壓縮空氣儲能技術(shù)綜述

余耀 孫華 許俊斌 曹晨霞 林堯 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 (200070)

余耀（1960年~），男，華東理工大學(xué)（在職）畢業(yè)，碩士。長期從事能源裝備的發(fā)展戰(zhàn)略研究。

0 前 言

近年來，我國部分地區(qū)多次發(fā)生了嚴重陰霾天氣，如何利用清潔能源減少環(huán)境污染是我國經(jīng)濟發(fā)展長期需要面對的重要問題。新能源的規(guī)模應(yīng)用以及間歇性可再生能源的大規(guī)模入網(wǎng)、傳統(tǒng)電力峰谷差值的增長，各種能源應(yīng)用問題也隨之出現(xiàn)，而儲能技術(shù)的應(yīng)用將為解決這些問題提供非常有效的途徑。目前電力儲能技術(shù)較多，壓縮空氣儲能由于優(yōu)勢明顯，未來無疑將成為除抽水蓄能之外最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能。

1 大規(guī)模儲能技術(shù)的選擇

電力儲能按照技術(shù)分類，可分為機械儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、電磁儲能（超級電容器等）和電化學(xué)儲能（鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池等）等（見圖1）。

在各種儲能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上最大，達到上GW，技術(shù)也最成熟；壓縮空氣儲能次之，單機規(guī)?？梢赃_到100 MW級別；化學(xué)儲能規(guī)模較小，單機規(guī)模一般在MW級別或更小，并且規(guī)模越大控制問題越突出。目前為止，已經(jīng)大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模儲能技術(shù)（比如100 MW級以上）只有抽水蓄能、壓縮空氣儲能兩種。下面對適合大規(guī)模儲能的抽水蓄能、壓縮空氣儲能的性能特點分別展開詳細描述。

圖1 電力儲能技術(shù)概況

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能需要高低兩個水庫，并安裝能雙向運轉(zhuǎn)的電動水泵機組。它利用電能與水的勢能轉(zhuǎn)變，將風(fēng)能、太陽能等可再生資源產(chǎn)生的不可控的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)可以接納的穩(wěn)定電能或者起削峰平谷的目的（見圖2）。

抽水蓄能是在電力系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種儲能技術(shù)。截至2011年，我國抽水蓄能總裝機容量超過1 800萬kW，規(guī)劃2015年達到3 000萬kW。抽水蓄能可以建造為不同容量，能量釋放時間可從幾小時到幾天，是目前唯一達到GW級的儲能技術(shù)，同時轉(zhuǎn)化效率較高，綜合效率可達70%～85%。其缺點在于需要建設(shè)高低兩個水庫，受到特殊的場地要求選址非常困難，而且廠址一般都遠離大規(guī)模風(fēng)電場和太陽能發(fā)電場，建設(shè)周期也較長，還會帶來一定的生態(tài)和移民問題。

圖2 抽水蓄能電站示意

1.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是另一種可以實現(xiàn)大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統(tǒng)，是指將低谷、風(fēng)電、太陽能等不易儲藏的電力用于壓縮空氣，將壓縮后的高壓空氣密封在儲氣設(shè)施中，在需要時釋放壓縮空氣推動透平發(fā)電的儲能方式。

目前，地下儲氣站采用報廢礦井、沉降在海底的儲氣罐、山洞、過期油氣井和新建儲氣井等多種模式，其中最理想的是水封恒壓儲氣站，能保持輸出恒壓氣體。地上儲氣站采用高壓的儲氣罐模式。

壓縮空氣儲能是一種基于燃氣輪機的儲能技術(shù)，技術(shù)非常成熟，已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。壓縮空氣儲能具有容量大、工作時間長、經(jīng)濟性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點，具體如下：

(1)規(guī)模上僅次于抽水蓄能，適合建造大型電站。壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以持續(xù)工作數(shù)小時乃至數(shù)天，工作時間長；

(2)建造成本和運行成本比較低，低于鈉硫電池或液流電池，也低于抽水蓄能電站，具有很好的經(jīng)濟性。隨著絕熱材料的應(yīng)用僅使用少量或不使用天然氣或石油等燃料加熱壓縮空氣，燃料成本占比逐步下降；

