【壓縮機網(wǎng)】儲能技術(shù)解決的主要問題有三個，即增強可再生能源的消納、提高電網(wǎng)性能、構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)在的儲能方式多種多樣，主要可分為物理儲能和化學(xué)儲能。其中，可以得到大規(guī)模應(yīng)用的是抽水蓄能、電池儲能和壓縮空氣儲能。抽水蓄能會受到地理條件和氣候的限制，需要具有一定高度的地勢差，而且在北方氣溫特別低的地區(qū)，冬天水可能會結(jié)冰。電池儲能發(fā)展的勢頭很好，但面臨的主要難題是安全性，壽命和環(huán)保問題，未來將會受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
壓縮空氣儲能技術(shù)路線
壓縮空氣儲能技術(shù)（compressed air energy storage），簡稱CAES，是一種利用壓縮空氣來儲能的技術(shù)。其工作原理是，在用電低谷時段，利用電能將空氣壓縮至高壓并存于洞穴或壓力容器中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣能存儲起來；在用電高峰時段，將高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室燃燒利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動渦輪機發(fā)電。
壓縮機：將空氣壓縮，將電能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能，空氣壓力可達(dá)70-100bar，溫度可達(dá)1000℃。
冷卻器：熱交換設(shè)備，用于存入壓力容器前的冷卻，防止空氣在壓力容器或洞穴中壓力減少。
壓力容器：存儲冷卻后的空氣，若采用洞穴存儲，則需要滿足耐壓程度較高、密封性較好的地質(zhì)條件。
回?zé)崞鳎簾峤粨Q設(shè)備或燃燒室，將空氣溫度提高至1000℃左右，使渦輪機持續(xù)長時間穩(wěn)定運行，以便于提高渦輪機效率。
渦輪機：空氣通過渦輪機降壓，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能。
發(fā)電機：多為同步發(fā)電機，將動能轉(zhuǎn)化為電能。
壓縮空氣儲能技術(shù)多種多樣，主要可劃分為三種類型，即外熱源型、絕熱型和等溫型。外熱源型指的是壓縮熱由冷卻水帶走，透平進(jìn)氣靠外熱源預(yù)熱；絕熱型指的是壓縮熱由蓄熱介質(zhì)存儲，用于預(yù)熱透平進(jìn)氣，系統(tǒng)不用引入外熱源；等溫型是一種理想的形式，結(jié)合噴射水霧技術(shù)，實現(xiàn)近等溫壓縮和膨脹。目前等溫型的技術(shù)還不成熟。
它有兩條技術(shù)路線。一是壓縮空氣儲能，它的優(yōu)點就是發(fā)電功率比較大，但缺點就是儲能密度比較低，需要很大的空氣存儲空間，而且儲氣室壓力會產(chǎn)生很大波動。二是液態(tài)空氣儲能技術(shù)，它是把空氣液化，具有比較高的儲能密度，不受地理條件限制，可以實現(xiàn)液態(tài)空氣的低溫常壓存儲，壓力穩(wěn)定。壓縮空氣儲能技術(shù)的原理并不復(fù)雜，即在儲能階段，利用間歇性可再生能源或電網(wǎng)夜間低谷電驅(qū)動壓縮機壓縮空氣，將電能以高壓空氣的形式儲存在儲氣室中，同時存儲壓縮熱；在釋能階段，高壓空氣經(jīng)過節(jié)流閥穩(wěn)壓后，通過不同預(yù)熱方式加熱，產(chǎn)生高壓高溫氣體驅(qū)動空氣透平旋轉(zhuǎn)做功，帶動發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)。
壓縮空氣儲能技術(shù)優(yōu)缺點
隨著儲能需求的不斷增長，壓縮空氣儲能作為儲能量級唯一可與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲能，技術(shù)正越來越受到青睞。其優(yōu)點如下：
● 快速啟動時間（<15分鐘）
● 能量密度和功率密度較高
● 具備黑啟動能力
● 日常運營成本低
● 地球表面的地下儲存空間大
● 設(shè)備的使用壽命長，損耗低
● 壓縮空氣自放電率低
● 對于絕熱壓縮空氣其系統(tǒng)效率較高（70-75％），且不需要借助傳統(tǒng)化石能源加熱壓縮空氣，能夠真正做到碳中和。
