【壓縮機(jī)網(wǎng)】引言

　　儲(chǔ)能技術(shù)是解決可再生能源大規(guī)模接入、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的迫切需要，被稱(chēng)為能源革命的支撐技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。截至2017年底，我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)為28.9吉瓦，約占全國(guó)電力總裝機(jī)的1.6%，遠(yuǎn)低于世界2.7%的平均水平。預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)將達(dá)到200吉瓦以上，占發(fā)電總量的10%～15%，市場(chǎng)需求巨大而迫切。壓縮空氣儲(chǔ)能具有規(guī)模大、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。

 

　　傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

　　傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在用電低谷，將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能存儲(chǔ)起來(lái)；在用電高峰，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電，如圖1。

        目前已在德國(guó)（Huntorf 290兆瓦）和美國(guó)（McIntosh110兆瓦）得到了商業(yè)應(yīng)用。但是傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)存在三個(gè)主要技術(shù)瓶頸，一是依賴(lài)天然氣等化石燃料提供熱源；二是需要依賴(lài)大型儲(chǔ)氣洞穴，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等；三是系統(tǒng)效率較低，Huntorf和McIntosh電站效率分別為42%和54%。

 

　　新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

　　為解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)工作，包括絕熱壓縮空氣、蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能及等溫壓縮空氣儲(chǔ)能（不使用燃料）、液態(tài)空氣儲(chǔ)能（不使用大型儲(chǔ)氣洞穴）、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能和先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能（不使用大型儲(chǔ)氣洞穴、不使用燃料）等。目前，國(guó)際上已建成兆瓦級(jí)新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范的機(jī)構(gòu)共4家，分別是英國(guó)Highview公司（2兆瓦液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，2010年）、美國(guó)SustainX公司（1.5兆瓦等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，2013年）、美國(guó)GeneralCompression公司（2兆瓦蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，2012年）和中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所（1.5兆瓦超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，2013年和10兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，2016年）。其中，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于2016年建成國(guó)際首套10兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達(dá)60.2%，是全球目前效率最高規(guī)模最大的新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，目前中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所正在研發(fā)國(guó)際首套100兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2020年左右建成。

　　代表性新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)包括：

　?。ㄒ唬┙^熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)在儲(chǔ)能時(shí)，通過(guò)壓縮機(jī)將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)后，利用儲(chǔ)熱系統(tǒng)將壓縮熱儲(chǔ)存，空氣降溫并儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。釋能時(shí)，將高壓空氣釋放，利用儲(chǔ)存的壓縮熱使空氣升溫，然后推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電，如圖2。

       該系統(tǒng)回收壓縮熱再利用，使效率得到了提高，同時(shí)去除了燃燒室，實(shí)現(xiàn)了零排放，但壓縮過(guò)程能耗較高，由于壓縮機(jī)出口的空氣溫度高，對(duì)設(shè)備材料要求高。

　?。ǘ┬顭崾綁嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)同絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的區(qū)別在于該系統(tǒng)在壓縮過(guò)程級(jí)間換熱及儲(chǔ)熱，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能在全部壓縮過(guò)程結(jié)束后儲(chǔ)熱，如圖3。

      相較于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)熱溫度及儲(chǔ)能密度較低，但其壓縮機(jī)耗能減小，且對(duì)于壓縮機(jī)材料要求不高。該系統(tǒng)缺點(diǎn)在于增加了多級(jí)換熱及儲(chǔ)熱，系統(tǒng)初投資有所增加。

　?。ㄈ┑葴貕嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)采用一定措施（如活塞、噴淋、底部注氣等），通過(guò)比熱容大的液體（水或者油）提供近似恒定的溫度環(huán)境，增大氣液接觸面積和接觸時(shí)間，使空氣在壓縮和膨脹過(guò)程中無(wú)限接近于等溫過(guò)程，將熱損失降到最低，從而提高系統(tǒng)效率，如圖4。

       此外，該系統(tǒng)不需要補(bǔ)燃，擺脫了對(duì)化石燃料的依賴(lài)，但未擺脫對(duì)大型儲(chǔ)氣洞穴的依賴(lài)。

　?。ㄋ模┮簯B(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)的技術(shù)。儲(chǔ)能時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)空氣分離及液化裝置，產(chǎn)生液化空氣，儲(chǔ)存于低溫儲(chǔ)罐中；釋能時(shí)，將低溫儲(chǔ)罐中液態(tài)空氣加壓吸熱，隨后驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電，如圖5。

