中國儲能網(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。壓縮空氣儲能技術(shù)是一種可以大容量推廣的物理儲能技術(shù)，為促進(jìn)壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展，北京市科學(xué)技術(shù)委員會、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）》明確提出開展10MW/100MWh級超臨界壓縮空氣儲能系統(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能技術(shù)進(jìn)行綜述，梳理了國內(nèi)致力于壓縮空氣儲能技術(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)化壓縮空氣儲能電站的運(yùn)行情況，跟蹤國內(nèi)外新型壓縮空氣儲能技術(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)化儲能站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及近年來壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜述，同時(shí)以電源側(cè)儲能站場景、電網(wǎng)側(cè)儲能站場景及用戶側(cè)儲能站場景為切入點(diǎn)開展了壓縮空氣儲能技術(shù)的商業(yè)場景適用性分析，為壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展提供借鑒。
1 儲能市場及儲能技術(shù)
根據(jù)《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2019》公布的儲能預(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)儲能累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到20GW。
截至2018年底，我國的儲能裝機(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)儲能電站的累計(jì)裝機(jī)容量為1072.7MW，電化學(xué)儲能電站中的鋰離子電池儲能累計(jì)裝機(jī)容量最高，鋰離子電池儲能累計(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)儲能站，可大容量推廣的壓縮空氣儲能技術(shù)近年來處于快速發(fā)展中，國內(nèi)已建成500kW容量等級[5]，1.5MW容量等級[6]及10MW容量等級[7]等多種容量規(guī)模的壓縮空氣儲能示范電站，完成了多容量等級的技術(shù)驗(yàn)證工作。
儲能技術(shù)包括機(jī)械儲能及電化學(xué)儲能兩大類，其中大容量的機(jī)械儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能及壓縮空氣儲能；大容量的電化學(xué)儲能技術(shù)主要包括鋰離子電池及鉛炭電池等；典型的能量型儲能技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。
表1 典型的能量型儲能技術(shù)
2 國內(nèi)壓縮空氣儲能研發(fā)團(tuán)隊(duì)及其技術(shù)
2.1 中科院工程熱物理研究所儲能團(tuán)隊(duì)
中科院工程熱物理研究所設(shè)立了儲能研發(fā)中心，由陳海生研究員擔(dān)任儲能研發(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級先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(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)壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)與示范”等在內(nèi)的多項(xiàng)壓縮空氣儲能研究項(xiàng)目，已建成1.5MW級壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目1座（系統(tǒng)效率52%[6]）及10MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范項(xiàng)目1座（系統(tǒng)效率60.2%[7]），儲能團(tuán)隊(duì)代表性專利之一為“超臨界壓縮空氣儲能系統(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)新型壓縮空氣儲能技術(shù)，完成了新型壓縮空氣儲能博士后課題，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)新型壓縮空氣儲能技術(shù)[9-11]。在新型壓縮空氣儲能技術(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，較大幅度提升儲能系統(tǒng)性能，代表性專利之一為“壓縮空氣儲能系統(tǒng)”[12]。
2.3 清華大學(xué)電機(jī)系儲能團(tuán)隊(duì)
清華大學(xué)電機(jī)系壓縮空氣儲能團(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，儲能效率為33%。清華大學(xué)電機(jī)系儲能團(tuán)隊(duì)的代表性專利之一為“一種50MW絕熱壓縮空氣儲能方法”[15]。
2.4 中科院過程工程研究所儲能團(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。丁玉龍教授儲能團(tuán)隊(duì)利用液態(tài)空氣具有密度大且易于儲存的特點(diǎn)，研發(fā)液態(tài)空氣儲能技術(shù)，儲能團(tuán)隊(duì)代表性專利之一為“液態(tài)空氣儲能系統(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)研究院儲能團(tuán)隊(duì)
國家電網(wǎng)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院儲能團(tuán)隊(duì)致力于液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)的研發(fā)，儲能團(tuán)隊(duì)在壓縮空氣儲能領(lǐng)域已取得多項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，代表性專利之一為“一種儲罐增壓型的深冷液態(tài)空氣儲能系統(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)壓縮空氣儲能示范工程建設(shè)。
