中國儲能網(wǎng)訊：這一篇，和大家聊聊壓縮空氣儲能技術。壓空屬于物理儲能方式的一種，它與抽水蓄能齊名，無論是存儲時間、放電功率、還是運行壽命，都有著卓越的表現(xiàn)，但它同樣有著自身的缺點，比如系統(tǒng)復雜，比如受地域影響等。
一 壓縮空氣原理
壓縮空氣的基本原理很簡單，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、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，原理如下圖所示。若需要更近一步解釋，你只需鎖定儲氣罐內(nèi)的空氣即可，兩個動作，充氣時儲存能量，膨脹時釋放能量。
然而，如果你在此處宣布已經(jīng)掌握了壓空技術，為時過早。要知道，原理不能解決任何問題，需要在原理的基礎上舔磚加瓦，優(yōu)化利用，才能達到合理的應用標準。于是，壓空的各種變異橫空出世，為了便于理解，我溫度、壓力、容積等方面著手，一步步深入介紹。
1.1 溫度
我先強調(diào)一點：溫度是一種能量。對于壓縮機而言，壓縮過程溫度越低，耗費電能越少；與之相反，對于膨脹機而言，膨脹起始點溫度越高，膨脹過程中得到的有用功越多。所以，降低壓縮溫度，或者提高膨脹進氣溫度，是提高系統(tǒng)效率的一種重要而有效的手段。請看下圖變異1，在壓縮機的出口增加了冷卻器，以回收壓縮熱，在膨脹機（或渦輪機）的入口增加回熱器，以提高進氣溫度。回熱器的熱量可由冷卻器供給，如果必要，渦輪機的出口廢棄也可以進一步回收，這取決于廢棄的溫度品味。該系統(tǒng)叫稱為回熱式系統(tǒng)。
相較于原理型系統(tǒng)，回熱系統(tǒng)儲電效率有所增加，然而它的不足在于，冷卻器和回熱器分開設置，在熱量回收過程中存在較大熱損失。為解決這一問題，有人提出絕熱壓縮空氣系統(tǒng)，變異2，參照下圖。將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量存儲起來，然后在發(fā)電過程中用這部分熱量預熱壓縮空氣，冷卻器和回熱器合為一體，對外進行絕熱處理，業(yè)內(nèi)稱作先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)（AA-CAES），該系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)是如何經(jīng)濟、有效地設計和制造出壓力工作范圍大的壓縮機、渦輪機和除熱器。
一切比較完美，但還忽略一點，即使100%回收利用，壓縮過程中產(chǎn)生的熱量不足以使渦輪機持續(xù)長時間穩(wěn)定運行，換句話說，只靠自身的熱回收很難保持系統(tǒng)抵抗外部負荷波動。熱量不夠怎么辦？引進額外熱源，天然氣，將天然氣與來自儲氣罐的高壓空氣混合燃燒，推進渦輪機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。請看下圖，變異3。對比以上系統(tǒng)，它的可靠性最高，穩(wěn)定性最強，靈活性最優(yōu)，所以在德國1978年建造首套壓空儲能電站時，果斷采用這種方案。然而，變異3的引發(fā)的問題在于：消耗化石能源，增加溫室氣體排放。于是在國內(nèi)做壓空系統(tǒng)的高校研究所想方設法消除對外在熱源的利用，比如清華大學的盧強院士，推非補燃壓空系統(tǒng)。此處必須加句評論，難度都很大，不用補燃，系統(tǒng)復雜程度會提高，可靠性也會有波動，平衡各個功能單元，是一件技術含量很高的工作。
2 壓力
談到這里，如果你站起來宣布掌握了壓空技術，我會告訴你又早了。除了溫度之外，還有一個參數(shù)沒有講，壓力！與溫度相比，壓力的影響更加多元。壓縮階段，壓力越高，同等溫度下空氣密度越大，同等體積的儲罐儲存的空氣量更多，儲能密度更高；膨脹階段，初始入口壓力越高，出口壓力越低，有用功輸出越高。
