中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：能源是國民經(jīng)濟(jì)賴以發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，依據(jù)《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》設(shè)定的發(fā)展目標(biāo)，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重在2020年與2030年將分別達(dá)到15%與20%，至2020年全國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到6.8億千瓦，可再生能源發(fā)電電量將占據(jù)發(fā)電總量的27%[1]。
具備波動(dòng)性及間歇性特點(diǎn)的可再生能源電能大規(guī)模并網(wǎng)，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平提出了更高要求。作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，儲(chǔ)能技術(shù)能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻及黑啟動(dòng)等多種服務(wù)，能夠顯著提高電力系統(tǒng)的靈活性及安全性。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是一種可以大容量推廣的物理儲(chǔ)能技術(shù)，為促進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、“十二五”國家科技計(jì)劃先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域2013年度項(xiàng)目指南及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高新領(lǐng)域2017年度項(xiàng)目指南等科技渠道均對先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了資助。國家發(fā)改委及國家能源局等多部委聯(lián)合于2017年9月發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見（發(fā)改能源〔2017〕1701號(hào)）》明確提出開展10MW/100MWh級(jí)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)及示范[2]，于2019年6月進(jìn)一步發(fā)布的《貫徹落實(shí)《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》2019-2020年行動(dòng)計(jì)劃》提出重點(diǎn)推進(jìn)大容量壓縮空氣儲(chǔ)能等重大先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目建設(shè)，推動(dòng)百兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證示范[3]。
本文針對《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中涉及的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行綜述，梳理了國內(nèi)致力于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)工程示范的研發(fā)團(tuán)隊(duì)及其技術(shù)，在此基礎(chǔ)上介紹全球兩座大容量商業(yè)化壓縮空氣儲(chǔ)能電站的運(yùn)行情況，跟蹤國內(nèi)外新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的工程示范最新進(jìn)展，以較全面的視角對已投運(yùn)多年的商業(yè)化儲(chǔ)能站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及近年來壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜述，同時(shí)以電源側(cè)儲(chǔ)能站場景、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能站場景及用戶側(cè)儲(chǔ)能站場景為切入點(diǎn)開展了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的商業(yè)場景適用性分析，為壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提供借鑒。
1 儲(chǔ)能市場及儲(chǔ)能技術(shù)
根據(jù)《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2019》公布的儲(chǔ)能預(yù)測數(shù)據(jù)[4]，至2025年我國的抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到90GW，至2023年我國的電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到20GW。
截至2018年底，我國的儲(chǔ)能裝機(jī)累計(jì)容量已經(jīng)達(dá)到31.3GW，其中抽水蓄能電站累計(jì)容量為29.99GW，電化學(xué)儲(chǔ)能電站的累計(jì)裝機(jī)容量為1072.7MW，電化學(xué)儲(chǔ)能電站中的鋰離子電池儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量最高，鋰離子電池儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量為758.8MW。相對于裝機(jī)容量快速增長的電化學(xué)儲(chǔ)能站，可大容量推廣的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)近年來處于快速發(fā)展中，國內(nèi)已建成500kW容量等級(jí)[5]，1.5MW容量等級(jí)[6]及10MW容量等級(jí)[7]等多種容量規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站，完成了多容量等級(jí)的技術(shù)驗(yàn)證工作。
