張建軍，周盛妮，李帥旗，宋文吉?，馮自平

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；4. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640）

0 前 言

為緩解因火力發(fā)電對環(huán)境造成的污染，一方面需要加強火力發(fā)電過程中煤的清潔利用技術(shù)的研究，另一方面，要大力發(fā)展新能源如風力及光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)。隨著可再生能源（風能、太陽能等）發(fā)電部分在電力供應(yīng)中份額逐漸增加，可再生能源的固有缺點如間歇性、不確定性等日益影響到電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，增加了電網(wǎng)系統(tǒng)控制的復雜性。同時，隨著傳統(tǒng)電力峰谷差值的增長，電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全問題日益突出，儲能技術(shù)是解決這一突出問題的重要途徑。

儲能系統(tǒng)通過特定的儲能介質(zhì)在用電低俗時將多余電能以某種形式儲存在儲能介質(zhì)中，在用電需求高峰時再將存儲在儲能介質(zhì)中的能量以電能的形式釋放。儲能系統(tǒng)可以使電力生產(chǎn)、供應(yīng)和消費過程分時段進行。配備儲能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)，具備移峰填谷的功能，滿足用戶用電需求的同時，提高了發(fā)電廠發(fā)電效率[1-2]。儲能技術(shù)種類眾多，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電容和超級電容、蓄電池、液流電池、超導磁能等[3-5,8]。按儲能形式可分為物理儲能、化學儲能和直接儲電技術(shù)等[6-7,9]。各種儲能技術(shù)各有特點，如有的儲能規(guī)模大，有的響應(yīng)速度快，有的能量密度高，有的循環(huán)效率高。但到目前為止，能與電網(wǎng)匹配，可實現(xiàn)大規(guī)模儲能的儲能技術(shù)只有抽水蓄能電站技術(shù)和壓縮空氣儲能電站。

抽水蓄能電站技術(shù)成熟、循環(huán)效率高、儲能容量大、周期長。但是建造抽水蓄能電站要求有較大落差的水庫和相應(yīng)的水壩，受地質(zhì)條件和需要大量水等條件的制約，適合建造抽水蓄能電站的地點越來越少，目前只有 200多座抽水蓄能電站在運行[10-13]。壓縮空氣儲能（compressed air energy storage, CAES）技術(shù)是目前已經(jīng)被驗證可以與抽水蓄能儲能技術(shù)相當?shù)目蓪崿F(xiàn)大規(guī)模儲能的儲能技術(shù)。CAES通過空氣壓縮機組把用電低谷期的多余電能以壓縮空氣的壓力勢能形式存儲到儲氣罐內(nèi)，當用電需求增加時，釋放存儲在儲氣罐內(nèi)的壓縮空氣，加熱后通過透平機將壓縮空氣儲存的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，滿足峰電期用電需要。CAES系統(tǒng)可以實現(xiàn)電力生產(chǎn)和消費錯時進行，實現(xiàn)電網(wǎng)的“削峰填谷”以平衡電力負荷，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。CAES系統(tǒng)可以把風電、光電等零星的、間歇或不穩(wěn)定的能源“拼接”起來，從而成為電力供應(yīng)基本負荷的一部分[14-16]，可以削弱甚至消除可再生能源（風能、太陽能等）部分在電力供應(yīng)中份額逐漸增加對電網(wǎng)帶來的不利影響。

本文首先介紹傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)工作原理及技術(shù)特點，給出CAES系統(tǒng)性能評價指標，然后分析提高CAES技術(shù)性能的不同技術(shù)方案及其特點。最后在介紹CAES技術(shù)研究發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了未來CAES技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。

表1 縮略語表Table 1 Acronyms table

1 CAES系統(tǒng)工作原理

壓縮空氣廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，但絕大多數(shù)的應(yīng)用都是將壓縮空氣作為工作介質(zhì)，即能量的載體加以應(yīng)用。與電能、化學能相比，壓縮空氣的能量密度低，因此，壓縮空氣很少被用作儲能介質(zhì)。利用壓縮空氣作為儲能介質(zhì)始于 20世紀40年代， GAY提出“利用儲存流體發(fā)電的方法”的專利[3-4]。20世紀60年代后期出現(xiàn)眾多核電站和火力發(fā)電站，為保證電站的發(fā)電效率，發(fā)電站按照基礎(chǔ)負荷進行發(fā)電。近年來，隨著可再生能源發(fā)電份額不斷增加，電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全受到影響。為保證發(fā)電系統(tǒng)高效運行和電網(wǎng)的安全可靠，同時又能滿足用電側(cè)不斷變化的電力需求，電網(wǎng)中需要配有移峰填谷功能的大規(guī)模儲能系統(tǒng)。