壓縮空氣儲能技術(shù)具有調(diào)頻（二次和三次調(diào)頻），電壓調(diào)節(jié)，峰值負(fù)載調(diào)節(jié)，負(fù)載平衡，靜止儲備，黑啟動能力，未來應(yīng)用空間十分巨大，且該項技術(shù)有良好的區(qū)域相關(guān)性，在我國三北地區(qū)有巨大發(fā)展?jié)摿Γ瑫r可用于海上風(fēng)電儲能（北海鹽洞）。然而，壓縮空氣儲能但同時也受各方面因素約束，如：
● 投資成本高，投資回報長（投資回報> 25年）
● 建成系統(tǒng)，必須滿足某些地質(zhì)條件（壓力密封洞穴），且鹽洞成本較高
● 對于絕熱系統(tǒng)，蓄熱器自放電率高
●對于非絕熱系統(tǒng)效率又比較低（<55％）
而且這項技術(shù)經(jīng)驗不足，目前僅運行兩個（較舊的）非絕熱壓縮空氣儲能項目。分散存儲系統(tǒng)的競爭日益激烈，在小規(guī)模儲能容量下，這項技術(shù)的競爭力暫時不足以與其它技術(shù)相媲美。
除了上述因素，壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展了這么多年，最大的難題之一就是壓縮空氣的存儲技術(shù)。大功率儲能電站和電網(wǎng)結(jié)合的時候，壓縮空氣的存儲量是巨大的。壓縮空氣目前的主要存儲方式是采用地下的巖穴。巖穴的儲氣量大，但放氣過程中氣體壓力越來越低，為了保持恒定的壓力，需要采用節(jié)流閥來穩(wěn)壓。有的學(xué)者提出了恒壓存儲的方式，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尚無應(yīng)用。
此外傳統(tǒng)的空氣壓縮系統(tǒng)，系統(tǒng)效率僅為40%-55%，相比抽水蓄能的80%，效率較低。由其原理可以知道，壓縮空氣儲能很大一部分能量，在壓縮空氣過程中轉(zhuǎn)化為熱能，沒有得到有效利用，這是導(dǎo)致這項技術(shù)效率低下的重要原因。要想提高壓縮空氣系統(tǒng)效率，可以將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量通過儲熱器存儲起來，待發(fā)電過程中用這部分熱量預(yù)熱壓縮空氣，可以達(dá)到回收熱量的目的，這一改進(jìn)技術(shù)，稱為絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)（AA-CAES）。目前這一系統(tǒng)仍未有實際示范項目投入運行，該系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)是如何保證儲熱器的儲熱時常以及如何能做到更經(jīng)濟(jì)合理的系統(tǒng)設(shè)計。
為了解決空氣存儲的難題，很多學(xué)者提出低溫液態(tài)空氣儲能技術(shù)，它本質(zhì)上是林德液化循環(huán)和朗肯動力循環(huán)的結(jié)合。它的工作原理是在儲能階段，利用間歇性可再生能源或電網(wǎng)夜間低谷電驅(qū)動壓縮機壓縮空氣，高壓空氣經(jīng)蓄冷器預(yù)冷后節(jié)流液化，將電能以常壓低溫液態(tài)空氣形式儲存，同時存儲壓縮熱；在釋能階段，液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵增壓后，通過蓄冷器儲存冷量并氣化，經(jīng)不同預(yù)熱方式加熱，產(chǎn)生高壓高溫氣體驅(qū)動空氣透平旋轉(zhuǎn)做功，帶動發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)。它的儲氣占地面積是空氣儲能的1/15，對儲能應(yīng)用的靈活性有很大的幫助。
世界第一座液態(tài)空氣儲能示范工程是英國的伯明翰大學(xué)和Highview公司完成的，裝機功率350kW/2.5 MWh，他們現(xiàn)在在建的是5MW時和15MWh的示范工程，規(guī)劃在英國做250MWh的系統(tǒng)。中國在廊坊園區(qū)建了100kW/100kWh的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)。
空氣儲能技術(shù)未來的發(fā)展方向可能是作為一個能源基站，吸收棄風(fēng)電，啟光伏電，低谷電和中低溫余熱，根據(jù)需求靈活地選擇把電反饋到電網(wǎng)中，還是提供冷、熱、氣。中科院在前期500kW壓縮空氣儲能和100 kW液態(tài)空氣儲能技術(shù)的積累下，正在籌建10MW/100MWh的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)。未來在規(guī)劃一個百兆瓦級的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供。
