壓縮空氣儲能發(fā)展前景？
郭祚剛：隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的提出，儲能技術(shù)，特別是壓縮空氣儲能等大容量物理儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中將扮演重要角色。在應用場景方面，壓縮空氣儲能技術(shù)一方面可以通過電能存儲與釋放，實現(xiàn)夜間“風電出力高峰”與白天“電網(wǎng)負荷高峰”的雙峰跨時空協(xié)同；另一方面，也可以通過參與電網(wǎng)調(diào)頻服務，輔助新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在技術(shù)路線方面，以“壓縮熱利用為主導的無補燃型壓縮空氣儲能技術(shù)路線”與以“‘壓縮熱利用+天然氣補燃’耦合的噴射補燃壓縮空氣儲能技術(shù)路線”都處于蓬勃發(fā)展階段，大容量、低成本與高性能的壓縮空氣儲能技術(shù)將在“雙碳目標”戰(zhàn)略中扮演重要角色。
（來源：《南方能源建設》）
郭祚剛 (第一作者)
■ 男，高級工程師，博士，研究方向為綜合能源技術(shù)，新型壓縮空氣儲能技術(shù)。
引用本文: 郭祚剛, 馬溪原, 雷金勇, 袁智勇. 壓縮空氣儲能示范進展及商業(yè)應用場景綜述[J]. 南方能源建設, 2019, 6(3): 17-26. Zuogang GUO, Xiyuan MA, Jinyong LEI, Zhiyong YUAN. Review on Demonstration Progress and Commercial Application Scenarios of Compressed Air Energy Storage SystemLIU [J]. Southern Energy Construction, 2019, 6(3): 17-26(in Chinese)..
你聽過壓縮空氣儲能嗎？電力負荷低谷期將電轉(zhuǎn)發(fā)成能量儲存電力負荷高峰期釋放能量發(fā)電。
壓縮空氣儲能的定義
在碳達峰、碳中和兩大目標約束下，可再生能源有望得到大力發(fā)展。由于以風電、太陽能發(fā)電為代表的可再生能源具有時空不均衡性，高比例的可再生能源并網(wǎng)將對儲能技術(shù)提出更高要求。儲能技術(shù)可在提高可再生能源消納比例、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等方面發(fā)揮重要作用，是支撐我國大規(guī)模發(fā)展可再生能源、保障能源安全的關(guān)鍵技術(shù)。隨著儲能技術(shù)研發(fā)的持續(xù)推進和市場機制的逐步完善，儲能將為構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供有力支撐，助力碳達峰、碳中和目標達成。其中壓縮空氣儲能是繼抽水儲能之后，第二大被認為適合GW級大規(guī)模電力儲能的技術(shù)。
壓縮空氣儲能（Compressed-Air Energy Storage, CAES ）是指在電網(wǎng)負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網(wǎng)負荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機發(fā)電的儲能方式。通俗來說就是在用電低谷時，將空氣壓縮儲存于儲氣室中，將電能轉(zhuǎn)化為空氣能存儲起來；在用電高峰時釋放高壓空氣，帶動發(fā)電機發(fā)電。整個發(fā)電過程對大氣無污染，為綠色環(huán)保能源發(fā)電項目。因此作為一種新型的儲能技術(shù)，壓縮空氣儲能已經(jīng)被寫入國家“十四五”規(guī)劃中。根據(jù)目前技術(shù)形式分類，壓縮空氣儲能分為傳統(tǒng)壓縮空氣儲能、帶儲熱裝置的先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)、液氣壓縮的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)等。其中，目前先進壓縮空氣儲能已出現(xiàn)大規(guī)模建設案例，液態(tài)空氣儲能仍停留在示范項目階段。
更值得一提的是，百兆瓦級的先進壓縮空氣儲能技術(shù)是目前面向大規(guī)模長時儲能市場產(chǎn)業(yè)化的最佳功率級別，對我國整個壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和大范圍應用有著推動意義。同時，在能源行業(yè)存儲、技術(shù)驅(qū)動方面，為碳中和和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供有力支持，該系統(tǒng)用蓄熱裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的燃燒室，擺脫了對天然氣、石油等化石燃料的依賴，可實現(xiàn)對環(huán)境的零排放，零污染。
傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能主要部件包括壓縮機、壓縮空氣存儲器、燃燒室、膨脹機和電動機/發(fā)電機等。在儲能過程中，空氣從大氣環(huán)境進入壓縮機，被壓縮成高壓空氣后儲存在壓縮空氣存儲器中。在能量釋放過程中，壓縮空氣存儲器中的高壓空氣首先進入燃燒室，與燃料混合燃燒，成為高溫高壓空氣，接著進入膨脹機發(fā)揮其作用，從而輸出電能。
▲壓縮空氣儲能技術(shù)原理
經(jīng)過近50年的生產(chǎn)運作和不斷發(fā)展，壓縮空氣儲能已成為除抽水蓄能之外的另一種大規(guī)模物理儲能技術(shù)，其特點是容量最大、技術(shù)成熟和商業(yè)化。相較于電池儲能、飛輪儲能等其他形式的儲能技術(shù)，壓縮空氣儲能具有儲能效率高、使用壽命長、儲放容量大、投資成本較低等優(yōu)點。能夠在實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷、促進新能源高效消納、提升電力系統(tǒng)安全性和靈活性等方面發(fā)揮重要作用。
但截至2020年底，我國已投運的壓縮空氣儲能裝機規(guī)模尚不及抽水蓄能裝機規(guī)模的千分之一，存在巨大發(fā)展空間。如何提高壓縮空氣儲能的效率，獲得更好的經(jīng)濟效益，已成為迫切需要研究解決的重要課題。
壓縮空氣儲能的類型
目前，比較受關(guān)注的壓縮空氣相關(guān)的儲能技術(shù)有三種。
1. 鹽穴壓縮空氣儲能系統(tǒng)
壓縮空氣儲能是利用剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在高壓密封設施內(nèi)，需要時再釋放出來驅(qū)動汽輪機發(fā)電。這種技術(shù)多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，關(guān)鍵在于成本：大容量、密封性好的容器是很貴的。利用開采鹽礦后剩余的礦洞來儲存壓縮空氣是這一領域最新的發(fā)展趨勢，我國目前已有示范性項目即將建成。
鹽穴，即鹽礦開采后留下的礦洞，是一種寶貴的不可再生資源。我國鹽穴資源豐富，大部分體積巨大且密封性良好，適于儲存石油、天然氣等重要戰(zhàn)略物資，也是儲存高壓空氣的理想場所。
▲ 傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理圖
2. 液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)
利用天然礦洞來儲存壓縮空氣成本雖然很低，但這種礦洞資源可遇而不可求，可以使用的地方很有限。同樣是使用壓縮空氣作為儲能方式，英國的一家公司試圖讓這種方案具有更廣的適用范圍。利用剩余電力將空氣降溫到零下196℃，空氣將被液化，這樣體積便縮小了近700倍，極大地降低了對儲存裝置容量的需求。需要輸出電力時，空氣膨脹驅(qū)動發(fā)電機即可供電，轉(zhuǎn)化效率約為60%~70%。這比電池效率略低，但是儲罐的成本非常低，而且不需要補充耗材，使用壽命很長，具有大規(guī)模推廣的潛力。
該系統(tǒng)是由來自英國赫特福德郡的自學成才的“后院發(fā)明家”彼得·迪爾曼設計的，已獲得英國政府的1000萬英鎊資助，建成的50 MW儲能設備將為曼徹斯特附近大約50000個家庭存儲5個小時的電力。Carlton Highview Storage還計劃在英國進一步開發(fā)四個液態(tài)壓縮空氣儲能項目，儲能容量總計超過1GWh。
Highview的液態(tài)壓縮空氣儲能解決方案具有30-40年的使用壽命，效率約為60%~70%，已通過幾個MW規(guī)模的試點項目證明，在GW規(guī)?；蛎總€項目數(shù)百MW的規(guī)模下是最經(jīng)濟的。據(jù)外媒2020年10月28日報道，Highview宣布與總部位于智利的Energia-Latina S.A. Enlasa (Enlasa)成立合資公司(JV)，將在智利和其他拉美市場開發(fā)“GW級低溫壓縮空氣儲能項目”。
3. 多能互補壓縮空氣儲能海上電站
多能互補壓縮空氣儲能海上電站是一種新穎的綜合性技術(shù)裝備，目前還在技術(shù)研發(fā)階段。海上電站海浪能部分采用浮筒-氣缸結(jié)構(gòu)，利用海水的浮力及海浪的上下起伏將環(huán)境空氣壓縮進入集氣管；風能部分采用垂直軸風輪-空壓機（機頭）結(jié)構(gòu)，利用自然風能將環(huán)境空氣壓縮進入集氣管；槽式太陽能集熱管系統(tǒng)將太陽能熱量收集通過換熱器將透平前壓縮空氣加熱升溫進一步增加壓縮空氣能量，提高透平效率，同時提高透平后尾氣溫度，便于尾氣再利用。
海上電站海浪能利用方式不同于其它海洋能利用方式，與海水接觸的設備只有鋼筋混凝土框架及被限制在其中的浮筒，浮筒采用漁網(wǎng)浮漂材料（硬質(zhì)PVC泡沫材料），該種材料具有良好的耐磨性及硬度，與框架接觸方式采用滑動摩擦方式，海面下不存在任何旋轉(zhuǎn)部件。海浪能壓縮空氣壓強決定于浮筒體積及氣缸直徑，風能壓縮空氣壓強決定于垂直軸風輪掃風面積及空壓機設計功率，海上電站集氣管壓強大于透平設計進氣壓強，使集氣管起到儲能作用。據(jù)估算，6MW海上電站占海面積為9萬㎡，年利用小時數(shù)8760小時，年發(fā)電量0.5億kwh，造價3.5~4.5億元，使用壽命70年，按全生命周期計算度電成本0.114元/kwh，不包括其它產(chǎn)品收入。