CAES技術(shù)最初被命名為 Air storage system energy transfer（ASSET），寓意為利用存儲空氣實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，最初只是用來儲電。后來又被稱作是空氣儲能式調(diào)峰電站。傳統(tǒng)的CAES是在燃氣輪機技術(shù)原理的基礎(chǔ)上提出的一種能量存儲系統(tǒng)，作為調(diào)峰電廠用的。圖 1為燃氣輪機的工作原理圖，環(huán)境空氣經(jīng)壓氣機部分壓縮后升壓，在燃燒室中與燃料混合燃燒，高溫高壓煙氣進入透平膨脹做功。因為燃氣輪機的壓氣機部分與透平機部分同軸，因此，驅(qū)動壓氣機部分要消耗約三分之二左右的透平輸出功，因此燃氣輪機的凈輸出功僅占透平輸出功的三分之一左右。

圖1 燃氣輪機工作原理示意圖Fig. 1 Schematic of gas turbine working principle

CAES技術(shù)源于燃氣輪機工作原理，不同之處在于CAES工作過程中，空壓機部分與透平機部分錯時工作[11]，空壓機部分在用電低谷時工作，不但儲存了多余的電能，而且成本較低。透平機部分在用電高峰時工作，以電能的形式釋放儲存在系統(tǒng)中的能量。在一定的工況下，在相同的燃料消耗的前提下，CAES系統(tǒng)可以發(fā)出3倍左右傳統(tǒng)燃氣輪機的發(fā)電量。因為在放電過程中沒有空壓機消耗透平所產(chǎn)電能，因此，系統(tǒng)的輸出功率較傳統(tǒng)的燃氣輪機可以高出2倍左右[10,22]，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)工作原理示意圖[4]Fig. 2 Schematic of conventional CAES working principle

CAES系統(tǒng)工作周期多為一天，也可以根據(jù)當?shù)赜秒娦枨?，設(shè)定為一周或更長的時間。CAES系統(tǒng)可以迅速的在充、放電模式下進行切換以適應(yīng)市場電價波動的需求。與其他儲能技術(shù)相比，CAES技術(shù)儲存可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，成本低且效率高。典型的CAES系統(tǒng)的單機功率一般在50 ～ 300 MW之間，大型的儲能系統(tǒng)可以考慮多機并聯(lián)等方式。CAES儲能技術(shù)是唯一可以和PHS技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模儲能系統(tǒng)。

2 CAES系統(tǒng)技術(shù)方案

CAES系統(tǒng)可以實現(xiàn)大規(guī)模儲能，技術(shù)相對成熟，商業(yè)化運行的CAES電站已經(jīng)運行將近40年。根據(jù)實際應(yīng)用效果和運行情況來看，CAES系統(tǒng)具有很多先天的優(yōu)點，可以與電網(wǎng)匹配實現(xiàn)大規(guī)模儲能，投資低，而且環(huán)境影響小。但目前運行的CAES還存在一些不足。一方面，大規(guī)模的CAES系統(tǒng)需要既能耐高壓，又要容量大的儲氣裝置。如德國Huntorf CAES 電站儲氣室的容積為31萬m3，系統(tǒng)運行壓力范圍為4.6 ～ 7.2 MPa。因此，系統(tǒng)需要容量大、壓力高的儲氣室成了限制CAES技術(shù)推廣應(yīng)用的障礙之一。另一方面，和其他形式的儲能技術(shù)相比，CAES循環(huán)效率偏低。Huntorf CAES電站的循環(huán)效率僅為42%，McIntosh CAES電廠技術(shù)改進后達到54%，與其他儲能技術(shù)如電池、電容等80%以上的效率相比，仍然偏低。只有突破CAES系統(tǒng)需要大容量、耐高壓的洞穴等儲存高壓空氣的限制，提高系統(tǒng)的循環(huán)效率， CAES技術(shù)才會有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。為此，在傳統(tǒng)CAES技術(shù)的基礎(chǔ)上，為提高效率、克服存儲限制的CAES方案應(yīng)運而生。

2.1 提高循環(huán)效率的CAES技術(shù)方案

2.1.1 非絕熱壓縮空氣儲能（D-CAES）系統(tǒng)

傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)屬于（diabatic compressed air energy storage, D-CAES）系統(tǒng)。目前已經(jīng)商業(yè)化運行的D-CAES儲能電站有兩座，一座是德國Huntorf的壓縮空氣儲能電站，于1978年投入運行，一座是美國McIntosh的壓縮空氣儲能電站，于1991年投入運行。D-CAES主要包括壓縮機組、儲氣室、透平機組、冷卻器、燃燒室、發(fā)電機組及控制系統(tǒng)[17-20]。

