儲能系統(tǒng)的產(chǎn)生
在熱力 / 化工系統(tǒng)循環(huán)中，物質(zhì)的能量在整個(gè)過程中不斷變化，且系統(tǒng)與外界環(huán)境發(fā)生物質(zhì)或能量交換。以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)為例，其工作過程是以氣體為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)：空氣在壓縮機(jī)中被壓縮升壓（能量次高位）；高壓空氣進(jìn)入燃燒室中與燃料燃燒產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)猓芰扛呶唬?；燃?xì)膺M(jìn)入膨脹機(jī)中做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；做功后的低溫低壓氣體排入大氣（能量低位）。
圖 1 燃?xì)廨啓C(jī)—布雷頓循環(huán)
實(shí)際生產(chǎn) / 生活中，產(chǎn)能裝置的可產(chǎn)能和用能設(shè)備的用能往往存在不匹配現(xiàn)象，比如波動的風(fēng)電產(chǎn)能和用戶用能，又比如夜晚發(fā)電廠的可發(fā)電量和用戶用電量，因此需要在產(chǎn)能多時(shí)儲能，用能多時(shí)用儲存的能量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能裝置的高效運(yùn)行和充分利用。
那么儲能系統(tǒng)如何產(chǎn)生呢？根據(jù)熱力 / 化工循環(huán)中工質(zhì)的能量低位和能量高位的差別，通過 " 切斷 " 循環(huán)，便可實(shí)現(xiàn)儲能的目的。由于循環(huán)過程被打斷，建立的儲能系統(tǒng)可利用 " 非同時(shí)進(jìn)行 " 循環(huán)過程中與外界的能量交換實(shí)現(xiàn)能量在時(shí)間上的平移，而 " 切斷 " 產(chǎn)生的儲存點(diǎn)應(yīng)該具備可儲存、高能量密度和性能穩(wěn)定的特征。
例如，太陽能熱化學(xué)儲能系統(tǒng)針對典型熱化學(xué)循環(huán)過程進(jìn)行循環(huán)的切斷，實(shí)現(xiàn)了能量的時(shí)間平移，在能多時(shí)，利用熱化學(xué)原理，吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定合成氣的化學(xué)能進(jìn)行儲存，能少時(shí)，通過儲存合成氣的氧化 / 分解等反應(yīng)釋放其化學(xué)能。
除了 " 切斷 " 熱力 / 化工循環(huán)可產(chǎn)生儲能系統(tǒng)外，儲能系統(tǒng)還可由一般自發(fā)動力 / 傳熱 / 化學(xué)等過程和其逆過程的結(jié)合而來，以抽水蓄能系統(tǒng)為例，其正向工作過程為自發(fā)的水利發(fā)電過程，逆向過程為通過抽水泵將低位水抽向高位蓄水庫的過程，這種將產(chǎn)能過程和其逆過程合并形成儲能系統(tǒng)是儲能系統(tǒng)的另一種組織形式。
在目前的大規(guī)模儲能技術(shù)中，以上所述的抽水蓄能系統(tǒng)是技術(shù)最為成熟，裝機(jī)占比最高的儲能系統(tǒng)，但其具有能量密度低、地理限制（由于對水資源、地勢差的要求，中國抽水蓄能電站主要分布于中東部地區(qū)）等缺點(diǎn)。面向未來風(fēng) / 光發(fā)電量與用電負(fù)荷之間的電力不平衡對儲能系統(tǒng)的巨大需求，以及我國風(fēng) / 光能源地理分布上的 " 三北 " 特征（主要分布于正北、西北、東北區(qū)域），需要發(fā)展能量密度更高、地理適應(yīng)性更強(qiáng)的儲能系統(tǒng)。而具有規(guī)模大、適用性強(qiáng)、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一。
圖 2 太陽能熱化學(xué)儲能系統(tǒng)
圖 3 抽水蓄能系統(tǒng)
壓縮空氣儲能系統(tǒng)
壓縮空氣儲能系統(tǒng)是以高壓空氣壓力能作為能量儲存形式，并在需要時(shí)通過高壓空氣膨脹做功來發(fā)電的系統(tǒng)，其技術(shù)原理發(fā)展自燃?xì)廨啓C(jī)。
燃?xì)廨啓C(jī)是由高速旋轉(zhuǎn)葉輪構(gòu)成的，將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械功對外輸出的回轉(zhuǎn)式動力機(jī)械。由于其具有功率密度大（體積小、重量輕）、起動速度快、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點(diǎn)，從 1906 年世界上第一臺燃?xì)廨啓C(jī)誕生至今，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入航空、航海、電力、工業(yè)壓縮輸送等領(lǐng)域并得到了迅速的發(fā)展。
圖 4 燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)在航空等領(lǐng)域的應(yīng)用
現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)由壓縮機(jī)、燃燒室和膨脹機(jī)組成，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)均為高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機(jī)械，是氣流能量與機(jī)械功之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。其基本工作過程為環(huán)境空氣被壓縮機(jī)壓縮到高壓，然后壓縮空氣和燃料流入燃燒室進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高壓高溫氣流，在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹產(chǎn)生軸功。
