壓縮空氣儲能技術原理

陳海生，劉金超,2，郭 歡,2，徐玉杰，譚春青

（1中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2中國科學院大學，北京 100190）

儲能通過一定介質(zhì)存儲能量（主要是電能），在需要時將所存能量釋放，以提高能量系統(tǒng)的效率、安全性和經(jīng)濟性[1-2]。儲能是目前制約可再生能源大規(guī)模利用的最主要瓶頸之一，也是提高常規(guī)電力系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟性以及分布式能源系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的關鍵技術，因此成為了當前電力和能源領域的研發(fā)和投資熱點。

壓縮空氣儲能（compressed air energy storage,CAES）和抽水蓄能被公認為是比較適合大容量和長時間電能存儲的儲能系統(tǒng)[3]。壓縮空氣儲能系統(tǒng)通過壓縮空氣儲存多余的電能，在需要時，將高壓空氣釋放通過膨脹機做功發(fā)電。自從 1949年Stal Laval提出利用地下洞穴實現(xiàn)壓縮空氣儲能以來[4]，

國內(nèi)外學者開展了大量的研究和實踐工作，并已有兩座大型電站分別在德國和美國投入商業(yè)運行。另外日本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站正在建設過程中[5-7]。我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)雖然起步較晚，但已得到相關科研院所、電力企業(yè)和政府部門的高度重視，是目前大規(guī)模儲能技術的研發(fā)熱點[7]。

本文將對壓縮空氣儲能的技術原理和發(fā)展現(xiàn)狀做簡要講解。

1 技術原理

圖1 燃氣輪機系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of gas turbine

壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機技術提出的一種能量存儲系統(tǒng)。圖1為燃氣輪機的工作原理圖，空氣經(jīng)壓氣機壓縮后，在燃燒室中利用燃料燃燒加熱升溫，然后高溫高壓燃氣進入透平膨脹做功。燃氣輪機的壓氣機需消耗約2/3的透平輸出功，因此燃氣輪機的凈輸出功遠小于透平的輸出功。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機和透平不同時工作（圖2和圖3），在儲能時，壓縮空氣儲能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動透平發(fā)電。由于儲能、釋能分時工作，在釋能過程中，并沒有壓縮機消耗透平的輸出功，因此，相比于消耗同樣燃料的燃氣輪機系統(tǒng)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生2倍甚至更多的電力[3]。壓縮空氣儲能具有適用于大型系統(tǒng)（100 MW 級以上）、儲能周期不受限制、系統(tǒng)成本低、壽命長等優(yōu)點；但存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題。

壓縮空氣儲能的工作過程同燃氣輪機類似，如圖 4所示。假定壓縮和膨脹過程均為單級過程[圖4(a)]，則壓縮空氣儲能系統(tǒng)的工作過程主要包括如下4個。

（1）壓縮過程 1—2 空氣經(jīng)壓縮機壓縮到一定的高壓，并存于儲氣室；理想狀態(tài)下空氣壓縮過程為絕熱壓縮過程 1—2，實際過程由于不可逆損失為 1—2'。

圖2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of CAES

（2）加熱過程2—3 高壓空氣經(jīng)儲氣室釋放，同燃料燃燒加熱后變?yōu)楦邷馗邏旱目諝?；一般情況下，該過程為等壓吸熱過程。

（3）膨脹過程 3—4 高溫高壓的空氣膨脹，驅(qū)動透平發(fā)電；理想狀態(tài)下，空氣膨脹過程為絕熱膨脹過程3—4，實際過程由于不可逆損失為3—4′。

（4）冷卻過程 4—1 空氣膨脹后排入大氣，然后下次壓縮時經(jīng)大氣吸入；這個過程為等壓冷卻過程。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)同燃氣輪機系統(tǒng)的工作過程的主要區(qū)別在于：① 燃氣輪機系統(tǒng)上述4個過程連續(xù)進行，即圖4(a)中4個過程完成一個回路，而壓縮空氣儲能系統(tǒng)中壓縮過程1—2同加熱和膨脹過程（2—3—4）不連續(xù)進行，中間為空氣存儲過程；② 燃氣輪機系統(tǒng)不存在空氣存儲過程，壓縮空氣在儲氣室中的存儲過程在圖中沒有示出，一般情況下壓縮存儲過程中溫度會有所少量降低，但容積保持不變，在熱力學上是一個定容冷卻過程。