為提高系統(tǒng)的效率，D-CAES系統(tǒng)先減少壓縮機組能耗，壓縮空氣從儲氣室出來后，再利用燃料進一步提高溫度，提升壓縮空氣的焓值，提高壓縮空氣的做功能力。圖3為德國Huntorf的壓縮空氣儲能電站原理示意圖。系統(tǒng)的壓縮過程分為兩級壓縮，膨脹過程分為兩級膨脹。由于相同工況下，等溫壓縮時壓縮機消耗功率最小，因此，采取級間冷卻的方式后相同的壓力和流量時壓縮機組消耗的功率減少，從而提升了系統(tǒng)的循環(huán)效率。另外，通過增加儲氣室內(nèi)壓縮空氣的儲量可以提高系統(tǒng)的發(fā)電能力，如圖3所示，D-CAES系統(tǒng)在高壓壓縮機出口處進入級后冷卻裝置后，由于壓縮空氣溫度降低、密度增加，儲氣室體積不變但增加系統(tǒng)壓縮空氣儲存量。為提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的發(fā)電功率，可以在壓縮空氣進入低壓透平之前對其進行再次加熱，以增加其焓值從而提高做功能力，如在Huntorf CAES儲電電站中，壓縮空氣被加熱到845℃[5,8,21-22]。

圖3 D-CAES系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic of D-CAES system

如圖4所示，為進一步提高D-CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率，美國McIntosh的壓縮空氣儲能電站除了采取級間冷卻、級后冷卻的方式外，在低壓透平出口設(shè)置余熱回收，利用這部分余熱對進入高壓透平前的壓縮空氣進行預熱。早期德國 Huntorf 儲能電站的充電功率為60 MW，發(fā)電功率為290 MW。2006年德國Huntorf 儲能電站對系統(tǒng)進行了優(yōu)化，一方面，為提高系統(tǒng)的安全性能，將高壓透平進口溫度由原來的550℃降低至490℃，另一方面，為提高系統(tǒng)的發(fā)電能力，低壓透平入口溫度從 825℃提高到945℃。系統(tǒng)的發(fā)電功率由原來的 290 MW 提升到321 MW。改造后系統(tǒng)經(jīng)低壓透平做功發(fā)電后空氣溫度為 480℃左右，因此，有大量的熱量?排放，如果回收這部分能量，還可以進一步提高系統(tǒng)的循環(huán)效率[23]。美國McIntosh的壓縮空氣儲能電站回收排氣部分的余熱后，壓縮空氣被這部分余熱預熱到297℃，系統(tǒng)循環(huán)效率提升到54%[8]，與Huntorf系統(tǒng)相比，單位發(fā)電量燃氣消耗節(jié)約23%左右，同時，儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率從42%提高到54%，說明減少系統(tǒng)?損失是提高效率的有效途徑。從整個工作過程來看，壓縮熱沒有得到有效利用，而且，為了提高發(fā)電功率，系統(tǒng)采用了燃料加熱空氣的方式。級間冷卻的目的只是為了能夠降低壓縮機組的功率，壓縮空氣中原來以熱量形式存在的能量被冷卻介質(zhì)帶走。

圖4 有余熱回收型D-CAES系統(tǒng)示意圖Fig. 4 Schematic of D-CAES system with recuperator

圖5 A-CAES系統(tǒng)示意圖Fig. 5 Schematic of A-CAES system

2.1.2 （先進）絕熱壓縮空氣儲能（A-CAES、AA-CAES）系統(tǒng)

與熱力學上沒有熱量進出系統(tǒng)的絕熱系統(tǒng)概念不同，在先進絕熱壓縮空氣儲能（advanced adiabatic compresses air energy storage, AA-CAES）系統(tǒng)中，絕熱代表在系統(tǒng)充放電過程中沒有凈的額外能源消耗，但不排除工質(zhì)和環(huán)境的熱交換。如圖5所示的方案中，有兩級壓縮和兩級膨脹。充電過程中，經(jīng)過壓縮機做功，空氣的壓力和溫度同時提高，此時壓縮空氣的焓可以分為兩部分，一部分是和壓力參數(shù)有關(guān)，一部分和溫度參數(shù)有關(guān)。級間冷卻和級后冷卻就是把與溫度相關(guān)的部分焓取出后儲存在儲熱器中。在放電過程中，利用充電過程中儲存在蓄熱器中的能量加熱進入膨脹機空氣的方式提高發(fā)電能力，從而提高系統(tǒng)循環(huán)效率。實現(xiàn)了既減少二氧化碳排放，又能提高系統(tǒng)效率的目的。