儲(chǔ)能技術(shù)包括機(jī)械儲(chǔ)能及電化學(xué)儲(chǔ)能兩大類，其中大容量的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)主要包括抽水蓄能及壓縮空氣儲(chǔ)能；大容量的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要包括鋰離子電池及鉛炭電池等；典型的能量型儲(chǔ)能技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。
表1 典型的能量型儲(chǔ)能技術(shù)
2 國內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能研發(fā)團(tuán)隊(duì)及其技術(shù)
2.1 中科院工程熱物理研究所儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)
中科院工程熱物理研究所設(shè)立了儲(chǔ)能研發(fā)中心，由陳海生研究員擔(dān)任儲(chǔ)能研發(fā)中心主任，承擔(dān)了包括國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“10MW級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與示范”及北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目“大規(guī)模先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)與示范”等在內(nèi)的多項(xiàng)壓縮空氣儲(chǔ)能研究項(xiàng)目，已建成1.5MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目1座（系統(tǒng)效率52%[6]）及10MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目1座（系統(tǒng)效率60.2%[7]），儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)代表性專利之一為“超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)”[8]。
2.2 南網(wǎng)科研院新能源與綜合能源團(tuán)隊(duì)
南方電網(wǎng)科學(xué)研究院新能源與綜合能源團(tuán)隊(duì)在海上風(fēng)電、儲(chǔ)能、微電網(wǎng)及綜合能源等領(lǐng)域具有技術(shù)積累。新能源與綜合能源團(tuán)隊(duì)成員郭祚剛博士在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域具有多年研發(fā)經(jīng)歷，現(xiàn)為南方電網(wǎng)公司大容量儲(chǔ)能重大科研團(tuán)隊(duì)成員。
郭祚剛博士自2012年開始研發(fā)新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，完成了新型壓縮空氣儲(chǔ)能博士后課題，同時(shí)承擔(dān)了包括廣東省自然科學(xué)基金在內(nèi)的多項(xiàng)壓縮空氣儲(chǔ)能課題，從市場需求及商業(yè)推廣角度研發(fā)新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)[9-11]。在新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)過程中，通過引入噴射調(diào)壓系統(tǒng)克服了降壓閥調(diào)壓存在較大壓力能損失的技術(shù)缺陷，較大幅度提升儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，代表性專利之一為“壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)”[12]。
2.3 清華大學(xué)電機(jī)系儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)
清華大學(xué)電機(jī)系壓縮空氣儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)由梅生偉教授擔(dān)任負(fù)責(zé)人，參與了安徽蕪湖高新區(qū)的“500kW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目”課題，項(xiàng)目所需的3000萬資金由國家電網(wǎng)投資，項(xiàng)目于2014年11月首次發(fā)電成功[5, 13]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[14]，“500kW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目”的最大發(fā)電功率達(dá)到了420kW，單次循環(huán)發(fā)電量為360kWh，儲(chǔ)能效率為33%。清華大學(xué)電機(jī)系儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)的代表性專利之一為“一種50MW絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能方法”[15]。
2.4 中科院過程工程研究所儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)
丁玉龍教授曾擔(dān)任利茲大學(xué)-中科院過程工程研究所聯(lián)合儲(chǔ)能技術(shù)研究中心首任主任，現(xiàn)為英國伯明翰大學(xué)-國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)歐洲研究院聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共同（創(chuàng)建）主任。丁玉龍教授儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)利用液態(tài)空氣具有密度大且易于儲(chǔ)存的特點(diǎn)，研發(fā)液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)，儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)代表性專利之一為“液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能效提升裝置及方法”[16]。