圖 5 燃?xì)廨啓C(jī)組成及工作過程
由于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)安裝在一根軸上，壓縮機(jī)消耗的能量由膨脹機(jī)提供（壓縮機(jī)是為了提升工質(zhì)壓力，便于膨脹機(jī)做功），如果壓縮機(jī)和膨脹機(jī)安裝在不同的軸上，則壓縮過程和膨脹過程可以分開，這就形成了壓縮空氣儲能技術(shù) ( 壓縮空氣儲能系統(tǒng) ) 的基本雛形。
儲能時(shí)段，壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用風(fēng) / 光電或低谷電能帶動壓縮機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲于報(bào)廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或者人造的儲氣罐中；釋能時(shí)段，通過放出高壓空氣推動膨脹機(jī)，將存儲的空氣壓力能再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者電能。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)的不同之處在于燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是同時(shí)處于工作狀態(tài)，而壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的壓縮過程和膨脹過程卻是分時(shí)進(jìn)行工作。
圖 6 壓縮空氣儲能系統(tǒng)
那么壓縮空氣能儲存多少能量呢？根據(jù)熱力學(xué)第二定律，區(qū)別于環(huán)境壓力和溫度的空氣具有做功能力，單位質(zhì)量做功能力（可轉(zhuǎn)換的功）為 e=u-u0-T0 ( s-s0 ) （u 為內(nèi)能，T 為溫度，s 為熵，下標(biāo) 0 代表環(huán)境條件），可見溫度越高，內(nèi)能 u 越大，熵 s 也越大，但是 u-T0s 仍是增大的；壓力越大，熵 s 越小，但內(nèi)能基本不變，因此溫度和壓力升高均會使單位質(zhì)量空氣的做功能力增大。當(dāng)壓縮空氣壓力為 100 倍大氣壓、溫度為環(huán)境溫度時(shí)，1 立方米空氣內(nèi)部的能量（可轉(zhuǎn)化為電能）為 12.9 度電；當(dāng)壓力增至 200 倍大氣壓時(shí)，1 立方米空氣儲存電能為 28.3 度，進(jìn)一步將空氣加熱至 300 攝氏度，可釋放的電能變?yōu)?54.4 度。同時(shí)根據(jù)上述公式，可知溫度極低時(shí)空氣的做功能力也會急劇增大，如 1 立方米常壓液態(tài)空氣內(nèi)部的可用能為 201 度電，可見最普通的空氣也可蘊(yùn)含巨大的能量。
和一般熱力系統(tǒng)一樣，評價(jià)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一為系統(tǒng)效率，是輸出能量和輸入能量的比值，其代表能量利用的熱力學(xué)完善程度，目前先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的理論計(jì)算效率可突破 70%。另一個(gè)重要指標(biāo)為能量密度，其為系統(tǒng)儲存的能量和儲存體積的比值，用于判斷系統(tǒng)是否能用較少的占地面積 / 體積產(chǎn)生較大的能量。除此之外，污染物和碳排放也是壓縮空氣儲能系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)，基于此，目前發(fā)展了幾種零碳輸入的先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
壓縮空氣儲能技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀
壓縮空氣儲能技術(shù)是從上世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的，目前世界上有兩個(gè)商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲能電站，分別是德國的 Huntorf 電站、美國 Mcintosh 電站，它們均為帶有燃燒室和洞穴儲氣室的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)。用電低谷時(shí)，多余的電帶動電動機(jī)和壓縮機(jī)將空氣壓入地下儲存室，用電高峰時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入燃燒室與燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)鈳优蛎洐C(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電。
圖 7 德國 Huntorf 電站