3 商業(yè)化壓縮空氣儲能電站
3.1 德國漢特福商業(yè)化壓縮空氣儲能電站
德國漢特福（Huntorf）壓縮空氣儲能電站是全球首座投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲能電站，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)提供了漢特福儲能電站的配置參數(shù)。
圖1 德國漢特福儲能電站流程示意圖
圖2 德國漢特福儲能電站航拍圖
圖1為漢特福儲能電站流程示意圖，圖2為漢特福儲能電站的航拍實(shí)景照片。儲能電站包括兩處地下儲氣洞穴，在電能儲存時(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氣洞穴中；在電能輸出時(shí)，地下儲氣洞穴內(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。漢特福儲能電站的兩臺膨脹機(jī)之前都設(shè)置了燃燒器，末級膨脹機(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)，儲能電站按照電能輸出與電能儲存階段空氣質(zhì)量流速比為4:1進(jìn)行設(shè)計(jì)，儲能電站可連續(xù)儲能12小時(shí)，連續(xù)輸出電能3小時(shí)。
表2 德國漢特福儲能電站配置參數(shù)
圖3 德國漢特福儲能電站年度啟動(dòng)次數(shù)
圖3給出了德國漢特福儲能電站的壓縮機(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%，截止目前該儲能電站仍在運(yùn)營[19, 20]。在1978年首次投用時(shí)，儲能電站的壓縮機(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能電站的調(diào)用頻次。
圖4 空氣釋放過程儲氣洞穴內(nèi)壓力及溫度變化趨勢
德國漢特福壓縮空氣儲能電站在電能輸出階段，儲氣洞穴內(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℃。在儲氣洞穴注入氣流及流出氣流過程中，儲氣洞穴內(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)化壓縮空氣儲能電站
全球投入商業(yè)運(yùn)營的第二座壓縮空氣儲能電站位于美國阿拉巴馬州（Alabama），該儲能電站在德國漢特福儲能電站的基礎(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能電站航拍照，圖6為儲能電站內(nèi)景照片。阿拉巴馬州儲能電站于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，地下儲氣洞穴總?cè)莘e為560,000m3，儲氣洞穴在地表以下450米，能夠連續(xù)儲能41小時(shí)，連續(xù)對外輸出電能26小時(shí)[21, 22]。
圖5 美國阿拉巴馬儲能電站航拍照片
圖6 美國阿拉巴馬儲能電站內(nèi)景照片
4 國內(nèi)外壓縮空氣儲能示范工程及進(jìn)展
4.1 日本北海道壓縮空氣儲能示范項(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的壓縮空氣儲能示范工程，8MPa的壓縮空氣被儲存在儲氣設(shè)備當(dāng)中，儲氣設(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容量的大型儲能電站將利用地表以下450米深處的煤礦洞穴作為儲氣洞穴。
4.2 英國曼徹斯特液態(tài)空氣儲能示范項(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罐內(nèi)進(jìn)行儲存?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)空氣儲能示范項(xiàng)目
另據(jù)報(bào)道[24]，英國液態(tài)空氣儲能開發(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)空氣儲能系統(tǒng)。
4.3 南澳大利亞州壓縮空氣儲能示范項(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氣洞穴，依托此洞穴建設(shè)容量為5MW/10MWh的壓縮空氣儲能示范電站[25]。該5MW/10MWh壓縮空氣儲能示范電站建成后，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壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目效果圖
4.4 廊坊1.5MW超臨界壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目
國內(nèi)第一套1.5MW超臨界壓縮空氣儲能系統(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超臨界壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目
4.5 安徽蕪湖500kW壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目
安徽蕪湖500kW壓縮空氣儲能示范項(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壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范項(xiàng)目”的儲能效率為33%。
圖10 安徽蕪湖500kW壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目
4.6 貴州畢節(jié)10MW壓縮空氣儲能驗(yàn)證平臺
貴州畢節(jié)10MW壓縮空氣儲能示范平臺由中科院工程熱物理研究所研制，示范平臺得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“10MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(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壓縮空氣儲能示范平臺在2017年5月開始系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試[29]，壓縮空氣儲能示范平臺在額定工況下的效率為60.2%[7]。