2.5 國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)
國家電網(wǎng)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)致力于液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)，儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域已取得多項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，代表性專利之一為“一種儲(chǔ)罐增壓型的深冷液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)”[17]。另據(jù)報(bào)道[18]，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院壓縮空氣儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)在江蘇吳江區(qū)同里鎮(zhèn)開展500kWh的液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程建設(shè)。
3 商業(yè)化壓縮空氣儲(chǔ)能電站
3.1 德國漢特福商業(yè)化壓縮空氣儲(chǔ)能電站
德國漢特福（Huntorf）壓縮空氣儲(chǔ)能電站是全球首座投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，該項(xiàng)目在1978年服役。Fritz Crotogino等人[19]在2001年美國Florida州舉辦的春季會(huì)議上分享了德國漢特福電站自1978年至2001年的20余年間運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提供了漢特福儲(chǔ)能電站的配置參數(shù)。
圖1 德國漢特福儲(chǔ)能電站流程示意圖
圖2 德國漢特福儲(chǔ)能電站航拍圖
圖1為漢特福儲(chǔ)能電站流程示意圖，圖2為漢特福儲(chǔ)能電站的航拍實(shí)景照片。儲(chǔ)能電站包括兩處地下儲(chǔ)氣洞穴，在電能儲(chǔ)存時(shí)空氣壓縮機(jī)組消耗電能制備高壓力的空氣并注入兩處地下儲(chǔ)氣洞穴中；在電能輸出時(shí)，地下儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)高壓力空氣經(jīng)過閥門穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)壓力穩(wěn)定，在燃燒器內(nèi)與天然氣實(shí)現(xiàn)參混燃燒與溫度提升后直接進(jìn)入膨脹機(jī)做功。漢特福儲(chǔ)能電站的兩臺(tái)膨脹機(jī)之前都設(shè)置了燃燒器，末級(jí)膨脹機(jī)的高溫乏氣直接通過煙囪排放。
表2為文獻(xiàn)[19]提供的德國漢特福電站的配置參數(shù)，儲(chǔ)能電站按照電能輸出與電能儲(chǔ)存階段空氣質(zhì)量流速比為4:1進(jìn)行設(shè)計(jì)，儲(chǔ)能電站可連續(xù)儲(chǔ)能12小時(shí)，連續(xù)輸出電能3小時(shí)。
表2 德國漢特福儲(chǔ)能電站配置參數(shù)
圖3 德國漢特福儲(chǔ)能電站年度啟動(dòng)次數(shù)
圖3給出了德國漢特福儲(chǔ)能電站的壓縮機(jī)組及膨脹機(jī)組每年的啟動(dòng)次數(shù)。在投運(yùn)之初，該儲(chǔ)能電站主要充當(dāng)緊急備用電源角色，當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)其他電源出現(xiàn)故障時(shí)，向電網(wǎng)提供有功輸出支持，機(jī)組的平均啟動(dòng)可靠性為97.6%，截止目前該儲(chǔ)能電站仍在運(yùn)營[19, 20]。在1978年首次投用時(shí)，儲(chǔ)能電站的壓縮機(jī)組就啟動(dòng)將近400次，膨脹發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)也超過250次；到1979年，膨脹發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)達(dá)到了450次左右。自1985年之后，漢特福壓縮空氣儲(chǔ)能電站所在的電網(wǎng)接入了大容量的抽水蓄能電站，電網(wǎng)減少了對壓縮空氣儲(chǔ)能電站的調(diào)用頻次。
圖4 空氣釋放過程儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)壓力及溫度變化趨勢
德國漢特福壓縮空氣儲(chǔ)能電站在電能輸出階段，儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)空氣溫度隨著壓縮空氣以417kg/s的質(zhì)量流速持續(xù)釋放而相應(yīng)下降，溫度總下降幅度約20℃。在儲(chǔ)氣洞穴注入氣流及流出氣流過程中，儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)壓縮空氣與洞穴壁面1米厚度左右的巖石層存在熱交換行為[19]。
3.2 美國阿拉巴馬商業(yè)化壓縮空氣儲(chǔ)能電站
全球投入商業(yè)運(yùn)營的第二座壓縮空氣儲(chǔ)能電站位于美國阿拉巴馬州（Alabama），該儲(chǔ)能電站在德國漢特福儲(chǔ)能電站的基礎(chǔ)上增加了膨脹機(jī)排氣余熱再利用系統(tǒng)，通過在膨脹機(jī)排氣煙道上布置換熱器將膨脹機(jī)排氣攜帶熱量傳遞給儲(chǔ)氣洞穴釋放的壓縮空氣氣流，節(jié)省天然氣耗量。
圖5為美國阿拉巴馬州壓縮空氣儲(chǔ)能電站航拍照，圖6為儲(chǔ)能電站內(nèi)景照片。阿拉巴馬州儲(chǔ)能電站于1991年投入商業(yè)運(yùn)行，壓縮機(jī)組功率為50MW，膨脹發(fā)電機(jī)組輸出功率為110MW，地下儲(chǔ)氣洞穴總?cè)莘e為560,000m3，儲(chǔ)氣洞穴在地表以下450米，能夠連續(xù)儲(chǔ)能41小時(shí)，連續(xù)對外輸出電能26小時(shí)[21, 22]。
圖5 美國阿拉巴馬儲(chǔ)能電站航拍照片
圖6 美國阿拉巴馬儲(chǔ)能電站內(nèi)景照片
4 國內(nèi)外壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程及進(jìn)展
4.1 日本北海道壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