壓縮空氣儲能案例
早在20世紀(jì)40年代，國外學(xué)者就提出了壓縮空氣儲能的概念，當(dāng)時儲能沒有那么大的需求，所以這個技術(shù)沒有得到快速的發(fā)展。到了20世紀(jì)60年代，由于大型核電和火電的興起，電網(wǎng)具有削峰填谷的需求，很多國家開始研發(fā)這種技術(shù)。1978年德國Huntorf建造了世界首座290MW的壓縮空氣儲能電站，1991年美國Mcintosh建造了世界第二座110MW的壓縮空氣儲能電站。2003年法國阿爾斯通公司為了避免化石燃料的使用，提出了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，通過存儲高溫壓縮熱，實現(xiàn)了電能的綠色存儲。2010年美國ESPC公司提出燃?xì)廨啓C和壓縮空氣儲能聯(lián)合循環(huán)。
Huntorf是德國1978年投入商業(yè)運行的電站，目前仍在運行中，是世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站。機組的壓縮機功率60MW，釋能輸出功率為290MW，最長額定輸出時間為2小時。系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)10MPa。機組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動并網(wǎng)5000多次，平均啟動可靠性97.6%。電站采用天然氣補燃方案，實際運行效率約為42%，扣除補燃后的實際效率為19%。
美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站1991年投入商業(yè)運行，是世界上第二座投入運營的商業(yè)壓縮空氣儲能電站。該系統(tǒng)壓縮機組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW。儲氣洞穴在地下450m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa?？梢詫崿F(xiàn)連續(xù)41h空氣壓縮和26h發(fā)電，機組從啟動到滿負(fù)荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動控制。與Huntorf類似的是，仍然采用天然氣補燃，實際運行效率約為54%，扣除補燃后的實際效率20%。
壓縮空氣儲能技術(shù)路線
壓縮空氣儲能技術(shù)（compressed air energy storage），簡稱CAES，是一種利用壓縮空氣來儲能的技術(shù)。其工作原理是，在用電低谷時段，利用電能將空氣壓縮至高壓并存于洞穴或壓力容器中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣能存儲起來；在用電高峰時段，將高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室燃燒利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動渦輪機發(fā)電。
壓縮機：將空氣壓縮，將電能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能，空氣壓力可達(dá)70-100bar，溫度可達(dá)1000℃。
冷卻器：熱交換設(shè)備，用于存入壓力容器前的冷卻，防止空氣在壓力容器或洞穴中壓力減少。
壓力容器：存儲冷卻后的空氣，若采用洞穴存儲，則需要滿足耐壓程度較高、密封性較好的地質(zhì)條件。
回?zé)崞鳎簾峤粨Q設(shè)備或燃燒室，將空氣溫度提高至1000℃左右，使渦輪機持續(xù)長時間穩(wěn)定運行，以便于提高渦輪機效率。
渦輪機：空氣通過渦輪機降壓，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能。
發(fā)電機：多為同步發(fā)電機，將動能轉(zhuǎn)化為電能。
壓縮空氣儲能技術(shù)多種多樣，主要可劃分為三種類型，即外熱源型、絕熱型和等溫型。外熱源型指的是壓縮熱由冷卻水帶走，透平進(jìn)氣靠外熱源預(yù)熱；絕熱型指的是壓縮熱由蓄熱介質(zhì)存儲，用于預(yù)熱透平進(jìn)氣，系統(tǒng)不用引入外熱源；等溫型是一種理想的形式，結(jié)合噴射水霧技術(shù)，實現(xiàn)近等溫壓縮和膨脹。目前等溫型的技術(shù)還不成熟。
