压缩空气储能技术的发展和应用研究

电能是人类生产、生活所必需的一种最重要的能量形式，已被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展和经济飞跃的主要动力。随着用电需求范围的扩大和电力需求总量的增加，电能的生产和利用产生了时间和空间的矛盾。时间维度上，白天的城市非常活跃，用电量很大，早晚还会出现用电高峰。到了夜晚，随着人们生产活动的停止，用电量也随之减少，但承载大部分城市用电的煤电机组却无法在一天内跟随人类日出而作、日落而息。空间维度上，我国西北部风能和太阳能丰富的地区往往能够产生大量的可再生能源电力，但经济发达的中东部地区却是用电的高需求地区。这种电力在生产和利用上的时空错位问题迫切呼唤新的能源技术来提供解决方案。

压缩空气储能将用电低谷时段或可再生能源电力丰富地区的过剩电能转化成空气的压力势能，在用电高峰时段或电力贫瘠且电能消耗大的地区将空气的势能转化成电能，并且是一种大规模储能技术。它以绿色、丰富、取用方便的空气作为介质，将电能利用的时空矛盾问题巧妙解决，同时还能将可再生能源发出的间歇性电力拼接起来，改善电能的质量。压缩空气储能技术安全、高效、低碳，且不受自然条件的限制，是能源和电力领域的一项重要的应用技术。

随着科技的发展，储能技术可以应对不同应用场景的需求，技术发展也越来越精细化。对于电网侧峰谷差调节、可再生能源消纳的技术问题，必须用大规模的储能技术来解决。目前的各类储能技术中，能够实现100 MW及其以上功率等级应用的技术，主要包括抽水蓄能和压缩空气储能两种技术门类。但抽水蓄能技术存在天然的地理条件限制，需要上下两个大型水库作为蓄水池，才能实现水的重力势能的存储与释放。地理条件的特殊要求和移民等问题使得抽水蓄能电站无法自由建设。此外，在我国抽水蓄能用于电网侧进行可再生能源电力消纳时，存在地域能源储备的匹配问题。我国的西北部地区风、光资源丰富，迫切需要大规模储能技术对可再生能源发电产生的过剩电力进行有效的消纳，但中东部地区因水力资源丰富更适合建设抽水蓄能电站，这种天然的地理资源的不匹配在一定程度上限制了抽水蓄能的发展。因此，压缩空气储能技术的发展和应用已成为行业发展的迫切需要。

压缩空气储能具有储能容量大、储能周期长、投资小等优点，被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。

1、传统的压缩空气储存系统在大规模推广的过程当中遇到了几个挑战。第一个问题是依赖于大型的储气洞穴，第二个依赖于化石燃料提高提供热量，第三个，由于德国和美国这两个压缩空气储存系统都是由原来的燃气轮机改造而来，系统还没有很好的优化设计，所以系统的效率偏低，只有40%-50%。所以提高储能密度，提高效率，消除对化石燃料的依赖，是压缩空气储能的发展要求，也是发展趋势。

2、我们的总体思路就是通过压缩热的回收再利用，消除对化石燃料的依赖。通过系统的过程耦合匹配高效的压缩膨胀，超临界的蓄能换热来提高系统的效率。通过空气的高压或者液态存储来提高储存密度，消除对大型储气洞穴的依赖。这就是我们所讲的先进的压缩空气储存系统的总体思路，通过这三个手段三个方法，从而解决制约压缩空气储能发展的三个主要的技术方面的挑战。

3、2021年的8月4号实现了中国首个压缩空气质的商业电站的并网运行。这也是中国首个延续压缩空气组成的国家示范项目。通过了国家重点研发计划的专家组的验收，系统额定效率达到了60.7%。并在 2021年的12月31号建成了国际首套的 100 兆瓦的先进压缩空气储能的商业电站，并在经过调试后在 2022年的 9月30号实现了并网发电。这也是国际首个百兆级的压缩空气储能的国家级的示范项目。

4、我们正在做的工作是 300 兆瓦的先进压缩空气储能系统，主要突破 5 个关键技术系统的设计、压缩机、膨胀机、蓄热放热器和系统的集成控制。争取通过我们的努力，建成国际首套的具有完全自知产权的 300 兆的先进压缩空气储能的示范电站。使我国压缩空气储能的水平提升、规模再增加 3 倍，效率在提高3%-5%，成本在下降20%-30%。

先进压缩空气储能系统利用电网低谷电或可再生能源的间歇式电能将空气压缩(同时存储压缩热)，并将空气高压或液化储存(储能)；在用电高峰或电力资源短缺时，高压/液态空气加压，并进一步吸收压缩热后通过透平膨胀机驱动电机发电(释能)，在此过程中一些废热可以被回收以提高系统效率。先进压缩空气储能系统具有很多优势：首先，由于空气的高压/液态存储，空气储罐的体积大大缩小，可以缩短建设周期，更重要的是可以不受地理条件限制，克服了传统压缩空气储能系统的一个主要瓶颈；第二，由于采用必要的储热储冷设备，将空气压缩过程的压缩热存储回收，从而不再需要燃烧燃料提供热源，解决了传统压缩空气储能系统的另一个主要瓶颈；第三，由于超临界传热/冷却过程中冷热源之间的温差可以做到很小，同时由于采用储热、储冷设备，系统储能和释能过程的热和冷均能很好地回收；第四，先进压缩空气储能系统不涉及化石燃料的燃烧，不排放任何有害物质，而且空气压缩过程中很容易去除其中的有害物质如CO2、SOx、NOx等，从而改善大气质量

审核编辑：郭婷