日本北海道空知郡在2001年建成了膨脹機(jī)輸出功率為2MW的壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程，8MPa的壓縮空氣被儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣設(shè)備當(dāng)中，儲(chǔ)氣設(shè)備的內(nèi)腔安放了air-tight薄膜以防止空氣泄露[23]。另據(jù)報(bào)道[20]，北海道2MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目是日本正在開發(fā)的容量400MW機(jī)組的示范性中間機(jī)組，400MW容量的大型儲(chǔ)能電站將利用地表以下450米深處的煤礦洞穴作為儲(chǔ)氣洞穴。
4.2 英國曼徹斯特液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
位于英國曼徹斯特的5MW/15MWh規(guī)模的液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目于2018年6月投入運(yùn)行，該項(xiàng)目由英國Highview Power公司與Viridor公司合作開發(fā)[24]。該項(xiàng)目獲得了800萬英鎊的英國政府資金支持，利用電網(wǎng)過剩電能制備液態(tài)空氣（-196℃），液態(tài)空氣在隔熱的真空儲(chǔ)罐內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存?zhèn)溆?，在電能釋放階段液態(tài)空氣經(jīng)過加壓后氣化，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)組輸出電能。
圖7 英國曼徹斯特液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
另據(jù)報(bào)道[24]，英國液態(tài)空氣儲(chǔ)能開發(fā)商Highview Power公司在近期簽署了合同額約10億歐元的項(xiàng)目協(xié)議，預(yù)計(jì)在英國選取兩個(gè)地點(diǎn)進(jìn)一步部署大容量的液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。
4.3 南澳大利亞州壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
2019年2月，澳大利亞可再生能源署已批準(zhǔn)為澳大利亞第一個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目提供約600萬澳元的資金支持。加拿達(dá)能源商Hydrostor公司將南澳大利亞州的一處廢棄鋅礦洞穴改造為地下儲(chǔ)氣洞穴，依托此洞穴建設(shè)容量為5MW/10MWh的壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站[25]。該5MW/10MWh壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站建成后，將為南澳大利亞州電網(wǎng)提供削峰填谷及輔助調(diào)頻等電力服務(wù)。
圖8 5MW/10MWh壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目效果圖
4.4 廊坊1.5MW超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
國內(nèi)第一套1.5MW超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)由中科院工程熱物理研究所承擔(dān)的北京市科技計(jì)劃重大課題“超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研制”項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助，于2013年在河北廊坊建成。據(jù)報(bào)道，河北廊坊1.5MW超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)完成了168小時(shí)運(yùn)行試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過課題考核指標(biāo)要求，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率約52%[26, 27]。
圖9 河北廊坊1.5MW超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
4.5 安徽蕪湖500kW壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
安徽蕪湖500kW壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目由國家電網(wǎng)投資3000萬元興建，項(xiàng)目技術(shù)參與單位包括中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)電機(jī)系儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)及中國電力科學(xué)研究院等單位，項(xiàng)目于2014年11月首次發(fā)電成功[5, 13, 28]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[14]，“500kW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目”的儲(chǔ)能效率為33%。
圖10 安徽蕪湖500kW壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
4.6 貴州畢節(jié)10MW壓縮空氣儲(chǔ)能驗(yàn)證平臺(tái)
貴州畢節(jié)10MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范平臺(tái)由中科院工程熱物理研究所研制，示范平臺(tái)得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“10MW級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與示范”及北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目“大規(guī)模先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)與示范”等課題經(jīng)費(fèi)支持。據(jù)報(bào)道，貴州畢節(jié)10MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范平臺(tái)在2017年5月開始系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試[29]，壓縮空氣儲(chǔ)能示范平臺(tái)在額定工況下的效率為60.2%[7]。