現(xiàn)在的問題來了，能不能只使用一臺壓縮機，比如從1個大氣壓直接壓縮到100個atm？膨脹過程從40個atm膨脹到1atm？我可以負責任的告訴你，理論上可以，但如果你真敢這么做，保證系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)換效率會低的讓你下不來臺！如何解決這一問題？熱力學給出的指引是多級壓縮，中間冷卻，可顯著降低壓縮過程中的電力消耗；多級膨脹，中間加熱，可顯著增加膨脹過程中的發(fā)電量，綜合起來，儲電效率必然顯著提高。
下圖為非補燃多級壓縮系統(tǒng)圖，可以看出，在每臺壓縮機后加裝熱回收器，通過回熱系統(tǒng)將熱量傳遞到各級膨脹機的入口處。
當系統(tǒng)采用絕熱壓縮時，綜合多級壓縮和多級膨脹，組成的系統(tǒng)如下圖所示。
采用燃氣補熱的系統(tǒng)，多級壓縮階段與非補燃一致，不同的是在各級膨脹機入口加裝燃燒室，詳見下圖。
1.3 容積
壓空系統(tǒng)的技術痛點在于氣體的密度太低，常壓下空氣密度為1.25kg/m3，即使在10Mpa高壓下密度也只有100kg/m3左右，相比水的1000kg/m3，差了足足十倍，這意味在相同儲存質(zhì)量下，空氣的罐子要比水大十倍。要解決大規(guī)?？諝獯鎯Φ姆椒ㄖ辽儆?個，方法一，就地取材，尋找廢棄的礦井，進行密封承壓方面的改造，然后將空氣壓入其中，這種方法既經(jīng)濟又可靠，而且儲量驚人，比如德國的Huntorf壓空電站可儲存30萬立方的空氣，但是，這種方式受制于地形限制，靈活性差，比如我想在南京建一座壓空電站，即使金壇的溶洞再優(yōu)越，我也用不上。方法二，高壓儲氣罐，該方式操作靈活，完全不受地域地形限制，比如中科院在廊坊的示范項目，采用2個直徑2.4m，長10m的儲罐，每個儲存45m3的高壓空氣，儲罐壓力10Mpa，儲罐設備屬于特種設備范疇，無論從制造，安裝還是運行，都要經(jīng)過嚴格的檢查，成本相對較高。方法三，空氣液化。為了進一步減小儲罐體積，有專家想到了變態(tài)，將氣體液化，密度將增加上百倍，于是體積減少上百倍，通過設計，使膨脹機出口的空氣溫度低于78.6K（-196.5℃）時，空氣被液化，系統(tǒng)流程見下圖，這種系統(tǒng)的特點是體積小，管路復雜，效率低。我在一次講座上跟東大熱能所的肖睿教授聊天時得知，他測算過液化壓空儲能的理論效率60%，實際效率能打七折就已經(jīng)很不錯了。
1.4 冷熱電三聯(lián)供
在儲能領域，壓空算是個另類，不能用傳統(tǒng)的評價標準衡量它，比如只追求電-電存儲效率，壓空肯定毫無優(yōu)勢，非補燃機組能達到40%已算很不錯了。但它在發(fā)電的同時，還能兼顧供冷和供熱，俗稱冷熱電三聯(lián)供，其實原理沒有任何改變，只是將壓縮過程產(chǎn)生的熱量用于供熱，膨脹機出口的低溫空氣用于制冷，膨脹產(chǎn)生的有用功用于發(fā)電，詳見下圖。冷熱電三聯(lián)供的特點是能源利用效率高，若以熱能利用為基礎測算，系統(tǒng)效率可達70-85%。
二 系統(tǒng)特點
在儲能家族中，壓空和抽水蓄能屬于一個陣營，即是一種可以大功率，長時運行的物理儲能技術，各種技術對比見下圖（CAES），技術特點如下：
（1）輸出功率大（MW級），持續(xù)時間長（數(shù)小時）；
（2）單位建設成本低于抽水蓄能，具有較好的經(jīng)濟性；
（3）運行壽命長，可循環(huán)上萬次，壽命可達40年；
（4）環(huán)境友好，零排放。
三 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
一套完整的壓空系統(tǒng)五大關鍵設備組成：由壓縮機、儲氣罐、回熱器、膨脹機以及發(fā)電機，結(jié)構(gòu)詳圖如下。
3.1 壓縮機
壓縮機是一種提升氣體壓力的設備，見下圖。壓縮機的種類和壓縮方式各不相同，但設計者會更關心它的進出口壓力參數(shù)，表征為四個參數(shù)，一是工作壓力區(qū)間，二是壓縮比，即進出口壓力比值，三是進出口溫度或絕熱效率，四是壓縮功率與流量。清華大學盧強院士的500kw壓空系統(tǒng)中所用其中一臺壓縮機參數(shù)為：進氣壓力1atm，25℃，排氣壓力3.5atm，143℃，壓縮比3.5，軸功率76.7kw。
3.2 儲氣罐