圖11 貴州畢節(jié)10MW壓縮空氣儲能示范平臺
4.7 國網(wǎng)江蘇同里500kW液態(tài)空氣儲能示范項(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)空氣儲能項(xiàng)目效果圖
4.8 中鹽金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目
中鹽金壇60MW鹽穴壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目位于江蘇省常州市金壇區(qū)薛埠鎮(zhèn)，儲能系統(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氣空間，首期投資5.34億元建設(shè)一套60MW鹽穴非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能系統(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能基地，項(xiàng)目總投資為15億元[31]。“鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗(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 壓縮空氣儲能電站應(yīng)用場景分析
壓縮空氣儲能技術(shù)屬于能量型儲能技術(shù)，壓縮空氣儲能電站的商業(yè)應(yīng)用場景根據(jù)儲能電站的接入位置可分為電源側(cè)儲能、電網(wǎng)側(cè)儲能及用戶側(cè)儲能三種類型。電源側(cè)儲能是指儲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，儲能站屬于電源側(cè)資產(chǎn)；電網(wǎng)側(cè)儲能是指儲能站直接接入輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)，儲能站接受電力調(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)儲能是指儲能站接入位置位于用戶側(cè)關(guān)口表計(jì)之后，儲能站屬于用戶側(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)用場景的儲能站資產(chǎn)歸屬及邊界條件存在差異，儲能站的功能及收益模式也存在顯著差異。
5.1 電源側(cè)儲能站場景
壓縮空氣儲能電站在電源側(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)儲能站場景
壓縮空氣儲能電站在電網(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能站，在輸配電線路輸送負(fù)荷超過線路容量時(shí)，啟用儲能站進(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)全面升級及擴(kuò)建的成本高昂，此時(shí)通過配置儲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)壓縮空氣儲能仍然主要以帶有“首臺首套”性質(zhì)的科研示范為主，距離規(guī)模化應(yīng)用尚需時(shí)間。
5.3 用戶側(cè)儲能站場景
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)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。儲能站在用戶側(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)儲能采用能量型的壓縮空氣儲能電站在低谷時(shí)段進(jìn)行電能儲存，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能電站在大工業(yè)用戶的負(fù)荷需求高峰時(shí)段，以儲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)儲能身份參與調(diào)頻市場。但是，從物理概念層面，壓縮空氣儲能并非全天均運(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，因此亟待出臺相關(guān)實(shí)施細(xì)則，以界定用戶側(cè)壓縮空氣儲能電站參與調(diào)頻輔助服務(wù)的運(yùn)行規(guī)則和結(jié)算方式。
6 結(jié)論
本文在儲能技術(shù)及儲能產(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)外壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目的進(jìn)展情況，分析了壓縮空氣儲能技術(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(shí)，500kW容量等級、1.5MW容量等級及10MW容量等級的壓縮空氣儲能示范工程均已建成，實(shí)現(xiàn)了壓縮空氣儲能技術(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能電站及1991年投運(yùn)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(yùn)行驗(yàn)證，兩座商業(yè)化儲能電站的可靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對國內(nèi)壓縮空氣儲能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)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(jī)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(yīng)用前景；
(4) 電源側(cè)儲能應(yīng)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(wù)為主要應(yīng)用場景。電網(wǎng)側(cè)儲能應(yīng)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(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)儲能應(yīng)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(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。