圖11 貴州畢節(jié)10MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范平臺(tái)
4.7 國網(wǎng)江蘇同里500kW液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
國家電網(wǎng)在江蘇省蘇州市吳江區(qū)同里鎮(zhèn)建設(shè)500kW液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，可為園區(qū)提供500kWh電力，夏季供冷量約2.9GJ/天，冬季供暖量約4.4GJ/天[18]。液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目包括壓縮液化單元、蓄冷及蓄熱單元、膨脹機(jī)組發(fā)電單元，項(xiàng)目效果如圖12所示。
圖12 同里500kW液態(tài)空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目效果圖
4.8 中鹽金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
中鹽金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目位于江蘇省常州市金壇區(qū)薛埠鎮(zhèn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率為58.2%[30]。項(xiàng)目采用中鹽集團(tuán)地下鹽礦采鹽形成的廢棄空穴作為儲(chǔ)氣空間，首期投資5.34億元建設(shè)一套60MW鹽穴非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，后期將分期建設(shè)成裝機(jī)容量達(dá)百萬千瓦的壓縮空氣儲(chǔ)能基地，項(xiàng)目總投資為15億元[31]。“鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目”由中鹽集團(tuán)、清華大學(xué)及中國華能三方共同投資建設(shè)，該項(xiàng)目于2017年5月27日獲國家能源局批復(fù)，于2018年12月25日開工建設(shè)，預(yù)計(jì)于2020年5月投產(chǎn)運(yùn)行[31, 32]。
5 壓縮空氣儲(chǔ)能電站應(yīng)用場景分析
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)屬于能量型儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能電站的商業(yè)應(yīng)用場景根據(jù)儲(chǔ)能電站的接入位置可分為電源側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能及用戶側(cè)儲(chǔ)能三種類型。電源側(cè)儲(chǔ)能是指儲(chǔ)能站接入位置位于電源（或發(fā)電廠）與電網(wǎng)結(jié)算的關(guān)口表計(jì)之后，儲(chǔ)能站屬于電源側(cè)資產(chǎn)；電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能是指儲(chǔ)能站直接接入輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)，儲(chǔ)能站接受電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一調(diào)度，服務(wù)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；用戶側(cè)儲(chǔ)能是指儲(chǔ)能站接入位置位于用戶側(cè)關(guān)口表計(jì)之后，儲(chǔ)能站屬于用戶側(cè)資產(chǎn)，等效為用戶側(cè)負(fù)荷，通過用戶側(cè)關(guān)口表計(jì)與電網(wǎng)結(jié)算。三類商業(yè)應(yīng)用場景的儲(chǔ)能站資產(chǎn)歸屬及邊界條件存在差異，儲(chǔ)能站的功能及收益模式也存在顯著差異。
5.1 電源側(cè)儲(chǔ)能站場景
壓縮空氣儲(chǔ)能電站在電源側(cè)的用途可用于提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)。以南方電網(wǎng)區(qū)域?yàn)槔?，廣東省現(xiàn)已建立調(diào)頻輔助服務(wù)市場，參與調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻輔助服務(wù)收益與機(jī)組的調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)量偏差和調(diào)節(jié)里程均有關(guān)系[34]。儲(chǔ)能站可以同常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組組成聯(lián)合體的形式，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻功能，提升火電廠AGC調(diào)頻性能，一方面減少常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組頻繁變化，降低煤耗，減少機(jī)組設(shè)備磨損，延長設(shè)備壽命，另一方面發(fā)揮壓縮空氣儲(chǔ)能電站響應(yīng)時(shí)間短，調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)精度高、壽命長等技術(shù)特點(diǎn)。壓縮空氣儲(chǔ)能電站在電源側(cè)的收益來源參與調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)獲得的收益。此外，由于風(fēng)電、光伏等新能源出力具有季節(jié)性和間歇性，利用壓縮空氣儲(chǔ)能電站促進(jìn)新能源消納在技術(shù)上具備可行性，但從經(jīng)濟(jì)可行性上分析，需要配置的機(jī)組容量極大且難年利用小時(shí)數(shù)十分有限，因此暫不具備經(jīng)濟(jì)性[35]。