該技術(shù)以盡量減少放電過程的二氧化碳排放為目標，避免使用化石燃料提高系統(tǒng)發(fā)電量，因此，與D-CAES系統(tǒng)相比，AA-CAES系統(tǒng)雖然發(fā)電量偏低，但系統(tǒng)采用絕熱壓縮技術(shù)，通過回收壓縮熱代替燃燒室，很適合用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的整合[24-29]。

AA-CAES系統(tǒng)的概念始于20世紀80年代，由于技術(shù)原因，該技術(shù)還沒有實現(xiàn)商業(yè)化運行。隨著燃料成本提高和減少 CO2排放的需要，對于AA-CAES技術(shù)的研究再次得到重視。由于充分考慮了壓縮熱的回收和利用，AA-CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率有可能接近70%[8]。和D-CAES的主要區(qū)別是增加了儲熱系統(tǒng)（thermal energy storage, TES），可以將充電過程中壓縮熱儲存起來。在放電階段，該部分熱量用于加熱壓縮空氣以增加透平的輸出功，從而提高系統(tǒng)循環(huán)效率。AA-CAES最大的優(yōu)點是在放電過程中減少了化石燃料的消耗和二氧化碳的排放。

2.1.3 噴蒸汽增焓壓縮空氣儲能（SI-CAES）系統(tǒng)

噴蒸汽增焓壓縮空氣儲能（steam injection compressed air energy storage, SI-CAES）系統(tǒng)與帶余熱回收型的D-CAES系統(tǒng)相似，都是在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)的基礎(chǔ)上，在低壓透平出口高溫排氣處設(shè)置了余熱回收裝置。不同之處在于，SI-CAES系統(tǒng)設(shè)置的余熱回收裝置用于生產(chǎn)蒸汽，加入到燃燒室后的做功工質(zhì)中，從而增加放電系統(tǒng)做功工質(zhì)質(zhì)量，提高系統(tǒng)放電能力。在保證相同發(fā)電能力時，可以減少壓縮空氣的存儲。

SI-CAES系統(tǒng)與同等儲電能力的D-CAES系統(tǒng)相比，通過向燃燒室后的工質(zhì)中噴入過熱蒸汽，可減少儲能系統(tǒng)存儲的壓縮空氣量，或者在保持儲電能力的前提下可減少CAES系統(tǒng)儲氣室的容積[30]。如圖6所示，在傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)工作過程中，低壓透平排放出氣體的溫度約為 480℃，通過 SI-CAES系統(tǒng)后，排氣溫度可以更低。在帶余熱回收的D-CAES系統(tǒng)中，通過氣-氣換熱，如圖4所示，可以將進入加熱室前的壓縮空氣預熱到 297℃。排氣溫度依然在200℃以上。如果采用SI-CAES中的蒸汽發(fā)生器后，排煙溫度可以達到 120℃左右，可以回收更多余熱，從而提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。

圖6 SI-CAES系統(tǒng)示意圖[4]Fig. 6 Schematic of SI-CAES system

2.2 克服存儲空間限制的CAES技術(shù)方案

2.2.1 液態(tài)空氣儲能（LAES）系統(tǒng)

CAES技術(shù)推廣過程中遇到的另一個問題是大規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)需要很大并能承受高壓的存儲空間。以德國Huntorf壓縮空氣儲能電站為例，該電站的發(fā)電能力為321 MW，可以連續(xù)工作2 h左右，用于儲存高壓空氣的儲氣室有兩個，總?cè)莘e達31萬m3左右，耐壓為7 MPa以上。美國McIntosh壓縮空氣儲能電站發(fā)電能力為 110 MW，可以連續(xù)發(fā)電26 h，儲氣洞的容積是56萬m3左右，耐壓為7 MPa以上。如此大容積的儲存空間，要求承壓超過70 MPa以上，同時還要滿足地質(zhì)條件的地點很少。