可以看出，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)依賴于化石燃料和大型儲氣室，且系統(tǒng)效率較低（較高的美國 Mcintosh 電站能量效率約 54%），其發(fā)展和應(yīng)用受到限制。基于此，國內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的基礎(chǔ)上，通過采用優(yōu)化熱力循環(huán)、改變工質(zhì)或其狀態(tài)、與其他技術(shù) ( 包括儲能技術(shù) ) 互補(bǔ)等方法，開拓出了多種新型的壓縮空氣儲能技術(shù)，使其得到迅速發(fā)展，并得到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前主要的壓縮空氣儲能技術(shù)包括：
蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)（TS-CAES）
空氣壓縮過程會產(chǎn)生壓縮熱，在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能中，這部分熱量通常被冷卻水帶走，最終耗散掉，而 TS-CAES 則將這部分熱量在儲能時(shí)儲存起來，而在釋能時(shí)用這部分熱量加熱膨脹機(jī)入口空氣，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用，提高了系統(tǒng)效率。同時(shí)由于膨脹機(jī)前有壓縮熱的加熱，可以取消燃燒室，即該系統(tǒng)也擺脫了對化石燃料的依賴。當(dāng)存在太陽能熱、工業(yè)余熱等外界熱源時(shí)，膨脹機(jī)入口空氣還可進(jìn)一步地被加熱，提高系統(tǒng)效率和能量密度。加之該系統(tǒng)工作流程簡單，目前受到了較多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究。而該系統(tǒng)缺點(diǎn)在于增加了多級換熱及儲熱，系統(tǒng)占地面積和投資有所增加。
圖 8 一種 TS-CAES 系統(tǒng)原理圖
等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)（I-CAES）
顧名思義，I-CAES 為等溫壓縮和等溫膨脹過程實(shí)現(xiàn)儲能和釋能。該系統(tǒng)采用一定措施（如活塞、噴淋、底部注氣等），通過比熱容大的液體（水或者油）提供近似恒定的溫度環(huán)境，使空氣在壓縮和膨脹過程中無限接近于等溫過程，將熱損失降到最低，從而提高系統(tǒng)效率，同時(shí)也取消了蓄熱系統(tǒng)（相對于 TS-CAES），系統(tǒng)部件減少。而等溫過程的實(shí)現(xiàn)比較困難，原因是其需要較好的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，目前仍存在技術(shù)難題。同時(shí)，雖然等溫使壓縮機(jī)耗功減少，但也意味著壓縮機(jī)和膨脹機(jī)與外界交換的功量減少，這與儲能系統(tǒng)需要吸收更多的能量（更高的能量密度）相沖突，因此當(dāng)儲能壓力不夠高時(shí)，I-CAES 的能量密度較低。
圖 9 一種 I-CAES 系統(tǒng)原理圖
水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)（UW-CAES）
當(dāng)空氣以氣態(tài)形式儲存在地下洞穴或人造容腔內(nèi)時(shí)，隨著儲能（充氣）或釋能（放氣）過程的進(jìn)行，儲氣室內(nèi)的壓力不斷變化，且空氣不能被完全釋放 ( 需要大量墊底氣 ) ，否則洞穴坍塌或壓縮機(jī)出口 / 膨脹機(jī)入口壓力過低無法運(yùn)行，以上因素造成壓縮機(jī)和膨脹機(jī)處于變工況運(yùn)行，效率不能持續(xù)處于高位，同時(shí)系統(tǒng)能量密度不高。針對以上問題，UW-CAES 通過將儲氣裝置放置在深水（海洋或湖泊）中，利用水壓的恒定實(shí)現(xiàn)儲能和釋能過程中壓縮機(jī)組出口和膨脹機(jī)組入口壓力恒定，使壓縮機(jī)和膨脹機(jī)一直工作在最佳運(yùn)行點(diǎn)，且釋能時(shí)儲氣裝置中的空氣可以近乎完全釋放。因此 UW-CAES 具有高效率（~71%）和高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，其適用于海岸線 / 深海區(qū)域的儲能。但該系統(tǒng)的儲氣裝置存在制造困難的問題，如需特殊的耐腐蝕材料、需將其固定在海底等。
圖 10 一種 UW-CAES 系統(tǒng)原理圖
液態(tài)壓縮空氣儲能系統(tǒng)（LAES）
借助于空氣降溫液化技術(shù)，LAES 系統(tǒng)通過添加流程使空氣以液態(tài)形式儲存，如圖為一種 LAES 系統(tǒng)的流程圖，儲能時(shí)，經(jīng)過壓縮機(jī)的高壓空氣進(jìn)入回?zé)崞鹘禍睾徒祲涸O(shè)備進(jìn)行液化，被液化的常壓低溫液態(tài)空氣儲存在儲液罐中；釋能時(shí)，液態(tài)空氣經(jīng)過低溫泵升壓、回?zé)崞魃郎?，然后進(jìn)入燃燒室，與燃料混合燃燒后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功。LAES 系統(tǒng)中空氣以液態(tài)形式儲存，相對于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能，其具有不受地理環(huán)境限制、能量密度大的優(yōu)點(diǎn)。但是其依賴化石燃料輸入，系統(tǒng)性能受回?zé)崞鞯挠绊戄^大。
圖 11 一種 LAES 系統(tǒng)原理圖
超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)（SC-CAES）