5.2 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能站場景
壓縮空氣儲(chǔ)能電站在電網(wǎng)側(cè)的用途主要包括調(diào)峰調(diào)頻、黑啟動(dòng)、緩解輸配電阻塞及延緩輸配電設(shè)備投資、提高供電可靠性等。黑啟動(dòng)是指當(dāng)電力系統(tǒng)因發(fā)生故障而停止運(yùn)行后，通過擁有自啟動(dòng)能力的機(jī)組率先啟動(dòng)，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到恢復(fù)整個(gè)電力系統(tǒng)的目的。緩解輸配電阻塞指在輸配電線路上配置儲(chǔ)能站，在輸配電線路輸送負(fù)荷超過線路容量時(shí)，啟用儲(chǔ)能站進(jìn)行調(diào)節(jié)。因電網(wǎng)輸配電設(shè)備容量需滿足用戶側(cè)最大負(fù)荷需求，對于僅在高峰時(shí)段短暫負(fù)荷超出輸配電設(shè)備容量的電網(wǎng)側(cè)場景，進(jìn)行電網(wǎng)全面升級(jí)及擴(kuò)建的成本高昂，此時(shí)通過配置儲(chǔ)能站能夠顯著延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容進(jìn)度。提高供電可靠性是指，壓縮空氣儲(chǔ)能電站可以作為配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供電的一種備用電源，當(dāng)上級(jí)電網(wǎng)停電或鄰近配電線路故障時(shí)，通過轉(zhuǎn)供電為重要負(fù)荷持續(xù)供電，從而提高供電可靠性。
電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能由于發(fā)揮保底電網(wǎng)功能，商業(yè)模式主要是通過將儲(chǔ)能站投資及運(yùn)行費(fèi)用納入電網(wǎng)輸配電價(jià)進(jìn)行核定。但是，目前國家出臺(tái)的輸配電系列核定政策暫未松動(dòng)，短期內(nèi)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能難以大量納入電網(wǎng)輸配電價(jià)核定范圍。因此可以預(yù)見，未來一段時(shí)間電網(wǎng)側(cè)壓縮空氣儲(chǔ)能仍然主要以帶有“首臺(tái)首套”性質(zhì)的科研示范為主，距離規(guī)?；瘧?yīng)用尚需時(shí)間。
5.3 用戶側(cè)儲(chǔ)能站場景
用戶側(cè)作為電能發(fā)-輸-配-變-用的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，直接消費(fèi)電能以服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。儲(chǔ)能站在用戶側(cè)的場景由降低用電成本及提高用戶側(cè)電能可靠性等需求基礎(chǔ)上演化而來。
壓縮空氣儲(chǔ)能電站具備安全、無污染、機(jī)組壽命長及機(jī)組性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別是采用罐式結(jié)構(gòu)的壓縮空氣儲(chǔ)能具有空間上的靈活性，結(jié)合用戶側(cè)峰谷電價(jià)和兩部制電價(jià)，可在用戶側(cè)降低用電成本并提高用電可靠性，壓縮空氣儲(chǔ)能站的用途及場景主要包括：基于峰谷電價(jià)的用電成本管理場景，基于兩部制電價(jià)的容量費(fèi)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(wù)市場場景。
5.3.1
基于峰谷電價(jià)的用電成本管理場景
工業(yè)用戶的電能需求特點(diǎn)與其生產(chǎn)工藝特點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，工業(yè)用戶的電能消費(fèi)具有用電量大及負(fù)荷需求相對剛性等特點(diǎn)，在滿足工藝生產(chǎn)的前提下，如何降低用電成本是工業(yè)用戶成本控制的核心環(huán)節(jié)。
我國包括廣東省在內(nèi)的部分省份對工業(yè)用戶實(shí)施兩部制分時(shí)電價(jià)，且區(qū)分大工業(yè)用電及一般工商業(yè)用電。以廣州市分時(shí)電價(jià)為例[33]，全天24小時(shí)被劃分為8小時(shí)的低谷時(shí)段，6小時(shí)的高峰時(shí)段及10小時(shí)的平時(shí)段。一般工商業(yè)電度電價(jià)（1-10千伏）的低谷電價(jià)為0.3603元/kWh，平時(shí)段電價(jià)為0.7206元/kWh，高峰電價(jià)為1.1890元/kWh，高峰電價(jià)與低谷電價(jià)的峰谷電差價(jià)達(dá)到0.8287元/kWh。在此邊界條件下，用戶側(cè)儲(chǔ)能采用能量型的壓縮空氣儲(chǔ)能電站在低谷時(shí)段進(jìn)行電能儲(chǔ)存，在高峰時(shí)段進(jìn)行電能釋放，便能夠獲得基于峰谷電價(jià)用電成本管理的穩(wěn)定收益。若配置電能輸出規(guī)模為10MW的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，每日在高峰時(shí)段釋放電能持續(xù)4小時(shí)，則總釋放電能為120萬kWh/月，節(jié)約電度電價(jià)費(fèi)用約99.45萬元/月。
5.3.2
基于兩部制電價(jià)的容量費(fèi)用管理場景
用戶側(cè)儲(chǔ)能站除在電度電價(jià)方面產(chǎn)生穩(wěn)定的收益外，還能基于現(xiàn)行的兩部制電價(jià)政策產(chǎn)生基于容量費(fèi)用管理的收益。再次以廣州市的分時(shí)電價(jià)為例，大工業(yè)用戶實(shí)行兩部制電價(jià)政策，即基本電價(jià)及電度電價(jià)?；倦妰r(jià)可選擇按變壓器容量（元／kVA·月）或者按最大需量（元／kW·月）兩種方式進(jìn)行結(jié)算，其中廣州市大工業(yè)用戶現(xiàn)行的按變壓器容量（元／kVA·月）結(jié)算標(biāo)準(zhǔn)為0.2300元／kVA·月，按最大需量（元／kW·月）結(jié)算標(biāo)準(zhǔn)為0.3200元kW·月。通過配置壓縮空氣儲(chǔ)能電站在大工業(yè)用戶的負(fù)荷需求高峰時(shí)段，以儲(chǔ)能站輸出功率降低最大需量（元／kW·月）值，達(dá)到減少大工業(yè)用戶的基本電價(jià)費(fèi)用（即容量費(fèi)用）的支出。若配置電能輸出規(guī)模為10MW的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，可為單個(gè)大工業(yè)用戶節(jié)省的容量費(fèi)用為3200元/月。