它有兩條技術(shù)路線。一是壓縮空氣儲能，它的優(yōu)點就是發(fā)電功率比較大，但缺點就是儲能密度比較低，需要很大的空氣存儲空間，而且儲氣室壓力會產(chǎn)生很大波動。二是液態(tài)空氣儲能技術(shù)，它是把空氣液化，具有比較高的儲能密度，不受地理條件限制，可以實現(xiàn)液態(tài)空氣的低溫常壓存儲，壓力穩(wěn)定。壓縮空氣儲能技術(shù)的原理并不復(fù)雜，即在儲能階段，利用間歇性可再生能源或電網(wǎng)夜間低谷電驅(qū)動壓縮機壓縮空氣，將電能以高壓空氣的形式儲存在儲氣室中，同時存儲壓縮熱；在釋能階段，高壓空氣經(jīng)過節(jié)流閥穩(wěn)壓后，通過不同預(yù)熱方式加熱，產(chǎn)生高壓高溫氣體驅(qū)動空氣透平旋轉(zhuǎn)做功，帶動發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)。
壓縮空氣儲能技術(shù)優(yōu)缺點
隨著儲能需求的不斷增長，壓縮空氣儲能作為儲能量級唯一可與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲能，技術(shù)正越來越受到青睞。其優(yōu)點如下：
● 快速啟動時間（<15分鐘）
● 能量密度和功率密度較高
● 具備黑啟動能力
● 日常運營成本低
● 地球表面的地下儲存空間大
● 設(shè)備的使用壽命長，損耗低
● 壓縮空氣自放電率低
● 對于絕熱壓縮空氣其系統(tǒng)效率較高（70-75％），且不需要借助傳統(tǒng)化石能源加熱壓縮空氣，能夠真正做到碳中和。
壓縮空氣儲能技術(shù)具有調(diào)頻（二次和三次調(diào)頻），電壓調(diào)節(jié)，峰值負(fù)載調(diào)節(jié)，負(fù)載平衡，靜止儲備，黑啟動能力，未來應(yīng)用空間十分巨大，且該項技術(shù)有良好的區(qū)域相關(guān)性，在我國三北地區(qū)有巨大發(fā)展?jié)摿Γ瑫r可用于海上風(fēng)電儲能（北海鹽洞）。然而，壓縮空氣儲能但同時也受各方面因素約束，如：
● 投資成本高，投資回報長（投資回報> 25年）
● 建成系統(tǒng)，必須滿足某些地質(zhì)條件（壓力密封洞穴），且鹽洞成本較高
● 對于絕熱系統(tǒng)，蓄熱器自放電率高
●對于非絕熱系統(tǒng)效率又比較低（<55％）
而且這項技術(shù)經(jīng)驗不足，目前僅運行兩個（較舊的）非絕熱壓縮空氣儲能項目。分散存儲系統(tǒng)的競爭日益激烈，在小規(guī)模儲能容量下，這項技術(shù)的競爭力暫時不足以與其它技術(shù)相媲美。
除了上述因素，壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展了這么多年，最大的難題之一就是壓縮空氣的存儲技術(shù)。大功率儲能電站和電網(wǎng)結(jié)合的時候，壓縮空氣的存儲量是巨大的。壓縮空氣目前的主要存儲方式是采用地下的巖穴。巖穴的儲氣量大，但放氣過程中氣體壓力越來越低，為了保持恒定的壓力，需要采用節(jié)流閥來穩(wěn)壓。有的學(xué)者提出了恒壓存儲的方式，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尚無應(yīng)用。
此外傳統(tǒng)的空氣壓縮系統(tǒng)，系統(tǒng)效率僅為40%-55%，相比抽水蓄能的80%，效率較低。由其原理可以知道，壓縮空氣儲能很大一部分能量，在壓縮空氣過程中轉(zhuǎn)化為熱能，沒有得到有效利用，這是導(dǎo)致這項技術(shù)效率低下的重要原因。要想提高壓縮空氣系統(tǒng)效率，可以將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量通過儲熱器存儲起來，待發(fā)電過程中用這部分熱量預(yù)熱壓縮空氣，可以達(dá)到回收熱量的目的，這一改進(jìn)技術(shù)，稱為絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)（AA-CAES）。目前這一系統(tǒng)仍未有實際示范項目投入運行，該系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)是如何保證儲熱器的儲熱時常以及如何能做到更經(jīng)濟(jì)合理的系統(tǒng)設(shè)計。