克服大規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)對大型儲氣室依賴的有效方法是對工質(zhì)進行液化。液態(tài)空氣儲能（liquid air energy storage, LAES）系統(tǒng)屬于低溫儲能[33]，如圖7所示，與傳統(tǒng)的CAES系統(tǒng)一樣，分為充電、儲存和放電三個過程。第一個階段是儲電，利用多余電能（谷價電）將空氣進行過濾、壓縮和液化[31-35]。第二階段是在常壓、-196℃時對液態(tài)空氣進行存儲。第三個階段為放電，通過泵、再熱器和膨脹機組，在用電高峰電價較高時作為電能的形式釋放[31-38]。在第二個階段也包括壓縮熱和低溫?的存儲。這兩種能量可以分別用在第一階段和第三階段，一方面可以提高電能的產(chǎn)出，另一方面，可以減少在空氣液化過程中電量的消耗。通過液化，可以將儲氣室體積大大減小，從而增加了壓縮空氣儲能的應(yīng)用地域。因此，LAES系統(tǒng)與傳統(tǒng) CAES系統(tǒng)相比，有效克服了壓縮空氣儲能系統(tǒng)對大型儲氣室的依賴的缺點。

圖7 SC-CAES系統(tǒng)示意圖[33]Fig. 7 Schematic of SC-CAES system

2.2.2 超臨界壓縮空氣儲能（SC-CAES）系統(tǒng)

超臨界壓縮空氣儲能（super critical compressed air energy storage, SC-CAES）系統(tǒng)是由中科院工程熱物理研究所陳海生研究團隊為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的問題而提出。該技術(shù)在LAES技術(shù)的基礎(chǔ)上，為擺脫壓縮空氣儲能技術(shù)對化石燃料和大型儲氣室的依賴進行研發(fā)的。由于該技術(shù)采用超臨界壓縮空氣作為介質(zhì)，超臨界空氣的特殊物理性能強化了系統(tǒng)的換熱。系統(tǒng)的能量密度大大提高，是D-CAES系統(tǒng)的18倍[44]，因此，儲能室的體積大大縮小，擺脫了對大型儲氣室的依賴。

如圖8所示，SC-CAES系統(tǒng)主要包括壓縮機組、膨脹機組、蓄熱器、蓄冷器、膨脹閥、儲液罐和低溫泵等[39-41]。在SC-CAES系統(tǒng)儲電過程中，常溫常壓空氣經(jīng)壓縮機組壓縮至超臨界狀態(tài)，級間壓縮熱和級后冷卻熱被冷卻器回收并儲存在蓄熱器中。利用系統(tǒng)上次放電過程中蓄冷器中的冷量，將超臨界壓縮空氣冷卻至液態(tài)，然后通過膨脹閥降壓后至常壓存放在低溫儲罐內(nèi)。在系統(tǒng)放電過程中，首先通過低溫泵將液態(tài)空氣加壓后通入到蓄冷器中被加熱。然后由原來儲存的壓縮熱或其他工業(yè)余熱進一步加熱后到透平機組發(fā)電。因此，在放電過程中，液態(tài)空氣的冷量被回收并存放在蓄冷室內(nèi)。由于系統(tǒng)儲能用的壓縮空氣轉(zhuǎn)換為液態(tài)空氣進行存儲，因此，系統(tǒng)需要的儲存室減少，擺脫了對大型儲氣室的依賴。另一方面，由于系統(tǒng)在充電過程中的壓縮熱回收并用于放電過程中工質(zhì)的加熱，在系統(tǒng)不使用化石燃料的情況下，依然可以獲得較高的循環(huán)效率，當系統(tǒng)的儲能壓力和釋能壓力分別為 12 MPa和 9.501 MPa時，系統(tǒng)的循環(huán)效率可以達到67.41%[39]。因此，系統(tǒng)擺脫了對化石燃料的依賴，減少了過程中二氧化碳的排放。

圖8 SC-CAES系統(tǒng)示意圖[39]Fig. 8 Schematic of SC-CAES system

2.2.3 液態(tài)二氧化碳儲能（LCES）系統(tǒng)

液態(tài)二氧化碳儲能（liquid carbon dioxide energy storage, LCES）系統(tǒng)也是基于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)需要大型的儲氣室的限制提出[42-45]。與 D-CAES系統(tǒng)相比，LCES系統(tǒng)的能量密度高，單位儲罐體積發(fā)電量EVR值高，如圖9所示，通過和 ORC制冷系統(tǒng)相結(jié)合，可以充分回收透平出口處二氧化碳氣體的余熱，利用這部分余熱，通過ORC系統(tǒng)再發(fā)出更多的電能。與ORC系統(tǒng)匹配后，LCES系統(tǒng)的循環(huán)效率可以達到56.64%[44]。