      由于空氣的液化存儲(chǔ)，大幅減少存儲(chǔ)裝置尺寸，從而不需要大型儲(chǔ)氣室。

　?。ㄎ澹┏R界壓縮空氣儲(chǔ)能

　　2009年，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所在國(guó)際上原創(chuàng)性地提出先進(jìn)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，可以同時(shí)解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的三大技術(shù)瓶頸。其工作原理是：儲(chǔ)能時(shí)，系統(tǒng)利用電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，在回收壓縮熱后利用存儲(chǔ)的冷能將其冷卻液化，并儲(chǔ)于低溫儲(chǔ)罐中；釋能時(shí)，液態(tài)空氣加壓回收冷量達(dá)到超臨界狀態(tài)，并進(jìn)一步吸收壓縮熱后通過(guò)透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電。該系統(tǒng)利用液態(tài)空氣存儲(chǔ)提高儲(chǔ)能密度，解決了對(duì)大型儲(chǔ)氣室的依賴(lài)；利用壓縮熱回收解決了對(duì)化石燃料的依賴(lài)，并進(jìn)一步提高了系統(tǒng)效率。

 

　　壓縮空氣儲(chǔ)能主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　（一）電力系統(tǒng)調(diào)峰

　　目前，每日的用電負(fù)荷是波動(dòng)變化的，且峰谷差日趨增大。壓縮空氣儲(chǔ)能作為大規(guī)模容量型儲(chǔ)能技術(shù)，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲(chǔ)存，在用電高峰釋放，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，減少發(fā)電裝機(jī)及電網(wǎng)容量，提升電力系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性。

　　（二）可再生能源

　　可再生能源具有間歇性、不穩(wěn)定性，直接發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，故棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。壓縮空氣儲(chǔ)能可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲(chǔ)存，再按照需求平穩(wěn)、可控的釋放，具有平滑波動(dòng)、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能，實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)。

　　（三）分布式能源系統(tǒng)

　　分布式能源系統(tǒng)是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。但其相較于大電網(wǎng)，具有負(fù)荷波動(dòng)大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等缺點(diǎn)。壓縮空氣儲(chǔ)能可作為負(fù)荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問(wèn)題，提高系統(tǒng)的供電可靠性、穩(wěn)定性，并可實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運(yùn)行。

　?。ㄋ模╇娏ο到y(tǒng)調(diào)頻

　　壓縮空氣儲(chǔ)能電站可以同燃?xì)廨啓C(jī)電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統(tǒng)調(diào)頻的作用。當(dāng)該電站與其它儲(chǔ)能技術(shù)如超級(jí)電容、飛輪、化學(xué)電池等相結(jié)合，調(diào)頻速度會(huì)更快更有效。

　?。ㄎ澹┢渌鼞?yīng)用

　　壓縮空氣儲(chǔ)能在其它領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如為汽車(chē)、高爾夫球車(chē)等移動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力；作為不間斷電源（UPS），為數(shù)據(jù)機(jī)房、精密儀器制造、醫(yī)療設(shè)施、國(guó)防設(shè)施等提供保障性電源；經(jīng)膨脹機(jī)做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經(jīng)過(guò)凈化，可用于空調(diào)系統(tǒng)為建筑提供新風(fēng)和冷量。

 

　　壓縮空氣儲(chǔ)能挑戰(zhàn)及前景

　?。ㄒ唬┘夹g(shù)性能需要進(jìn)一步提升

　　目前，新型壓縮空氣儲(chǔ)能最高效率為60%左右，同300兆瓦級(jí)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(chǔ)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(shí)，仍有下降空間。

　　（二）系統(tǒng)規(guī)模需進(jìn)一步增大

　　大規(guī)?；菈嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，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(chǔ)能技術(shù)規(guī)模偏小（1～10兆瓦），還不能滿(mǎn)足規(guī)?；徒?jīng)濟(jì)性的要求。因此，迫切需要啟動(dòng)更大規(guī)模（100兆瓦級(jí)）的新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)，預(yù)計(jì)100兆瓦級(jí)新型壓縮空氣儲(chǔ)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(shí)左右。

　?。ㄈ┦痉逗蛻?yīng)用亟需加強(qiáng)

　　新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少，不能滿(mǎn)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(jià)補(bǔ)償和激勵(lì)政策，抽水蓄能的有關(guān)政策也不適用壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

　　隨著能源革命的逐步深入，儲(chǔ)能技術(shù)不斷發(fā)展，大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的陸續(xù)建成，壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入發(fā)展快車(chē)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(chǔ)能技術(shù)一定會(huì)持續(xù)健康發(fā)展，快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

來(lái)源：壓縮機(jī)雜志第157期綜述欄目