壓縮空氣儲能的政策支持
我國儲能產(chǎn)業(yè)起步較晚，近幾年發(fā)展迅速。2009年起，國家加大對儲能產(chǎn)業(yè)的關(guān)注和支持，國家發(fā)改委、科技部、工信部等部委設立專項基金，國家“863”“973”等科研項目加大儲能技術(shù)比例。2010年我國《可再生能源法修正案》中首次提到儲能的發(fā)展，2016年“十三五”規(guī)劃明確提出重點推進包括可再生能源、能源儲備設施、能源關(guān)鍵技術(shù)裝備等能源行業(yè)八大重點工程，加快推進光熱發(fā)電、大規(guī)模儲能等技術(shù)研發(fā)應用。截至2019年，全球儲能累計裝機量增長至184.6GW，中國增長至32.4GW，占比17.6%，位居第一。
2019年7月份，由發(fā)改委辦公廳等四部門聯(lián)合制定了《貫徹落實<關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見>2019-2020年行動計劃》，提出了六大部分共16項具體措施。在先進儲能技術(shù)研發(fā)方面，要求重點推進大容量壓縮空氣儲能等重大先進技術(shù)項目建設，推動百兆瓦壓縮空氣儲能項目實現(xiàn)驗證示范。
2019年月31日，工信部發(fā)布了關(guān)于《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應用指導目錄（2019年版）》的通告，壓縮空氣儲能系統(tǒng)也被列入。要求每套額定功率≥100MW；系統(tǒng)效率≥65%；壽命≥30 年。
2020年這11個省市區(qū)域的重點項目涉及儲能項目、電池生產(chǎn)、電池材料和新能源汽車類共114個項目，福建項目最多（37個），河南數(shù)量第二（27個），其中，壓縮空氣儲能項目4個。
2021年3月12日，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》全文發(fā)布?！笆奈濉币?guī)劃和2035年遠景目標綱要中明確指出在氫能與儲能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領域，組織實施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)。其中提出要實施電化學儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等儲能示范項目。
壓縮空氣儲能的工程示范
1. 全球首套百兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范電站地下儲氣裝置一期工程項目正式開工。
2021年8月4日15時，由中國電建所屬水電四局承建技術(shù)來源于中科院工程熱物理所的全球首套百兆瓦先進壓縮空氣儲能示范電站地下儲氣裝置一期工程項目正式開工。項目位于河北省張北縣，采用先進新型壓縮空氣儲能技術(shù)儲能發(fā)電。該系統(tǒng)不依賴石油、天然氣等化學能源，具有技術(shù)上的優(yōu)勢，其整體研發(fā)進程及系統(tǒng)性能均處于國際領先水平。
地下儲氣裝置建造工程分為一期和二期建造工程，一期地下儲氣裝置儲氣3萬立方，發(fā)電為1小時；二期地下儲氣裝置儲氣7萬立方，發(fā)電3小時。項目每次充電4小時便能夠儲蓄40萬度的電能容量，相當于可滿足一個中小型工廠全年的用電需求，預計項目系統(tǒng)效率將達到70.4%。
先進壓縮空氣儲能技術(shù)適合長時大規(guī)模物理儲能，安全性和可靠性高，建設和運行成本低，且能效較高，壽命長，儲能周期不受限制，經(jīng)濟性好。此外，該系統(tǒng)不依賴任何化石原料，清潔無污染。
▲壓縮空氣儲能項目模型
▲壓縮空氣儲能項目效果圖
2. 金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目
金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目是目前空氣儲能領域唯一國家示范項目、國內(nèi)首個鹽穴儲能發(fā)電項目和世界首座非補燃式壓縮空氣儲能商業(yè)電站。該項目由中鹽集團、中國華能、清華大學三方共同投資建設，總投資約15億元。項目采用清華大學非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)，充分利用金壇豐富的鹽穴資源，并引進了華能集團電廠建設和運營的成熟經(jīng)驗。一期建設1套6萬千瓦×5小時的鹽穴非補燃式壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電年利用小時數(shù)約為1660小時，電換電效率為60%以上，使用壽命超過30年，二期規(guī)劃建設規(guī)模為35萬千瓦，終期規(guī)模將達100萬千瓦。