(3)場地限制少。雖然將壓縮空氣儲存在合適的地下礦井或溶巖下的洞穴中是最經(jīng)濟的方式，但是現(xiàn)代壓縮空氣儲存的解決方法是可以用地面儲氣罐取代溶洞；

(4)壽命長，通過維護可以達到40～50年，接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以達到60%左右，接近抽水蓄能電站；

(5)安全性和可靠性高。壓縮空氣儲能使用的原料是空氣，不會燃燒，沒有爆炸的危險，不產(chǎn)生任何有毒有害氣體。萬一發(fā)生儲氣罐漏氣的事故，罐內(nèi)壓力會驟然降低，空氣既不會爆炸也不會燃燒。

總之，在我國廣泛不具備建設(shè)抽水蓄能電站自然條件的一些地區(qū)，尤其遠離消費中心的大型風(fēng)電場和太陽能發(fā)電場，迫切需要研究開發(fā)另外一種能夠大規(guī)模長時間使用的儲能技術(shù)。由于壓縮空氣儲能優(yōu)勢明顯，可以彌補抽水蓄能的先天不足，將是有效解決我國大規(guī)模儲能問題的重要選擇。

2 壓縮空氣儲能概述

2.1 工作原理

壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機技術(shù)發(fā)展起來的一種能量存儲系統(tǒng)，工作原理非常類似。

燃氣輪機裝置由壓氣機、燃燒器（或叫燃燒室）和透平3個主要部分組成（見圖3）。燃氣輪機的工作原理為：葉輪式壓氣機從外部吸收空氣，壓縮后送入燃燒器，同時燃料（氣體或液體燃料）也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在定壓下進行燃燒。生成的高溫高壓煙氣進入透平膨脹做功，推動動力葉片高速旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動壓氣機旋轉(zhuǎn)增壓空氣，燃氣輪機裝置中約2/3功率用于驅(qū)動壓氣機。

圖3 燃氣輪機的主要結(jié)構(gòu)

壓力機 燃燒器 透平

壓縮空氣儲能一般包括5個主要部件：壓氣機、燃燒室及換熱器、透平、儲氣裝置（地下或地上洞穴或壓力容器）、電動機/發(fā)電機（見圖4）。其工作原理與燃氣輪機稍有不同的是：壓氣機和透平不同時工作，電動機與發(fā)電機共用一機。在儲能時，壓縮空氣儲能中的電動機耗用電能，驅(qū)動壓氣機壓縮空氣并存于儲氣裝置中；放氣發(fā)電過程中，高壓空氣從儲氣裝置釋放，進入燃氣輪機燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動透平帶動發(fā)電機輸出電能。由于壓縮空氣來自儲氣裝置，透平不必消耗功率帶動壓氣機，透平的出力幾乎全用于發(fā)電。

圖4 壓縮空氣儲能基本原理

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

壓縮空氣儲能發(fā)電已有成熟的運行經(jīng)驗，最早投運的機組已安全運行30多年。目前已有兩座大規(guī)模壓縮空氣儲能電站投入了商業(yè)運行，分別位于德國和美國。

第一座是1978年投入商業(yè)運行的德國Huntorf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?cè)莘e達3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達10 MPa。機組可連續(xù)充氣8 h，連續(xù)發(fā)電2 h。該電站在1979年至1991年期間共啟動并網(wǎng)5 000多次，平均啟動可靠性97.6%。實際運行效率約為42%。

第二座是1991年投入商業(yè)運行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站（見圖5）。儲能電站壓縮機組功率為50 MW，發(fā)電功率為110 MW。儲氣洞穴在地下450 m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5 MPa?？梢詫崿F(xiàn)連續(xù)41 h空氣壓縮和26 h發(fā)電，機組從啟動到滿負荷約需9 min。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。實際運行效率約為54%。