如圖10所示，通過對LCES系統(tǒng)進一步優(yōu)化，根據(jù)余熱、余冷梯級利用的原則，充分利用了壓縮過程的壓縮熱和放電過程的冷量，從而在單獨采取二氧化碳化作儲能工質(zhì)時，系統(tǒng)的循環(huán)效率達到58.65%。該系統(tǒng)主要由壓縮機組、膨脹機組、蓄熱/冷器、泵及液態(tài)二氧化碳儲罐等組成。LAES系統(tǒng)不同之處在于系統(tǒng)多一個液態(tài)二氧化碳儲罐，多一個膨脹機組。對于LAES系統(tǒng)而言，從液態(tài)空氣儲罐出來后，經(jīng)加壓，釋放冷量后再被壓縮熱加熱后做功發(fā)電，完成發(fā)電后就可以排放到大氣中。而對于LCES系統(tǒng)而言，經(jīng)過TRUB1做功后，需要進一步冷卻，液化后儲存在TANK2中，以作為下一個充電過程的工質(zhì)。為盡量提高 TANK2中的溫度，透平TURB1后需要保持一定的壓力。和SC-CAES系統(tǒng)相比，充電過程中壓縮機組最高壓力有所降低，可以低至 7 MPa，且液態(tài)的二氧化碳帶壓存放在TANK1中，減少了因過程中壓力變化而造成的?損失。同時，放電過程中最后儲存液態(tài)二氧化碳的儲罐內(nèi)溫度較高，可以達到-56℃，使得系統(tǒng)更容易執(zhí)行。

圖9 LCES系統(tǒng)流程圖[44]Fig. 9 Schematic of LCES system

圖10 改進的液態(tài)二氧化碳儲能（LCES）系統(tǒng)示意圖Fig. 10 Schematic of modified LCES system

3 CAES系統(tǒng)技術(shù)評價

可以從多種角度評價壓縮空氣儲能系統(tǒng)的性能，如系統(tǒng)的循環(huán)效率、投資回收期、充放電效率等。壓縮空氣儲能系統(tǒng)源于燃氣輪機，又有別于燃氣輪機。因此，對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的評價可以參考燃氣輪機的參數(shù)評價。燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率是指發(fā)1 kW·h電能需要消耗燃料的熱能。但在與電網(wǎng)匹配的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，特別是傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)D-CAES充電和放電過程中，涉及到兩種能量形式，一種是用于驅(qū)動壓縮機組，將環(huán)境空氣壓縮到高溫高壓的用電低谷時的多余電能，另一種是在放電過程中，為提高放電效果，利用燃料燃燒加熱壓縮空氣的燃料化學能?；瘜W能轉(zhuǎn)化為熱能加熱壓縮空氣提升壓縮空氣的焓值。如果CAES系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)如風電系統(tǒng)匹配，這部分電能主要是棄風電，不可控制，與來自火力發(fā)電的電能是有區(qū)別的。這部分用于儲存的電能可以理解為零成本。儲能系統(tǒng)運行的成本只是在電能釋放過程中燃料的消耗，較燃氣輪機發(fā)電過程中消耗的燃氣明顯減少。根據(jù)相關(guān)文獻，目前表示CAES系統(tǒng)參數(shù)的性能指標主要有充電率（charging electricity ratio, CER）、系統(tǒng)循環(huán)效率（round trip efficiency, RTE）[36-37,46-49]。

CER為儲能系統(tǒng)每個周期內(nèi)放電過程的輸出電量與充電過程壓縮機組和相關(guān)設(shè)備消耗電量的比值。在傳統(tǒng)的D-CAES系統(tǒng)中，由于在放電過程中有燃料燃燒熱能的加入，因此CER一般大于1，介于1.2 ～ 1.8之間。計算過程不考慮燃料能源的消耗，表示系統(tǒng)儲電后能釋放出電能的比率。

RTE為整個系統(tǒng)充電和放電過程中，能量轉(zhuǎn)化與平衡的關(guān)系。如式（2），RTE是指儲能系統(tǒng)的發(fā)電機輸出功率與壓縮機能量的消耗與輸入燃料折合電量的和的比值。燃料部分能源在不同的工況條件折合系數(shù)不同，如與CAES系統(tǒng)匹配的是燃氣輪機系統(tǒng)，則折合系數(shù)按0.39考慮，如是聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，則折合系數(shù)為0.6，即以燃料低位發(fā)熱量計，RTE計算公式中的Efuel部分分別為發(fā)熱量的 39%和60%。該參數(shù)考慮了燃料在電能釋放過程中的份額[3]。

圖11 Huntorf工廠鳥瞰圖與機組裝配圖[33]Fig. 11 Aerial view and assemble of Huntorf plant[33]

4 CAES技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 國外CAES技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

