個(gè)重要的操作問(wèn)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(chǔ)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(duì)渦輪機(jī)的限制，因此有必要在空氣離開(kāi)儲(chǔ)存器時(shí)將空氣節(jié)流至固定壓力。而在節(jié)流過(guò)程將會(huì)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(huì)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(chǔ)氣庫(kù)的可用性。此類場(chǎng)地的位置可能不會(huì)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的首選位置有所重疊。此外，在某些場(chǎng)所，壓縮空氣儲(chǔ)存可能需要與二氧化碳和氫氣等其他氣體的儲(chǔ)存進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。
給定配置的蓄熱要求取決于壓縮和膨脹過(guò)程的設(shè)計(jì)。在單級(jí)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(jí)數(shù)的增加，TES系統(tǒng)的溫度降低，但存儲(chǔ)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(chǔ)氣設(shè)施和地質(zhì)選址
鑒于需要在高壓下儲(chǔ)存大量空氣，儲(chǔ)罐或管道等地上儲(chǔ)存設(shè)施對(duì)于長(zhǎng)期存儲(chǔ)壓縮空氣來(lái)說(shuō)成本高昂。此外，將許多加壓罐放置在附近會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。 對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間的地面存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，一種可行的選擇是采用液態(tài)空氣儲(chǔ)能。
對(duì)于較短時(shí)間的應(yīng)用，CAES系統(tǒng)將與電化學(xué)儲(chǔ)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(jìng)爭(zhēng)。CAES系統(tǒng)的電力成本大約是鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩到三倍，鋰離子電池目前是儲(chǔ)能行業(yè)領(lǐng)先的短時(shí)儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)（電池儲(chǔ)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(chǔ)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(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)能技術(shù)或儲(chǔ)能需求管理。關(guān)于選址靈活性，圖3.9說(shuō)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)的CAES系統(tǒng)通常不利于短期儲(chǔ)存。而液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可能是一個(gè)例外。
對(duì)于地下儲(chǔ)氣庫(kù)，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(shuō)明了每個(gè)選項(xiàng)。
圖3.10 儲(chǔ)存壓縮空氣的地層示意圖
穹窿或?qū)訝铥}穴儲(chǔ)存洞穴是使用水溶開(kāi)采法創(chuàng)建的。在這個(gè)過(guò)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(kāi)采是一個(gè)成熟的過(guò)程，用于創(chuàng)建用于儲(chǔ)存天然氣和廢物的洞穴。在美國(guó)，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(chǔ)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(guò)程中，注入空氣以調(diào)節(jié)水位。對(duì)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?huì)混入儲(chǔ)存的空氣中，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(chǔ)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(duì)壓縮空氣儲(chǔ)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(kāi)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(guò)溶液或巖石開(kāi)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(guò)可用體積，則必須識(shí)別和開(kāi)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(píng)估和開(kāi)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(cè)試井、申請(qǐng)?jiān)S可證、進(jìn)行地震測(cè)試和測(cè)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(chǔ)空氣的最小壓力和最大壓力。需要最小壓力來(lái)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(guò)考慮結(jié)構(gòu)完整性或通過(guò)第一個(gè)膨脹設(shè)施的設(shè)計(jì)入口壓力來(lái)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(guò)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(huì)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(chǔ)存場(chǎng)地的自排放率也很重要，也就通過(guò)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(duì)于鹽巖層和硬巖洞穴，泄漏率可能非常低。對(duì)于其他地下儲(chǔ)氣庫(kù)方案，泄漏率取決于現(xiàn)場(chǎng)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(guó)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(guó)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(píng)估。
圖3.11美國(guó)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(chǔ)類型是鹽穴，因?yàn)辂}穴的開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)：這種鹽穴目前用于儲(chǔ)存天然氣和廢物，而未來(lái)可能用于儲(chǔ)存氫氣和可能捕獲的二氧化碳。尤其是氫氣，而氫氣對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)氫的首選方法，因?yàn)槠渌问降膬?chǔ)氫更容易泄漏，而且鹽與氫的反應(yīng)性較低。CAES系統(tǒng)的能量密度比化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)低大約10倍，化學(xué)儲(chǔ)能不僅限于發(fā)電，因?yàn)闅錃夂推渌肿涌捎米骰瘜W(xué)過(guò)程的原料。因此，如果可用于儲(chǔ)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(chǔ)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(lái)儲(chǔ)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(chǔ)存天然氣的循環(huán)頻率低是經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于依賴機(jī)械能的CAES系統(tǒng)，可能會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(guó)一家公司曾嘗試為D-CAES項(xiàng)目開(kāi)發(fā)廢棄的天然氣儲(chǔ)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(chǔ)投標(biāo)相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。雖然A-CAES可以緩解一些使該項(xiàng)目失去競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)問(wèn)題，但在碳排放不顯著的情況下，從儲(chǔ)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(duì)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(ài)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(chǎng)測(cè)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(lái)準(zhǔn)確評(píng)估給定含水層對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(wàn)美元到數(shù)百萬(wàn)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(chǔ)存方案的可行性，但多孔介質(zhì)儲(chǔ)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(chǔ)存最有利的選擇是鹽穴和廢棄的硬巖礦山。這兩者都有競(jìng)爭(zhēng)用途的需求，例如化學(xué)儲(chǔ)能，而且兩者都供應(yīng)有限。對(duì)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(duì)效率的影響是可接受的。從歷史上看，在美國(guó)開(kāi)發(fā)CAES項(xiàng)目的一些嘗試低估了選址挑戰(zhàn)。展望未來(lái)，需要對(duì)確定合適的地下儲(chǔ)存地點(diǎn)的挑戰(zhàn)進(jìn)行更多研究，以評(píng)估CAES在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)存起來(lái)，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(chǔ)能系統(tǒng)的溫度。盡管如此，整體設(shè)計(jì)過(guò)程是相同的，可以靈活地對(duì)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(chǔ)能，從而降低熱儲(chǔ)能成本。
盡管由于環(huán)境濕度的原因，水凝結(jié)會(huì)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(chǔ)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(yáng)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(chǔ)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(chǔ)。固體儲(chǔ)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(chǔ)存
在等容存儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)和Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)都在鹽穴中使用等容儲(chǔ)存技術(shù)。
等壓儲(chǔ)存系統(tǒng)使用流體（例如水）來(lái)將壓縮空氣并保持恒定壓力。這種流體可以儲(chǔ)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(chǔ)壓力仍受渦輪機(jī)所需輸入壓力的限制。因?yàn)榈葔簝?chǔ)存設(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(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比等容儲(chǔ)能系統(tǒng)高2到3倍的能量密度。
雖然等壓儲(chǔ)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(guò)程中，鹽會(huì)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(lái)減少鹽水蒸發(fā)到壓縮空氣中?；蛘呖梢允褂盟酝獾囊后w，但它們必須便宜且無(wú)毒。由于這些原因，通常建議使用等壓儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氣罐提供壓力，以便在恒壓下抽取空氣
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