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近年來，我國壓縮空氣儲能實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大。伴隨產(chǎn)業(yè)快速推進(jìn)和技術(shù)進(jìn)一步成熟，壓縮空氣儲能項(xiàng)目的效率有望進(jìn)一步提升，為新型電力系統(tǒng)建設(shè)和多元用戶側(cè)場景提供更多的技術(shù)選擇。

壓縮空氣儲能技術(shù)優(yōu)勢及其分類

壓縮空氣儲能是利用壓縮機(jī)將電能以高壓空氣形式儲集、再通過釋放高壓空氣膨脹推動透平機(jī)發(fā)電的一種儲能技術(shù)。目前，抽水蓄能在全球電力儲能項(xiàng)目中累計裝機(jī)規(guī)模最大，截至2021年底，全球抽水蓄能的累計裝機(jī)規(guī)模占已投運(yùn)儲能累計裝機(jī)規(guī)模的86.20%，達(dá)到了180.5GW。但相較于抽水蓄能而言，壓縮空氣儲能具有建設(shè)周期短、選址相對容易、對生態(tài)環(huán)境更友好的優(yōu)勢。而對比于目前較成熟的化學(xué)儲能技術(shù)中的鋰電池儲能，截至2021年底鋰離子電池儲能裝機(jī)規(guī)模僅次于抽水蓄能，在全球新型儲能市場累計裝機(jī)規(guī)模中占比最大。但化學(xué)儲能技術(shù)存在使用壽命相對較短的缺點(diǎn)，最高使用年限只能達(dá)到20年。相較化學(xué)儲能而言壓縮空氣儲能具有使用壽命更長、循環(huán)次數(shù)更多、安全環(huán)保性更好、系統(tǒng)性能不衰減等優(yōu)勢，且壓縮空氣儲能是繼抽水蓄能之后第二項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲能的技術(shù)。此外，對未來有更多新能源發(fā)電并入電網(wǎng)的情況，壓縮空氣儲能還具有類似火電的調(diào)頻調(diào)壓性能及轉(zhuǎn)動慣量和短路電流支撐，可改善電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

壓縮空氣儲能的分類，如按利用的儲氣方式來分主要有地下洞穴儲氣、人工硐室儲氣、金屬容器儲氣3種。這3種儲氣方式的造價成本對比為“地下洞穴儲氣<人工硐室儲氣<金屬容器儲氣。”有研究指出，如果隨著壓縮空氣儲能相應(yīng)裝備規(guī)模化量產(chǎn)，未來成本有望實(shí)現(xiàn)管線鋼儲氣的壓縮空氣電站造價與中小型抽水蓄能電站相當(dāng)、人工硐室儲氣的壓縮空氣電站造價與大中型抽水蓄能電站相當(dāng)、地下洞穴儲氣的壓縮空氣電站成本比大中型抽水蓄能電站更低更有利于控制造價成本等目標(biāo)。

地下洞穴儲氣細(xì)分之下有巖石洞穴儲氣（鹽穴、煤礦巷道等）、含水層儲氣、枯竭油氣田儲氣3類。這3類儲氣方式中，目前在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛成熟的是巖石洞穴儲氣中的鹽穴儲氣，已成功實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)并投入商業(yè)運(yùn)用；含水層儲氣是在具有良好蓋層的含水層中進(jìn)行儲氣循環(huán)，含水層中的孔隙可實(shí)現(xiàn)高壓儲氣，但需要預(yù)先排除地下水創(chuàng)造儲氣空間，目前全球還未有實(shí)際工程，該儲氣方式仍處于探索和理論分析階段；針對使用枯竭油氣田進(jìn)行儲氣還僅是在理論上較為可行。

我國鹽穴資源豐富，鹽穴一般具有密閉性好、高壓下具有塑性等優(yōu)點(diǎn)。由于采鹽主要通過鉆井水溶的方式，因此形成的鹽穴腔體穩(wěn)定性較好、水溶性也有利于對后續(xù)鹽穴的造腔，并且使用鹽穴儲存壓縮空氣已實(shí)現(xiàn)了成熟應(yīng)用，儲氣技術(shù)相對成熟。此外，鹽穴儲氣是利用地下空間，不用新增建設(shè)用地，避開了征地難的問題，鹽穴租用的費(fèi)用較低，成本也可得到控制。我國已建設(shè)的金壇、肥城壓縮空氣儲能電站便是利用地下鹽穴作為儲氣庫。

按空氣在壓縮、膨脹過程中熱量的管理方式及空氣的儲存狀態(tài)，壓縮空氣儲能主要有補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能技術(shù)、絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲能技術(shù)、液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)、超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)5種。其中，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能技術(shù)成熟度高，它是在儲氣室后端使用燃燒器來燃燒化石能源提升空氣溫度使其膨脹進(jìn)而發(fā)電，但這一技術(shù)依舊使用化石能源，不符合現(xiàn)階段綠色低碳轉(zhuǎn)型的方向。而目前非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能中應(yīng)用最多且技術(shù)相對成熟的是絕熱壓縮空氣儲能，該技術(shù)的突破性在于其使用換熱器將壓縮空氣時產(chǎn)生的熱量存儲至儲熱裝置中，而后利用存儲的壓縮熱在釋放高壓空氣時對其進(jìn)行加熱，由于不使用化石能源，因此能實(shí)現(xiàn)真正的無碳。