▲江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能發(fā)電國家示范項目
3. 泰安10兆瓦壓縮空氣儲能商業(yè)電站并網(wǎng)
2021年8月4日，山東泰安肥城10兆瓦壓縮空氣儲能電站一次送電成功，標志著國內(nèi)首家壓縮空氣儲能商業(yè)電站順利實現(xiàn)并網(wǎng)。
肥城10兆瓦壓縮空氣儲能電站設備由中國科學院研發(fā)。該項目充分利用泰安肥城邊院地區(qū)地下鹽穴密閉性好、穩(wěn)定性高的天然優(yōu)勢，在電網(wǎng)負荷低谷時壓縮空氣至鹽穴腔體，在電網(wǎng)負荷高峰時排氣推動發(fā)電機發(fā)電，起到輔助電網(wǎng)削峰填谷的作用。
2019年11月23日，山東肥城壓縮空氣儲能電站項目開工奠基儀式隆重舉行。該項目總建設規(guī)模為1250MW/7500MWh，總投資約60億元，分期建設實施。這次開工的為第一期工程，項目規(guī)模50MW/300MWh。項目所用儲能系統(tǒng)由葛洲壩聯(lián)合中科院工程熱物理研究所共同開發(fā)生產(chǎn)，額定運行效率達到60%以上 。
4. 國際首個300MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)項目簽約
近日，中儲國能（北京）技術(shù)有限公司與中國科學院工程熱物理研究所就300MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)工作簽署技術(shù)開發(fā)委托合同。中國科學院工程熱物理研究所將啟動300MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)工作，為中儲國能（北京）技術(shù)有限公司提供300MW級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)設計和工藝圖紙。據(jù)雙方協(xié)議，本項目研發(fā)成果預計于2022年7月交付。該項目為國際首個300MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)項目，其順利實施將有效推動壓縮空氣儲能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
▲300MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)項目簽約儀式
5. 近幾年國內(nèi)外壓縮空氣儲能項目匯總
結(jié)論
目前，全球發(fā)展最成熟的儲能是抽水儲能，電化學儲能緊隨其后。同時，以氫儲能技術(shù)、壓縮空氣儲能技術(shù)為代表的新型儲能技術(shù)也在越來越多的應用場景展現(xiàn)價值。壓縮空氣儲能是非常具有發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)，被普遍看好且具有較強的商業(yè)化應用潛力。
1)國內(nèi)壓縮空氣儲能技術(shù)近年來處于蓬勃發(fā)展階段，超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)、絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)及液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)均有研究覆蓋，與此同時，500 kW容量等級、1.5 MW容量等級及10 MW容量等級的壓縮空氣儲能示范工程均已建成，實現(xiàn)了壓縮空氣儲能技術(shù)由理論研究階段向示范驗證階段的突破。
2)1978年投運的德國漢特福壓縮空氣儲能電站及1991年投運的美國阿拉巴馬儲能電站，經(jīng)歷了數(shù)十年的商業(yè)化運行驗證，兩座商業(yè)化儲能電站的可靠運行經(jīng)驗對國內(nèi)壓縮空氣儲能技術(shù)商業(yè)化應用具有借鑒意義。
3)作為能量型儲能技術(shù)的壓縮空氣儲能技術(shù)，具有機組壽命周期內(nèi)性能不衰減的優(yōu)勢，在電源側(cè)儲能、電網(wǎng)側(cè)儲能及用戶側(cè)儲能三類場景中均有廣泛應用前景。
4)電源側(cè)儲能應用場景下，壓縮空氣儲能站以參與調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務為主要應用場景。電網(wǎng)側(cè)儲能應用場景下，壓縮空氣儲能電站用途主要包括調(diào)峰調(diào)頻、黑啟動、緩解輸配電阻塞及延緩輸配電設備投資、提高供電可靠性等，發(fā)揮保底電網(wǎng)作用。用戶側(cè)儲能應用場景下，壓縮空氣儲能站立足于滿足用戶降低用電成本及提高用電可靠性的需求，具體可包括基于峰谷電價的用電成本管理場景，基于兩部制電價的容量費用管理場景，基于提升電能質(zhì)量及用電可靠性的場景、參與電力輔助服務市場場景。