圖3 壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作原理Fig.3 Operation principle of CAES

圖4 壓縮空氣儲能的工作過程Fig.4 Working process of CAES

壓縮空氣儲能系統(tǒng)實際工作時，常采用多級壓縮和級間/級后冷卻、多級膨脹和級間/級后加熱的方式，其工作過程如圖4(b)所示。圖4(b)中，過程2'—1'和過程 4'—3'分別表示壓縮的級間冷卻和膨脹過程級間加熱過程。

2 關鍵技術

壓縮空氣儲能系統(tǒng)一般包括6個主要部件：①壓縮機，一般為多級壓縮機帶中間冷卻裝置；② 膨脹機，一般為多級透平膨脹機帶級間再熱設備；③ 燃燒室及換熱器，用于燃料燃燒和回收余熱等；④ 儲氣裝置，地下或者地上洞穴或壓力容器；⑤電動機/發(fā)電機，通過離合器分別和壓縮機以及膨脹機聯(lián)接；⑥控制系統(tǒng)和輔助設備，包括控制系統(tǒng)、燃料罐、機械傳動系統(tǒng)、管路和配件等。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關鍵技術包括高效壓縮機技術、膨脹機（透平）技術、燃燒室技術、儲氣技術和系統(tǒng)集成與控制技術等。壓縮機和膨脹機是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的核心部件，其性能對整個系統(tǒng)的性能具有決定性影響。盡管壓縮空氣儲能系統(tǒng)與燃氣輪機類似，但壓縮空氣儲能系統(tǒng)的空氣壓力比燃氣輪機高得多。因此，大型壓縮空氣儲能電站的壓縮機常采用軸流與離心壓縮機組成多級壓縮、級間和級后冷卻的結構形式；膨脹機常采用多級膨脹加中間再熱的結構形式。相對于常規(guī)燃氣輪機，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的高壓燃燒室的壓力較大。因此，燃燒過程中如果溫度較高，可能產(chǎn)生較多的污染物，因而高壓燃燒室的溫度一般控制在 500 ℃以下。壓縮空氣儲能系統(tǒng)要求的壓縮空氣容量大，通常儲氣于地下鹽礦、硬石巖洞或者多孔巖洞，對于微小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)，可采用地上高壓儲氣容器以擺脫對儲氣洞穴的依賴等。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上已有兩座大型壓縮空氣儲能電站投入商業(yè)運行。第一座是1978年投入商業(yè)運行的德國Huntorf電站（圖5），目前仍在運行中。機組的壓縮機功率60 MW，釋能輸出功率為290 MW，系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600 m的廢棄礦洞中，礦洞總容積達3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達100 bar（1 bar=105Pa）。機組可連續(xù)充氣8 h，連續(xù)發(fā)電2 h。第二座是于1991年投入商業(yè)運行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站（圖6）。其地下儲氣洞穴在地下 450 m，總容積為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5 MPa。該儲能電站壓縮機組功率為50 MW，發(fā)電功率為110 MW，可以實現(xiàn)連續(xù)41 h空氣壓縮和26 h發(fā)電。該電站由 Alabama州電力公司的能源控制中心進行遠距離自動控制。

美國Ohio州Norton從2001年起開始建一座2700 MW 的大型壓縮空氣儲能商業(yè)電站，該電站由9臺300 MW機組組成。壓縮空氣存儲于地下670 m的地下巖鹽層洞穴內(nèi)，儲氣洞穴容積為9.57×106m3。日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目，位于北海道空知郡，輸出功率為4 MW，是日本開發(fā)400 MW機組的工業(yè)試驗用中間機組。它利用廢棄的煤礦坑（約在地下450 m處）作為儲氣洞穴，最大壓力為8 MPa。瑞士ABB公司（現(xiàn)已并入阿爾斯通公司）正在開發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)。目前除德國、美國、日本、瑞士外，俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、南非、以色列和韓國等也在積極開發(fā)壓縮空氣儲能電站。