等溫壓縮空氣儲能技術(shù)由于空氣在被壓縮以及釋放膨脹的過程中，會有熱量的產(chǎn)生和傳遞，但傳熱過程對壓縮空氣儲能的性能和效率有很大影響。研究表明，在壓縮空氣的不同熱力循環(huán)中，絕熱循環(huán)壓縮耗功最多且膨脹放功最少、等溫循環(huán)壓縮耗功最少且膨脹放功最多，理論上等溫循環(huán)不會有能量損失，效率可達(dá)100%。等溫壓縮空氣儲能則是通過控溫技術(shù)，使得空氣在壓縮和釋放膨脹過程中的溫度盡可能實(shí)現(xiàn)等溫，從而提升系統(tǒng)效率，其對比絕熱壓縮空氣儲能的優(yōu)勢就在于擁有更高的理論效率。

液態(tài)壓縮空氣儲能技術(shù)是將空氣壓縮成液態(tài)，其密度是氣態(tài)空氣的800倍，大大減小空氣體積，有利于突破地理?xiàng)l件的制約，在選址建設(shè)方面有著很大的優(yōu)勢。超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)是在超臨界狀態(tài)下，空氣具有接近液體和氣體的雙重特性，密度大、傳熱好、粘度小且擴(kuò)散系數(shù)大，因此超臨界壓縮空氣儲能同時具備高能量密度和高效率的優(yōu)點(diǎn)。等溫壓縮空氣、液態(tài)壓縮空氣、超臨界壓縮空氣3種儲能技術(shù)理論上均比絕熱壓縮空氣儲能更有優(yōu)勢，但現(xiàn)階段尚不成熟，未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

壓縮空氣儲能的工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外均已實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣儲能技術(shù)的工程應(yīng)用。國外的工程應(yīng)用案例較早，1975年德國開始在Huntorf建造壓縮空氣儲能電站，由于該區(qū)域在之前就已使用鹽腔儲存，且擁有大量工程，在利用鹽腔儲氣方面技術(shù)相對成熟，同時積累了豐富的地質(zhì)資料，因而這座壓縮空氣儲能電站就是在此基礎(chǔ)上利用兩個鹽穴作為儲氣庫建造而成，并在1978年實(shí)現(xiàn)商用，整體運(yùn)行效率達(dá)42%；1991年美國在Alabama也建立了壓縮空氣儲能電站，依舊是使用鹽穴作為儲氣庫，但因其增加了壓縮熱收集利用裝置，整體的運(yùn)行效率得到了提升，增長至54%。

我國擁有豐富的鹽穴資源，可利用空間巨大，且使用成本低，大多數(shù)鹽穴在造腔后可達(dá)到良好的密封性[8]。山東泰安肥城10MW的壓縮空氣儲能電站是國內(nèi)首座并網(wǎng)的壓縮空氣儲能的商業(yè)電站，2021年8月4日首次送電成功，該電站利用了肥城地區(qū)密閉性好、穩(wěn)定性高的地下鹽穴腔作為儲氣庫，在電網(wǎng)低負(fù)荷時將空氣壓縮至鹽穴，電網(wǎng)高負(fù)荷時釋放高壓氣體進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的“削峰填谷”作用，兼具調(diào)相、應(yīng)急響應(yīng)、黑啟動等功能，是我國鹽穴壓縮空氣儲能領(lǐng)域的重要里程碑，具有重大意義。

2021年9月30日，江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家示范項(xiàng)目并網(wǎng)試驗(yàn)成功，該項(xiàng)目由中鹽集團(tuán)控股、華能和清華控股公司參股建設(shè)，一期工程為60MW的發(fā)電裝機(jī)，是世界上第一個非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，標(biāo)志著我國新型儲能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得重大突破。2022年5月26日，江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站正式投產(chǎn)。

2021年12月31日，河北張家口的國際首套100MW先進(jìn)壓縮空氣儲能國家示范項(xiàng)目送電成功。該項(xiàng)目的規(guī)模為100MW，系統(tǒng)的設(shè)計效率達(dá)70.4%，該項(xiàng)目建成后，可推動大規(guī)模壓縮空氣儲能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2022年7月26日，我國首套300MW級壓縮空氣儲能示范工程在湖北應(yīng)城舉行開工儀式，采用非補(bǔ)燃高壓熱水儲熱中溫絕熱壓縮技術(shù)，核心技術(shù)指標(biāo)效率達(dá)70%。

2022年9月28日，全球最大規(guī)模350MW鹽穴壓縮空氣儲能項(xiàng)目———山東泰安2×300MW級壓縮空氣儲能創(chuàng)新示范工程開工。該項(xiàng)目采用全球首創(chuàng)低熔點(diǎn)熔融鹽高溫絕熱壓縮技術(shù)，建成后在壓縮空氣儲能領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)單機(jī)功率、轉(zhuǎn)換效率及儲能規(guī)模全球第一。