圖5 阿拉巴馬州麥金托什壓縮空氣工廠

美國Ohio州Norton從2001年起開始建一座2 700 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2 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)。儲能系統(tǒng)發(fā)電功率為422 MW，空氣壓力為3.3 MPa，系統(tǒng)充氣時間為8 h，儲氣洞穴為硬巖地質(zhì)，采用水封方式。目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、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，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。中科院工程熱物理研究所正在建設(shè)1.5 MW先進壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)。

3 壓縮空氣儲能分類

根據(jù)壓縮空氣儲能的絕熱方式，可以分為兩種：非絕熱壓縮空氣儲能、帶絕熱壓縮空氣儲能。同時根據(jù)壓縮空氣儲能的熱源不同，非絕熱壓縮空氣儲能可以分為無熱源的非絕熱壓縮空氣儲能、燃燒燃料的非絕熱壓縮空氣儲能，帶絕熱壓縮空氣儲能可以分為外來熱源的帶絕熱壓縮空氣儲能、壓縮熱源的帶絕熱壓縮空氣儲能（見圖6）。

圖6 壓縮空氣儲能的分類

3.1 無熱源的非絕熱壓縮空氣儲能

無熱源的壓縮空氣儲能系統(tǒng)既不采用燃燒燃料加熱，也不采用其他外來熱源和絕熱裝置。

在儲能時，電動機帶動壓氣機壓縮空氣并存于儲氣裝置中；放氣發(fā)電過程中，高壓空氣從儲氣裝置釋放，驅(qū)動透平帶動發(fā)電機輸出電能（見圖7）。

無熱源的非絕熱壓縮空氣儲能優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但系統(tǒng)能量密度和效率較低。因此，它僅應(yīng)用在微小型系統(tǒng)中，用作備用電源、空氣馬達動力和車用動力等，不適應(yīng)大規(guī)模儲能。

圖7 無熱源的非絕熱壓縮空氣儲能

3.2 燃燒燃料的非絕熱壓縮空氣儲能

燃燒燃料的非絕熱空氣壓縮蓄能的特點是需要向系統(tǒng)提供較多額外的燃料，放氣時加熱從儲氣裝置中流出的空氣。

典型代表為德國的Huntorf壓縮空氣儲能電站和美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站。它們與壓縮空氣儲能基本原理相比，壓縮過程和膨脹過程為二級，壓縮過程包括級間以及級后冷卻，膨脹過程包括中間再熱結(jié)構(gòu)。

德國的Huntorf壓縮空氣儲能結(jié)構(gòu)見圖8。在儲能過程中，電動機帶動壓縮機，空氣通過兩級壓縮成高壓空氣，同時使用冷卻裝置，在進入儲氣裝置之前被冷卻，然后存于儲氣裝置中。在釋能過程中，高壓空氣從儲氣裝置釋放，通過兩次補燃，驅(qū)動透平帶動發(fā)電機輸出電能。

圖8 燃燒燃料的非絕熱壓縮空氣儲能（不帶回?zé)幔?/p>

美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖9。它與德國的Huntorf壓縮空氣儲能不同之處在于它是帶有余熱回收裝置的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，通過回收渦輪排氣中的廢熱預(yù)熱壓縮空氣，從而可以提高系統(tǒng)的熱效率。由于具有回?zé)峤Y(jié)構(gòu)，McIntosh電站的單位發(fā)電燃料消耗相對于Huntorf電站節(jié)省了約25%。

圖9 燃燒燃料的非絕熱壓縮空氣儲能（帶回?zé)幔?/p>

3.3 外來熱源的帶絕熱壓縮空氣儲能

此類壓縮空氣儲能是通過存儲外來熱源代替燃料燃燒加熱。外來熱源可以是太陽能熱能、電力、化工、水泥等行業(yè)的余熱廢熱等。目前應(yīng)用最廣泛是太陽能熱能，太陽能熱利用是一種最現(xiàn)實、最有前景、最能夠有份額的替代化石能源消耗的太陽能利用方式，通過太陽集熱器可以獲得550℃以上的高溫，但由于太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性，儲熱裝置在太陽能熱利用系統(tǒng)中具有先天的需求。