儲氣罐是高壓空氣的出廠場所，說白了就是一個巖洞或者一個罐子。這里還是要強調(diào)，溫度是一種能量，60℃和20℃條件下，空氣的能量大不一樣，所以有必要對儲罐進行保溫處理，盡量維持罐內(nèi)溫度一致，減小對流損失。尺寸與耐壓等級等制造問題，交給工廠。
3.3 回熱器
回熱器是熱交換器的統(tǒng)稱，包括預熱器，冷卻器，換熱器等等，回熱器的功能是通過溫差傳熱回收熱量，達到節(jié)能效果。
3.4 膨脹機
膨脹機的英文名字叫“turbine”，又叫透平，也有叫渦輪機的，它的功能是通過膨脹，將空氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，推動與之相連的發(fā)電機，又將動能轉(zhuǎn)化為電能，見下圖。標定膨脹機的參數(shù)有進出口壓力與溫度，膨脹系數(shù)等。
3.5 發(fā)電機
發(fā)電機是一種發(fā)電設備，將各種形式的能量轉(zhuǎn)化成電能，此處略過。
四 壓空系統(tǒng)應用領域
（1）調(diào)峰與調(diào)頻。大規(guī)模壓空系統(tǒng)最重要的應用就是調(diào)峰和調(diào)頻，調(diào)峰的壓空電站分為兩類，獨立電站以及與電站匹配的壓空系統(tǒng)。
（2）可再生能源消納。壓空系統(tǒng)可將間斷的可再生能源儲存起來，在用電高峰期釋放，可顯著提高可再生能源的利用率。
（3）分布式能源。大電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)結(jié)合是未來高效、低碳、安全利用能源的必然趨勢。由于壓空具備冷熱電聯(lián)供的優(yōu)點，在分布式系統(tǒng)中將會有很好的應用。
五 性能評價指標
為了更清楚表達工作過程的能量傳遞，我借用了哈佛大學Azziz教授論文中的一張圖，見上圖。其中W為電功，Q為熱量，箭頭向內(nèi)代表進入系統(tǒng)，向外表示系統(tǒng)輸出，流程箭頭代表空氣流向。一目了然，比如壓縮機工作消耗的電能來自于電網(wǎng)，膨脹時向電網(wǎng)輸出電能，都能直觀看到，并且判斷：系統(tǒng)用電越小越好，回收的熱量越多越好，向外輸出的電能越大越好。
在我看來，表征系統(tǒng)性能的參數(shù)主要有兩個，一個是電能存儲效率，另一個是系統(tǒng)能量效率。電能存儲效率是電能輸出與輸入的比值，這對電網(wǎng)運營至關重要；系統(tǒng)能量效率是輸出的電能+熱能與輸入之比，表征整個系統(tǒng)的總效率，這對壓空系統(tǒng)至關重要。
六 國內(nèi)外壓空項目
6.1 德國Huntorf
Huntorf是德國1978年投入商業(yè)運行的電站，目前仍在運行中，是世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站。機組的壓縮機功率60MW，釋能輸出功率為290MW。系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達10MPa。機組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動并網(wǎng)5000多次，平均啟動可靠性97.6%。電站采用天然氣補燃方案，實際運行效率約為42%，扣除補燃后的實際效率為19%。
6.2 美國McIntosh
美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站1991年投入商業(yè)運行。儲能電站壓縮機組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW。儲氣洞穴在地下450m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa?？梢詫崿F(xiàn)連續(xù)41h空氣壓縮和26h發(fā)電，機組從啟動到滿負荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進行遠距離自動控制。與Huntorf類似的是，仍然采用天然氣補燃，實際運行效率約為54%，扣除補燃后的實際效率20%。