我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)開始比較晚，但隨著電力儲能需求的快速增加，相關研究逐漸被一些大學和科研機構所重視。中國科學院工程熱物理研究所、華北電力大學、西安交通大學、華中科技大學等單位對壓縮空氣儲能電站的熱力性能、經(jīng)濟性能、商業(yè)應用等進行了研究，但大多集中在理論和小型實驗層面，目前還沒有投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站。中國科學院工程熱物理研究所正在開展 1.5 MW 先進壓縮空氣儲能示范工作。

圖5 德國Huntorf 電站Fig.5 Hutorf CAES station in Germany

4 應用領域

CAES最初的主要目的是用于電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻，如德國Huntorf電站和美國McIntosh電站的建設就是用來調(diào)峰調(diào)頻，隨著CAES技術及相關技術的發(fā)展和微型CAES（10～50 MW）的出現(xiàn)，CAES應用越來越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車、UPS電源等方面得到了應用。

（1）調(diào)峰 大規(guī)模CAES最重要的應用就是電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻，用于調(diào)峰的 CAES電站可分為兩類，在電網(wǎng)中獨立的 CAES電站和與電站匹配的CAES系統(tǒng)。

（2）調(diào)頻 CAES另一個很重要的應用就是電網(wǎng)調(diào)頻，CAES電站可以像其它燃氣輪機電站、抽水蓄能電站、火電站一樣起到調(diào)頻作用。由于其用的是低谷電能，可做電網(wǎng)第一調(diào)頻廠運行。當其與其它儲能技術如超級電容、飛輪儲能結合時，調(diào)頻速度更快。

（3）可再生能源 通過CAES可以將間斷的可再生能源儲存起來，在用電高峰期釋放，起到促進可再生能源大規(guī)模利用和提供高峰電量的作用等。主要包括與風電結合的CAES，與太陽能/光伏結合的CAES，以及與生物質(zhì)結合的CAES等。

（4）分布式能源系統(tǒng) 大電網(wǎng)與分布式能源系統(tǒng)相結合是未來高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。儲能系統(tǒng)作為負荷平衡裝置和備用電源等是解決分布式能源系統(tǒng)波動大、故障率高等缺點的主要途徑。由于CAES由于其與制冷/制熱/冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)很容易結合的優(yōu)點，在分布式能源系統(tǒng)中將有很好的應用。

（5）其它應用 CAES在汽車動力、UPS電源等方面有廣泛的應用前景。

5 發(fā)展趨勢

壓縮空氣儲能在容量、功率等級、放電時間、成本等方面都與抽水蓄能技術相近，特別在要求大規(guī)模（如數(shù)百兆瓦）儲能而又沒有條件實施抽水蓄能的情況下，壓縮空氣儲能將有廣闊的應用前景。2010年，美國著名的咨詢公司Pike Research發(fā)布了他們對壓縮空氣儲能的 2010—2020年的預測。由于壓縮空氣儲能在大規(guī)模儲能技術的 3個主要參數(shù)：容量或額定功率（數(shù)百兆瓦），放電時間（數(shù)或數(shù)十小時）以及能源成本（數(shù)百美元/千瓦時）方面表現(xiàn)優(yōu)秀，Pike Research公司估計，壓縮空氣儲能系統(tǒng)市場將從2010年的453 MW增加到2020年的近7 GW。

同時，我們也必須看到常規(guī)壓縮空氣儲能存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題，必須在地形條件和供氣保障的情況下才可能得到大規(guī)模應用。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)（AA-CAES），除去了燃燒室，具有效率高、無污染的特點，并可以方便地和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結合，是壓縮空氣儲能技術的重要發(fā)展方向。液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)（LAES）和超臨界空氣儲能系統(tǒng)（SCAES）將空氣在液態(tài)下存儲，大幅減小儲氣室的體積，從而擺脫對大型地下儲氣室的限制，也是壓縮空氣儲能技術的重要發(fā)展方向。小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)結構簡單，功能靈活。它利用高壓容器代替儲氣洞穴，能夠擺脫傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)對地形的依賴，可以用于備用電源、汽車動力和分布式供能系統(tǒng)等，具有廣泛的應用前景。壓縮空氣儲能與可再生能源的耦合系統(tǒng)可以解決可再生能源的間斷性和不穩(wěn)定性問題，是提高風能、太陽能等可再生能源大規(guī)模利用的迫切需要，將是壓縮空氣儲能技術的近期主要發(fā)展方向。

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