在儲能過程中，電動機帶動壓縮機，壓縮成高壓空氣存于儲氣裝置中，外來熱源熱能存儲在儲熱裝置中。在釋能過程中，利用存儲的外來熱源熱能加熱壓縮空氣，驅(qū)動透平帶動發(fā)電機輸出電能（見圖10）。

圖10 外來熱源的帶絕熱壓縮空氣儲能

3.4 壓縮熱源的帶絕熱壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能系統(tǒng)中空氣的壓縮過程接近絕熱過程，產(chǎn)生大量的壓縮熱。如在理想狀態(tài)下，壓縮空氣至10 MPa，能夠產(chǎn)生650℃的高溫。

在儲能過程中，壓縮熱源的帶絕熱壓縮空氣儲能將空氣壓縮過程中的壓縮熱存儲在儲熱裝置中，高壓空氣存于儲氣裝置中。在釋能過程中，利用存儲的壓縮熱能加熱壓縮空氣，然后驅(qū)動渦輪做功（見圖11）。與非絕熱壓縮空氣儲能相比較，綜合效率最高可達到70%。同時，此系統(tǒng)中壓氣機的出口會達到650°C的高溫，增加了對壓氣機耐熱材料的要求。系統(tǒng)雖然去除了燃燒室，但是增加了儲熱裝置，會帶來管道和閥門數(shù)量的增加與儲氣裝置體積過大的問題。

圖11 壓縮熱源的帶絕熱壓縮空氣儲能

4 壓縮空氣儲能的耦合利用方式

傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能主要通過透平直接發(fā)電。為了提高系統(tǒng)工作方式的靈活性，改善系統(tǒng)的效率和適應(yīng)特殊用途等，逐步出現(xiàn)了直接利用經(jīng)過壓縮空氣儲能壓縮后的高壓空氣與其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合的應(yīng)用方式。

4.1 壓縮空氣儲能與可再生能源耦合系統(tǒng)

風(fēng)電和太陽能發(fā)電出力的不確定性和波動性給電網(wǎng)的實時功率平衡和安全穩(wěn)定運行帶來諸多問題。壓縮空氣儲能可實現(xiàn)間歇式可再生能源穩(wěn)定輸出，為可再生能源大規(guī)模利用提供有效的解決方案。

在用電低谷，風(fēng)電場的多余電力驅(qū)動壓氣機，壓縮并儲存壓縮空氣，同時太陽能熱能存儲在儲熱裝置中。在釋能過程中，利用太陽能熱能和尾氣中的熱量加熱壓縮空氣，需要時通過燃燒進一步加熱壓縮空氣，然后進入透平發(fā)電上網(wǎng)。此系統(tǒng)可以有效解決可再生能源的并網(wǎng)問題，進一步提高歇式可再生能源在電網(wǎng)中供電的比例（見圖12）。

圖12 壓縮空氣儲能與可再生能源耦合系統(tǒng)

4.2 壓縮空氣儲能與燃氣輪機耦合系統(tǒng)

壓縮空氣儲能與燃氣輪機的結(jié)構(gòu)和工作原理類似，可以組合成高效率的耦合系統(tǒng)，有效利用壓縮空氣儲能起到削峰平谷的目的（見圖13）。

為了提高能源利用效率，在一般情況下，大功率燃氣輪機需要連續(xù)高負荷運行，而壓縮空氣儲能則作為燃氣輪機發(fā)電的“加力裝置”。在用電低谷時，多余電力用來壓縮空氣并儲存在地下洞穴或者地上高壓容器等儲氣裝置里；在用電高峰時，壓縮空氣通過燃氣輪機的廢氣加熱之后，可以直接噴入或者同燃氣輪機壓縮空氣混合噴入燃燒室，以增加燃氣輪機出功，其排氣仍通過余熱換熱器加熱壓縮空氣儲能中的空氣。

圖13 壓縮空氣儲能與燃氣輪機耦合系統(tǒng)

5 小 結(jié)

目前壓縮空氣儲能在我國仍然處在探索階段，技術(shù)尚未成熟，但是系統(tǒng)規(guī)模大、儲能成本低，尤其在我國風(fēng)能、太陽能等可再生能源與消費中心地區(qū)嚴重逆向分布的背景下，必將會在未來電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。