5.3.3
基于提升電能質(zhì)量及用電可靠性的場景
由于電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)接入包括風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電等間歇性可再生能源電能，電力系統(tǒng)用戶側(cè)負(fù)荷的類型及負(fù)荷性質(zhì)也存在多樣性，因而用戶側(cè)在電力系統(tǒng)失衡時(shí)會(huì)面臨電壓波動(dòng)及頻率偏差等電能質(zhì)量問題；此外，在發(fā)生停電故障等狀況時(shí)，用戶側(cè)用電也將面臨供電中斷等問題。通過在用戶側(cè)配置壓縮空氣儲(chǔ)能電站，可參與用戶側(cè)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，同時(shí)在電網(wǎng)發(fā)生短時(shí)間停電故障時(shí)，持續(xù)為用戶側(cè)供電，提升電能質(zhì)量及用電可靠性。
5.3.4
參與電力輔助服務(wù)市場場景
用戶側(cè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站在滿足工業(yè)用戶的用電成本管理需求的同時(shí)，還具備參與電網(wǎng)調(diào)峰及調(diào)頻等輔助服務(wù)市場的潛力。依據(jù)南方能監(jiān)局發(fā)布的《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則(試行)》[34]，配置自動(dòng)發(fā)電控制裝置（簡稱AGC）的儲(chǔ)能站可作為第三方輔助服務(wù)提供者參與廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場，可獲得調(diào)頻里程補(bǔ)償及調(diào)頻容量補(bǔ)償。由于用戶側(cè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站已享受了峰谷電價(jià)套利，從體制機(jī)制上目前暫不認(rèn)可用戶側(cè)儲(chǔ)能身份參與調(diào)頻市場。但是，從物理概念層面，壓縮空氣儲(chǔ)能并非全天均運(yùn)行在削峰填谷模式下，部分時(shí)段具備參與調(diào)頻輔助服務(wù)的空余時(shí)間和容量，因此亟待出臺(tái)相關(guān)實(shí)施細(xì)則，以界定用戶側(cè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站參與調(diào)頻輔助服務(wù)的運(yùn)行規(guī)則和結(jié)算方式。
6 結(jié)論
本文在儲(chǔ)能技術(shù)及儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的新形勢下，梳理了國內(nèi)致力于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)示范驗(yàn)證的研究團(tuán)隊(duì)及其技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)跟蹤了國內(nèi)外壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的進(jìn)展情況，分析了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)潛在的商業(yè)應(yīng)用場景，得出如下結(jié)論：
(1) 國內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)近年來處于蓬勃發(fā)展階段，超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)均有研究覆蓋，與此同時(shí)，500kW容量等級(jí)、1.5MW容量等級(jí)及10MW容量等級(jí)的壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程均已建成，實(shí)現(xiàn)了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)由理論研究階段向示范驗(yàn)證階段的突破；
(2) 1978年投運(yùn)的德國漢特福壓縮空氣儲(chǔ)能電站及1991年投運(yùn)的美國阿拉巴馬儲(chǔ)能電站，經(jīng)歷了數(shù)十年的商業(yè)化運(yùn)行驗(yàn)證，兩座商業(yè)化儲(chǔ)能電站的可靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對國內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用具有借鑒意義；
(3) 作為能量型儲(chǔ)能技術(shù)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，具有機(jī)組壽命周期內(nèi)性能不衰減的優(yōu)勢，在電源側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能及用戶側(cè)儲(chǔ)能三類場景中均有廣泛應(yīng)用前景；
(4) 電源側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用場景下，壓縮空氣儲(chǔ)能站以參與調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)為主要應(yīng)用場景。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用場景下，壓縮空氣儲(chǔ)能電站用途主要包括調(diào)峰調(diào)頻、黑啟動(dòng)、緩解輸配電阻塞及延緩輸配電設(shè)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(chǔ)能應(yīng)用場景下，壓縮空氣儲(chǔ)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(jià)的用電成本管理場景，基于兩部制電價(jià)的容量費(fèi)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(wù)市場場景。