壓縮空氣儲能技術(shù)從提出到商業(yè)化運行，經(jīng)歷了30年的時間。CAES技術(shù)的發(fā)展主要受到世界能源價格波動的影響。目前，世界上已經(jīng)有兩座投入商業(yè)運行的大規(guī)模的壓縮空氣儲能電站。第一座是德國Huntorf壓縮空氣儲能電站，于1978年投入商業(yè)化運行，如圖11所示。在Huntorf CAES電站運行之初，高壓空氣進入高壓透平前在燃燒室內(nèi)被加熱到550℃。一級膨脹后壓力降低到1 MPa左右，然后，壓縮空氣在進入低壓透平前，在低壓燃燒室內(nèi)再次被加熱到825℃后做功發(fā)電。根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，CAES每生產(chǎn)1 kW·h的電能，壓縮機組需要大約0.82 kW·h的電能，同時，要以燃料的形式提供約為5 800 kJ的熱量，提供的熱量較燃氣輪機6 700 ～ 9 400 kJ/kW·h的熱量需求要小。壓縮機組的額定功率為60 MW，透平機組設(shè)計的釋能輸出功率為290 MW。系統(tǒng)冷態(tài)啟動至滿負荷約需6 min，充電和放電時間比約為4∶1。為提高系統(tǒng)循環(huán)效率，Huntorf工廠在運行了28年后，2006年改造了透平發(fā)電部分，優(yōu)化了操作參數(shù)。為系統(tǒng)安全等因素考慮，將進入高壓透平的工質(zhì)壓縮空氣的溫度從550℃降低到490℃，壓力不變。為提高工質(zhì)做功能力，提高了低壓燃燒室溫度到 945℃。改造完成后，系統(tǒng)最大輸出功率由290 MW提高到321 MW[5]。

在德國的Huntorf工廠成功安裝運行13年后，1991年，世界第二座大型 D-CAES儲電站——McIntosh電站在美國 Alabama建成，放電功率為110 MW，可以連續(xù)發(fā)電26 h。和Huntorf工廠相比，該電站只有一個容積為56萬m3的儲氣室，這座儲能電站主要用于儲存谷價電能，在峰價是生產(chǎn)電能，并提供備用功能，儲氣室的壓力范圍為4.5 ～ 7.4 MPa。在美國的McIntosh工廠設(shè)計方案中，對末級透平排放空氣余熱進行了回收利用，如圖4所示，在最后一級透平排氣處安裝了熱回收器，利用溫度達370℃的低壓透平的排氣余熱預熱來自儲氣室的高壓工質(zhì)以減少燃料的消耗。這種方式可以將壓縮空氣加熱到 297℃，根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，相同功率下，可以節(jié)約燃燒23%左右。系統(tǒng)的循環(huán)效率達54%左右。

除McIntosh儲能電站外，美國多州都進行了關(guān)于CAES技術(shù)的開發(fā)與推廣。Soyland Power公司于1982年開始計劃建一座功率為220 MW帶有余熱回收并配有水補償?shù)牡叵露囱ㄗ鳛閮馐业?D-CAES系統(tǒng)。后因市場需求波動而取消。1991年McIntosh儲能電站的成功引起美國多家機構(gòu)對CAES技術(shù)關(guān)注。美國Ohio州Norton從2001年計劃建一座2 700 MW的大型壓縮空氣儲能商業(yè)電站，電站由9臺300 MW機組組成。壓縮空氣存儲于地下670 m的巖鹽層洞穴內(nèi)，儲氣洞穴的容積為957萬m3，所存儲的壓縮空氣可以供透平連續(xù)發(fā)電2天。加利福尼亞PG&E公司計劃于2020年建成一座300 MW D-CAES系統(tǒng)，發(fā)電時間為10 h。Apex CAES計劃在德克薩斯州建造兩座CAES儲能電站[3-4,33,50-51]。

另外，國際上其他不少國家展開了關(guān)于 CAES技術(shù)的研究和應(yīng)用推廣。日本于2001年在上砂川盯建成輸出功率為4 MW的壓縮空氣儲能示范項目，為進一步開發(fā)400 MW機組做準備。目前，除德國、美國、日本和瑞士外，俄羅斯、意大利、韓國等也在積極開發(fā)壓縮空氣儲能電站技術(shù)。