為了解決空氣存儲的難題，很多學(xué)者提出低溫液態(tài)空氣儲能技術(shù)，它本質(zhì)上是林德液化循環(huán)和朗肯動力循環(huán)的結(jié)合。它的工作原理是在儲能階段，利用間歇性可再生能源或電網(wǎng)夜間低谷電驅(qū)動壓縮機壓縮空氣，高壓空氣經(jīng)蓄冷器預(yù)冷后節(jié)流液化，將電能以常壓低溫液態(tài)空氣形式儲存，同時存儲壓縮熱；在釋能階段，液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵增壓后，通過蓄冷器儲存冷量并氣化，經(jīng)不同預(yù)熱方式加熱，產(chǎn)生高壓高溫氣體驅(qū)動空氣透平旋轉(zhuǎn)做功，帶動發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)。它的儲氣占地面積是空氣儲能的1/15，對儲能應(yīng)用的靈活性有很大的幫助。
世界第一座液態(tài)空氣儲能示范工程是英國的伯明翰大學(xué)和Highview公司完成的，裝機功率350kW/2.5 MWh，他們現(xiàn)在在建的是5MW時和15MWh的示范工程，規(guī)劃在英國做250MWh的系統(tǒng)。中國在廊坊園區(qū)建了100kW/100kWh的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)。
空氣儲能技術(shù)未來的發(fā)展方向可能是作為一個能源基站，吸收棄風(fēng)電，啟光伏電，低谷電和中低溫余熱，根據(jù)需求靈活地選擇把電反饋到電網(wǎng)中，還是提供冷、熱、氣。中科院在前期500kW壓縮空氣儲能和100 kW液態(tài)空氣儲能技術(shù)的積累下，正在籌建10MW/100MWh的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)。未來在規(guī)劃一個百兆瓦級的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供。
壓縮空氣儲能案例
早在20世紀(jì)40年代，國外學(xué)者就提出了壓縮空氣儲能的概念，當(dāng)時儲能沒有那么大的需求，所以這個技術(shù)沒有得到快速的發(fā)展。到了20世紀(jì)60年代，由于大型核電和火電的興起，電網(wǎng)具有削峰填谷的需求，很多國家開始研發(fā)這種技術(shù)。1978年德國Huntorf建造了世界首座290MW的壓縮空氣儲能電站，1991年美國Mcintosh建造了世界第二座110MW的壓縮空氣儲能電站。2003年法國阿爾斯通公司為了避免化石燃料的使用，提出了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，通過存儲高溫壓縮熱，實現(xiàn)了電能的綠色存儲。2010年美國ESPC公司提出燃?xì)廨啓C和壓縮空氣儲能聯(lián)合循環(huán)。
Huntorf是德國1978年投入商業(yè)運行的電站，目前仍在運行中，是世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站。機組的壓縮機功率60MW，釋能輸出功率為290MW，最長額定輸出時間為2小時。系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)10MPa。機組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動并網(wǎng)5000多次，平均啟動可靠性97.6%。電站采用天然氣補燃方案，實際運行效率約為42%，扣除補燃后的實際效率為19%。
美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站1991年投入商業(yè)運行，是世界上第二座投入運營的商業(yè)壓縮空氣儲能電站。該系統(tǒng)壓縮機組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW。儲氣洞穴在地下450m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa?？梢詫崿F(xiàn)連續(xù)41h空氣壓縮和26h發(fā)電，機組從啟動到滿負(fù)荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動控制。與Huntorf類似的是，仍然采用天然氣補燃，實際運行效率約為54%，扣除補燃后的實際效率20%。
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