肥城300兆瓦鹽穴壓縮空氣儲能國家示范項(xiàng)目

以中儲國能（北京）技術(shù)有限公司投資建設(shè)的肥城300兆瓦鹽穴壓縮空氣儲能國家示范項(xiàng)目為例，在用電低谷時，儲能系統(tǒng)利用電能驅(qū)動電動機(jī)帶動壓縮機(jī)，將空氣壓縮并儲存在地下鹽穴中，這個過程中產(chǎn)生的壓縮熱被儲存在球罐中；在用電高峰時，則釋放鹽穴內(nèi)的高壓空氣，經(jīng)儲存的壓縮熱預(yù)熱升溫后，驅(qū)動膨脹機(jī)帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，再把電力送到電網(wǎng)，配合電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰。

第一步電動機(jī)帶動壓縮機(jī)將空氣壓縮

應(yīng)用全三維設(shè)計與變工況調(diào)節(jié)技術(shù)，研制出的多級寬負(fù)荷壓縮機(jī)，具有高壓比、大流量、變工況范圍寬、壓縮與蓄熱傳熱耦合的技術(shù)優(yōu)勢。

第二步球罐回收儲存壓縮熱

應(yīng)用陣列式高效蓄熱換熱器設(shè)計技術(shù)，攻克低溫差、小壓損、變工況運(yùn)行、陣列化調(diào)控等技術(shù)難題，研制出的300兆瓦蓄熱裝置具有效率高、儲熱密度大、經(jīng)濟(jì)性好、安全穩(wěn)定等優(yōu)勢。

第三步地下鹽穴儲存高壓空氣

鹽穴是地下鹽層中的人工洞穴，通過注水控制巖鹽溶解而形成。根據(jù)技術(shù)規(guī)范和地質(zhì)條件，容積可達(dá)幾十萬立方米甚至上百萬立方米。根據(jù)不同深度，這些洞穴可以在高達(dá)20兆帕的壓力下運(yùn)行，從而儲存大量氣體，鹽的特性也使得鹽穴能夠長期穩(wěn)定且不透氣。

第四步釋放、加熱鹽穴內(nèi)高壓空氣，驅(qū)動膨脹機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電

應(yīng)用多級高負(fù)荷透平膨脹機(jī)設(shè)計技術(shù)，攻克全三維設(shè)計、復(fù)雜軸系結(jié)構(gòu)、動態(tài)調(diào)節(jié)與控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出的300兆瓦級膨脹機(jī)，具有負(fù)荷高、流量大、流動傳熱復(fù)雜等特點(diǎn)。

壓縮空氣儲能發(fā)展趨勢分析

壓縮空氣儲能（CAES）是另一種能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和長時間電能存儲的技術(shù)。它在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期用電能將空氣高壓密封在礦井、氣井、山洞或儲氣罐中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲能技術(shù)成熟，在規(guī)模上僅次于抽水蓄能，如德國一座電站的規(guī)模達(dá)到290MW。傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)必須同燃?xì)廨啓C(jī)電站配套使用，依賴燃燒化石燃料提供熱源，而且需要特定的地理?xiàng)l件建造大型儲氣室，從而限制了其應(yīng)用范圍。

一、技術(shù)性能需要進(jìn)一步提升

目前，新型壓縮空氣儲能最高效率為60%左右，同300兆瓦級抽水蓄能的效率70%-75%相比尚有提升空間；其系統(tǒng)最大規(guī)模為10兆瓦，尚未達(dá)到傳統(tǒng)壓縮空氣儲能100兆瓦規(guī)模；其單位成本約為6000-10000元/千瓦暨1500-2500元/千瓦時，仍有下降空間。

二、系統(tǒng)規(guī)模需進(jìn)一步增大

大規(guī)模化是壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的新型壓縮空氣儲能技術(shù)規(guī)模偏?。?-10兆瓦），還不能滿足規(guī)?；徒?jīng)濟(jì)性的要求。因此，迫切需要啟動更大規(guī)模（100兆瓦級）的新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)，預(yù)計100兆瓦級新型壓縮空氣儲能技術(shù)的效率可以提高到70%，其單位成本可降為約為4000元/千瓦左右暨1000元/千瓦時左右。

三、示范和應(yīng)用亟需加強(qiáng)

新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少，不能滿足技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的示范需求，迫切需要政府、企業(yè)加強(qiáng)政策引導(dǎo)、加大資金支持。目前尚未形成系統(tǒng)的電價補(bǔ)償和激勵政策，抽水蓄能的有關(guān)政策也不適用壓縮空氣儲能，全球商業(yè)運(yùn)行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲能技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

隨著能源革命的逐步深入，儲能技術(shù)不斷發(fā)展，大規(guī)模壓縮空氣儲能示范項(xiàng)目的陸續(xù)建成，壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入發(fā)展快車道。相信在政府正確組織和領(lǐng)導(dǎo)下，在良好的政策環(huán)境下，在科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的共同努力下，壓縮空氣儲能技術(shù)一定會持續(xù)健康發(fā)展，快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

原標(biāo)題：壓縮空氣儲能，這一賽道前景到底如何?