4.2 國內(nèi)關(guān)于CAES技術(shù)研究

我國對壓縮空氣儲能技術(shù)的研究開發(fā)起步較晚，主要集中于理論研究和小型實驗階段。在內(nèi)蒙和新疆地區(qū)，風力發(fā)電的快速發(fā)展與配套設(shè)施不完善導致有大量的棄風。為了充分發(fā)揮風力發(fā)電站的效用，迫切開發(fā)大規(guī)模儲電系統(tǒng)與之配套。因此，隨著電力儲能需求的快速增加，相關(guān)研究逐漸被一些大學和科研機構(gòu)所重視。目前，展開系統(tǒng) CAES技術(shù)研究的大學和科研機構(gòu)有中國科學院工程熱物理研究所、華北電力大學、西安交通大學、清華大學、華中科技大學和中科院廣州能源研究所等。目前雖然還沒有投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站，但清華大學等已經(jīng)完成了500 kW機組非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)的實驗研究，主要側(cè)重于無補燃壓縮空氣儲能技術(shù)的開發(fā)，由于該技術(shù)利用壓縮熱實現(xiàn)放電過程中工質(zhì)的再熱，基本不消耗燃料，因此該技術(shù)放電過程中基本沒有溫室氣體的排放。中科院工程熱物理研究所完成了1.5 MW超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)機組的調(diào)試和優(yōu)化，目前與中科院廣州能源研究所、北京工業(yè)大學、西安交通大學和南方電網(wǎng)等單位一起正在進行 10 MW 級超臨界壓縮空氣儲能電站的示范工作，過程中不但考慮了盡量少用或不用燃料，還盡量的回收壓縮熱和冷量?，減少了系統(tǒng)工作過程的?損失，提高了系統(tǒng)的效率。由于壓縮空氣是以液態(tài)常壓形式存儲，因此，有效解決了儲氣室受限的難題，并盡量減少了對于環(huán)境的影響。另外，西安交通大學利用液態(tài)二氧化碳作為儲能介質(zhì)進行了探索，采用了ORC匹配后，充分利用了透平排出氣體的余熱，實現(xiàn)能源的梯級利用，系統(tǒng)循環(huán)效率達到了56.64%。

5 發(fā)展趨勢

壓縮空氣儲能（CAES）技術(shù)可以實現(xiàn)大規(guī)模儲電，投資和運行成本低已經(jīng)是儲能技術(shù)研究人員的共識。但在推廣過程中遇到的主要問題一是由于壓縮空氣的能源密度相對低，因此，要實現(xiàn)大規(guī)模儲電就要有大型的儲氣裝置，另一方面，系統(tǒng)在放電過程中，都要消耗一定量的燃料。傳統(tǒng)的CAES技術(shù)還依賴于化石燃料，這兩個因素影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。為有效克服這兩個方面的不足，學者提出了不同的實施方案，如提出了絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)（A-CAES），液化空氣儲能技術(shù)（LAES）、超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)（SC-CAES）以及和可再生能源發(fā)電技術(shù)耦合的CAES技術(shù)等。

CAES技術(shù)的發(fā)展趨勢就是改變系統(tǒng)儲氣室依賴的方式，減少溫室氣體的排放，因此，該技術(shù)的發(fā)展趨勢應(yīng)為以液態(tài)空氣儲能技術(shù)為基礎(chǔ)的超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)（SC-CAES）技術(shù)會向三個方向發(fā)展，一是小型化，與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)匹配，有效減弱可再生能源先天性不穩(wěn)定的影響，一是大型化，與電網(wǎng)匹配，為一個地區(qū)的供電穩(wěn)定，提高供電安全性服務(wù)。一個是微型化，特別是在生產(chǎn)工藝有大量余熱又消耗大量電能的大型企業(yè)，建造微型SC-CAES系統(tǒng)，利用蜂谷電價，減少企業(yè)生產(chǎn)成本。

總的來說，壓縮空氣儲能技術(shù)基本成熟，是能與抽水蓄能方式相媲美的大規(guī)模儲電技術(shù)。由于儲電規(guī)模大，成本低，在風力發(fā)電、光伏發(fā)電快速發(fā)展，又具有間歇性難以回避的大背景下，CAES儲能技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛的認可，不同形式的CAES必將獲得長足發(fā)展，以滿足電網(wǎng)、用戶不同級別的儲電需求，特別是超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)。

6 結(jié) 論

本文在分析傳統(tǒng)壓縮空氣儲能（CAES）技術(shù)的工作原理和技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，總結(jié)并分析了不同的壓縮空氣儲能技術(shù)的方案，并給出了評價不同系統(tǒng)性能的技術(shù)參數(shù)。再分析國內(nèi)外CAES技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀部分。最后通過不同壓縮空氣儲能技術(shù)方案的對比分析了 A-CAES、LAES、SC-CAES和LCES系統(tǒng)的先進性、競爭優(yōu)勢與不足，分析了未來CAES的技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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