壓縮空氣儲能技術的發(fā)展和應用研究

電能是人類生產(chǎn)、生活所必需的一種最重要的能量形式，已被廣泛應用在動力、照明、化學、紡織、通信、廣播等各個領域，是科學技術發(fā)展和經(jīng)濟飛躍的主要動力。隨著用電需求范圍的擴大和電力需求總量的增加，電能的生產(chǎn)和利用產(chǎn)生了時間和空間的矛盾。時間維度上，白天的城市非?；钴S，用電量很大，早晚還會出現(xiàn)用電高峰。到了夜晚，隨著人們生產(chǎn)活動的停止，用電量也隨之減少，但承載大部分城市用電的煤電機組卻無法在一天內(nèi)跟隨人類日出而作、日落而息?？臻g維度上，我國西北部風能和太陽能豐富的地區(qū)往往能夠產(chǎn)生大量的可再生能源電力，但經(jīng)濟發(fā)達的中東部地區(qū)卻是用電的高需求地區(qū)。這種電力在生產(chǎn)和利用上的時空錯位問題迫切呼喚新的能源技術來提供解決方案。

壓縮空氣儲能將用電低谷時段或可再生能源電力豐富地區(qū)的過剩電能轉化成空氣的壓力勢能，在用電高峰時段或電力貧瘠且電能消耗大的地區(qū)將空氣的勢能轉化成電能，并且是一種大規(guī)模儲能技術。它以綠色、豐富、取用方便的空氣作為介質(zhì)，將電能利用的時空矛盾問題巧妙解決，同時還能將可再生能源發(fā)出的間歇性電力拼接起來，改善電能的質(zhì)量。壓縮空氣儲能技術安全、高效、低碳，且不受自然條件的限制，是能源和電力領域的一項重要的應用技術。

隨著科技的發(fā)展，儲能技術可以應對不同應用場景的需求，技術發(fā)展也越來越精細化。對于電網(wǎng)側峰谷差調(diào)節(jié)、可再生能源消納的技術問題，必須用大規(guī)模的儲能技術來解決。目前的各類儲能技術中，能夠?qū)崿F(xiàn)100 MW及其以上功率等級應用的技術，主要包括抽水蓄能和壓縮空氣儲能兩種技術門類。但抽水蓄能技術存在天然的地理條件限制，需要上下兩個大型水庫作為蓄水池，才能實現(xiàn)水的重力勢能的存儲與釋放。地理條件的特殊要求和移民等問題使得抽水蓄能電站無法自由建設。此外，在我國抽水蓄能用于電網(wǎng)側進行可再生能源電力消納時，存在地域能源儲備的匹配問題。我國的西北部地區(qū)風、光資源豐富，迫切需要大規(guī)模儲能技術對可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的過剩電力進行有效的消納，但中東部地區(qū)因水力資源豐富更適合建設抽水蓄能電站，這種天然的地理資源的不匹配在一定程度上限制了抽水蓄能的發(fā)展。因此，壓縮空氣儲能技術的發(fā)展和應用已成為行業(yè)發(fā)展的迫切需要。

壓縮空氣儲能具有儲能容量大、儲能周期長、投資小等優(yōu)點，被認為是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術之一。

1、傳統(tǒng)的壓縮空氣儲存系統(tǒng)在大規(guī)模推廣的過程當中遇到了幾個挑戰(zhàn)。第一個問題是依賴于大型的儲氣洞穴，第二個依賴于化石燃料提高提供熱量，第三個，由于德國和美國這兩個壓縮空氣儲存系統(tǒng)都是由原來的燃氣輪機改造而來，系統(tǒng)還沒有很好的優(yōu)化設計，所以系統(tǒng)的效率偏低，只有40%-50%。所以提高儲能密度，提高效率，消除對化石燃料的依賴，是壓縮空氣儲能的發(fā)展要求，也是發(fā)展趨勢。

2、我們的總體思路就是通過壓縮熱的回收再利用，消除對化石燃料的依賴。通過系統(tǒng)的過程耦合匹配高效的壓縮膨脹，超臨界的蓄能換熱來提高系統(tǒng)的效率。通過空氣的高壓或者液態(tài)存儲來提高儲存密度，消除對大型儲氣洞穴的依賴。這就是我們所講的先進的壓縮空氣儲存系統(tǒng)的總體思路，通過這三個手段三個方法，從而解決制約壓縮空氣儲能發(fā)展的三個主要的技術方面的挑戰(zhàn)。

3、2021年的8月4號實現(xiàn)了中國首個壓縮空氣質(zhì)的商業(yè)電站的并網(wǎng)運行。這也是中國首個延續(xù)壓縮空氣組成的國家示范項目。通過了國家重點研發(fā)計劃的專家組的驗收，系統(tǒng)額定效率達到了60.7%。并在 2021年的12月31號建成了國際首套的 100 兆瓦的先進壓縮空氣儲能的商業(yè)電站，并在經(jīng)過調(diào)試后在 2022年的 9月30號實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。這也是國際首個百兆級的壓縮空氣儲能的國家級的示范項目。

4、我們正在做的工作是 300 兆瓦的先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)，主要突破 5 個關鍵技術系統(tǒng)的設計、壓縮機、膨脹機、蓄熱放熱器和系統(tǒng)的集成控制。爭取通過我們的努力，建成國際首套的具有完全自知產(chǎn)權的 300 兆的先進壓縮空氣儲能的示范電站。使我國壓縮空氣儲能的水平提升、規(guī)模再增加 3 倍，效率在提高3%-5%，成本在下降20%-30%。

先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用電網(wǎng)低谷電或可再生能源的間歇式電能將空氣壓縮(同時存儲壓縮熱)，并將空氣高壓或液化儲存(儲能)；在用電高峰或電力資源短缺時，高壓/液態(tài)空氣加壓，并進一步吸收壓縮熱后通過透平膨脹機驅(qū)動電機發(fā)電(釋能)，在此過程中一些廢熱可以被回收以提高系統(tǒng)效率。先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢：首先，由于空氣的高壓/液態(tài)存儲，空氣儲罐的體積大大縮小，可以縮短建設周期，更重要的是可以不受地理條件限制，克服了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的一個主要瓶頸；第二，由于采用必要的儲熱儲冷設備，將空氣壓縮過程的壓縮熱存儲回收，從而不再需要燃燒燃料提供熱源，解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的另一個主要瓶頸；第三，由于超臨界傳熱/冷卻過程中冷熱源之間的溫差可以做到很小，同時由于采用儲熱、儲冷設備，系統(tǒng)儲能和釋能過程的熱和冷均能很好地回收；第四，先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)不涉及化石燃料的燃燒，不排放任何有害物質(zhì)，而且空氣壓縮過程中很容易去除其中的有害物質(zhì)如CO2、SOx、NOx等，從而改善大氣質(zhì)量

審核編輯：郭婷