SC-CAES 系統(tǒng)為陳海生研究員提出，其利用空氣的超臨界特性，在蓄熱 / 冷過程中高效傳熱 / 冷，并將空氣以液態(tài)形式儲存，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效和高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)兼具 TS-CAES 和 LAES 的特點(diǎn)，同時(shí)擺脫了依賴大型儲氣室和化石燃料的問題。如圖為一種 SC- 壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理圖，其工作原理為：在用電低谷，空氣被壓縮到超臨界狀態(tài)（T>132K，P>37.9bar），并在蓄熱 / 換熱器中冷卻至常溫后，利用存儲的冷能將其等壓冷卻液化，經(jīng)節(jié)流 / 膨脹降壓后常壓存儲于低溫儲罐中，同時(shí)空氣經(jīng)壓縮機(jī)的壓縮熱被回收并存儲于蓄熱 / 換熱器中；在用電高峰，液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵加壓至超臨界壓力后，輸送至蓄冷 / 換熱器被加熱至常溫，再吸收儲能過程中的壓縮熱后經(jīng)膨脹機(jī)膨脹做功，同時(shí)液態(tài)空氣中的冷能被回收并存儲于蓄冷 / 換熱器中。
圖 12 一種 SC-CAES 系統(tǒng)原理圖
綜上，各類壓縮空氣儲能技術(shù)均具有其自身優(yōu)勢和一定的局限性，但整體來看，蓄熱式壓縮空儲能系統(tǒng)效率較高，具備較為成熟的技術(shù)，加之我國有大量的鹽洞、廢棄礦洞，利用已有洞穴建設(shè)低成本的壓縮空氣儲能系統(tǒng)非常有發(fā)展前景，因此 TS-CAES 系統(tǒng)有望在未來幾年得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
LAES 系統(tǒng)和 SC-CAES 系統(tǒng)由于具有較高的能量密度，占地面積小，將在無天然洞穴地區(qū)受到越來越多的青睞，特別是 SC-CAES 系統(tǒng)還具有較高效率的優(yōu)點(diǎn)，其吸引力將更大，但目前仍需進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)突破，提高系統(tǒng)效率。UW-CAES 系統(tǒng)由于其工作環(huán)境，有望在海洋中得到一定應(yīng)用，未來水下儲氣裝置技術(shù)成熟后，可在海洋環(huán)境如海上風(fēng)電儲存方面得到一定應(yīng)用。
I-CAES 系統(tǒng)由于無蓄熱裝置，待等溫技術(shù)成熟后，系統(tǒng)可兼具流程簡單和效率高的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)能量密度較低，使其在大規(guī)模儲能領(lǐng)域受限。同時(shí)未來，考慮到產(chǎn)能方式及用能方式的多樣性，壓縮空氣儲能可與其他熱力系統(tǒng)耦合，充分發(fā)揮其在促進(jìn)耦合系統(tǒng)變工況運(yùn)行上的優(yōu)勢。
除了技術(shù)方面的改進(jìn)，經(jīng)過多年的應(yīng)用研究，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的應(yīng)用場景也得到了極大的拓寬。大規(guī)模時(shí)，其可用于電力系統(tǒng)削峰填谷、可再生能源平滑波動、可再生能源 / 工業(yè)余熱耦合利用、火電廠 / 核電廠變工況輔助運(yùn)行等，中小規(guī)模時(shí)，可用于分布式能源系統(tǒng)、分布式微電網(wǎng)、壓縮空氣儲能汽車、無人機(jī)彈射技術(shù)等方面。
在產(chǎn)業(yè)化方面，相對于歐美國家，我國的壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)整體起步較晚，但發(fā)展很快。2011 年，中國科學(xué)院工程熱物理研究所率先建成了國際首個(gè)超臨界壓縮空氣儲能實(shí)驗(yàn)平臺（15KW）；基于該技術(shù)及持續(xù)的研究工作，2013 年，工程熱物理所就在河北廊坊建成了 MW 級的先進(jìn)壓縮空氣儲能（集成超臨界和蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)）示范項(xiàng)目，系統(tǒng)效率達(dá)到 52.1%；進(jìn)一步，又于 2016 年底在貴州畢節(jié)建成 10MW 的先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)效率進(jìn)一步提升至 60%；而目前正在河北張家口建設(shè)的 100MW 先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，預(yù)計(jì) 2021 年底建成，其系統(tǒng)目標(biāo)效率將達(dá)到 70%，單位裝機(jī)成本降低至 450-750 美元 /kW，已接近抽水蓄能電站的效率及單位裝機(jī)成本，該系統(tǒng)有望在未來得到廣泛應(yīng)用。
未來碳中和背景下可再生能源發(fā)電占比的提升將進(jìn)一步拉動儲能需求，同時(shí)壓縮空氣儲能技術(shù)進(jìn)步帶來的規(guī)模、效率的提升也將推動壓縮空氣儲能成本的不斷下降，拓寬壓縮空氣儲能的應(yīng)用場景。而國家碳交易市場的建立將進(jìn)一步帶動能源市場環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性要求，也會推動壓縮空氣儲能系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用。