6.3 日本上砂川盯
日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目，位于北海道空知郡，輸出功率為2MW，是日本開發(fā)400MW機組的工業(yè)試驗用中間機組。它利用廢棄的煤礦坑（約在地下450m處）作為儲氣洞穴，最大壓力為8MPa。
6.4 中國
我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)開始比較晚，大多集中在理論和小型實驗層面，目前還沒有投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站。中科院工程熱物理研究所正在建設1.5MW先進壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非補燃方案，理論效率41%，實際運行效率33%。
在建的項目有江蘇金壇壓縮空氣儲能電站，利用鹽穴儲氣，占地60.5平方公里，最大容腔體積32萬㎡。
七 國內(nèi)企業(yè)和機構(gòu)
7.1 中科院熱物理所
中科院工程熱物理所在10MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)與示范方面，已完成10MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)和關鍵部件的設計，基本完成寬負荷壓縮機、高負荷透平膨脹機、蓄熱（冷）換熱器等關鍵部件的委托加工，正在開展關鍵部件的集成與性能測試；全面展開示范系統(tǒng)的集成建設，于2016年6月完成。
7.2 清華大學電機系
清華大學電極控制理論與數(shù)字化研究室，由盧強，梅生偉等帶頭，該團隊主要研究智能微電網(wǎng)，壓縮空氣儲能等，壓空方面的主要路線為非補燃型壓縮空氣儲能技術。
7.3 澳能（畢節(jié)）
澳能集團有限公司簡稱澳能工業(yè)，成立于2011年，是在與中國科學院工程熱物理所合作開發(fā)超臨界壓縮空氣儲能技術，利用電網(wǎng)負荷低谷期的余電或可再生資源發(fā)電不能并網(wǎng)的廢電將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)并存儲壓縮熱，利用系統(tǒng)過程存儲的冷能將超臨界空氣冷卻液化存儲（儲能）；在發(fā)電過程中，液態(tài)空氣加壓吸熱至超臨界狀態(tài)（同時液態(tài)空氣中的冷能被回收存儲），并進一步吸收壓縮熱后通過渦輪膨脹機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電（釋能）。通過系統(tǒng)熱能和冷能的存儲、回收，實現(xiàn)系統(tǒng)效率的提高。超臨界壓縮空氣儲能利用空氣的超臨界特性，同時解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能依賴大型儲氣室和化石燃料的兩個技術瓶頸。
八 參考文獻
1 《壓縮空氣儲能技術的特點與發(fā)展趨勢》 陳海生
2 vivian 博客《國內(nèi)外壓縮空氣儲能應用現(xiàn)狀探究》
3 北交大張磊碩士論文：《壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率分析》
4 張新敬 《壓縮空氣儲能技術研究進展》，儲能科學與技術[J]
5 陳海生《壓縮空氣儲能技術原理》 ，儲能科學與技術[J]
6 清華大學梅生偉教授PPT 《壓縮空氣儲能關鍵技術及應用展望》 2015.8
7 哈佛大學Azziz教授《THERMODYNAMIC ANALYSIS OF A COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE FACILITY EXPORTING COMPRESSION HEAT TO AN EXTERNAL HEAT LOAD》
8 Pacific Northwest National Laboratory 《Electrochemical Energy Storage for Green Grid》
