壓縮空氣儲(chǔ)能工程現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用展望

劉笑馳，梅生偉，，丁若晨，鐘聲遠(yuǎn)，張險(xiǎn)峰，謝寧寧，常 勇，張 通

（1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100038；2.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；3.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略背景下，我國以風(fēng)電、光伏為代表的新能源發(fā)展迅猛，但其固有的間歇性和不穩(wěn)定性導(dǎo)致并網(wǎng)消納困難。此外，我國電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差逐年增大，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了極大的影響。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是解決棄風(fēng)棄光、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷最有效和最經(jīng)濟(jì)的手段之一，也是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、支撐能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)［1］。作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能（compressed air energy storage，CAES）具有裝機(jī)容量大、儲(chǔ)能時(shí)間長、建設(shè)周期短、使用壽命長、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)削峰填谷、大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電等方面［2］。同時(shí)，CAES 還可以用于提供電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)相、旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動(dòng)等輔助技術(shù)服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

上世紀(jì)四十年代，德國Stal Laval公司提出了利用地下洞穴儲(chǔ)存壓縮空氣用于發(fā)電的概念并申請(qǐng)了專利［3］，這一般被視作CAES 的雛形。1978 年，利用當(dāng)?shù)刎S富的鹽穴資源，德國在下薩克森州北部建成了采用天然氣補(bǔ)燃的CAES 電站——Huntorf 電站［4］，標(biāo)志著CAES正式進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營階段。1991年，美國在阿拉巴馬州建成了McIntosh 電站［5］，同樣采用鹽穴儲(chǔ)氣和天然氣補(bǔ)燃。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，以非化石燃料燃燒、零碳排為理念的非補(bǔ)燃CAES 的概念開始興起，陸續(xù)發(fā)展出了多種技術(shù)路線并開展了示范驗(yàn)證。2022 年5月，江蘇金壇60 MW／300 MW·h 鹽穴CAES 國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目正式投產(chǎn)運(yùn)行［6］，實(shí)現(xiàn)了我國在商業(yè)運(yùn)行CAES 領(lǐng)域零的突破，有力地推動(dòng)了CAES 技術(shù)的發(fā)展。截至2022 年底，我國在建和規(guī)劃的電站裝機(jī)容量已超過3 GW，預(yù)計(jì)未來2 a 內(nèi)將有數(shù)座甚至數(shù)十座電站投產(chǎn)運(yùn)行，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展趨勢(shì)。

然而，目前CAES 電站主要布局在電網(wǎng)側(cè)，功能上以調(diào)峰為主，其輔助服務(wù)價(jià)值未能得以體現(xiàn)，運(yùn)營模式和價(jià)格機(jī)制尚不明晰，這在一定程度上制約了其發(fā)展。本文系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)今國內(nèi)外CAES 工程實(shí)踐狀況，對(duì)CAES 技術(shù)在新能源發(fā)電側(cè)的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以代表性電站為案例闡述了CAES 技術(shù)的功能和作用，分析了CAES 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及遇到的挑戰(zhàn)，提出了CAES 發(fā)展的政策和建議，以期推動(dòng)CAES技術(shù)多元化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 CAES概述

1.1 CAES的技術(shù)原理

與抽水蓄能類似，CAES也是一種通過將電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能而實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)的物理儲(chǔ)能技術(shù)，遵循電能-勢(shì)能-電能的能量轉(zhuǎn)換過程。CAES 系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)氣庫、換熱設(shè)備組成，如圖1 所示，其工作原理如下［7］：儲(chǔ)能時(shí)，采用低谷電、棄風(fēng)棄光電等驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)，經(jīng)冷卻后高壓空氣接近常溫狀態(tài)并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣裝置之中；釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣裝置中釋放，經(jīng)加熱后進(jìn)入空氣透平膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，輸出電能。CAES的主要部件與抽水蓄能存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，CAES 的壓縮機(jī)、膨脹機(jī)分別對(duì)應(yīng)抽水蓄能的水泵和水輪發(fā)電機(jī)，大氣環(huán)境、儲(chǔ)氣庫分別對(duì)應(yīng)抽水蓄能的下庫和上庫。不同的是，常態(tài)下的水為不可壓縮流體，空氣為可壓縮流體，在空氣的壓縮過程中會(huì)伴隨熱量的產(chǎn)生，膨脹過程中需要熱量的補(bǔ)充。

圖1 CAES原理示意圖Fig.1 Principle diagram of CAES

1.2 CAES的主要技術(shù)路線

1.2.1 補(bǔ)燃式CAES

補(bǔ)燃式CAES 是最早研發(fā)應(yīng)用的技術(shù)路線，其在壓縮過程中不回收壓縮熱，發(fā)電時(shí)利用天然氣補(bǔ)燃加熱壓縮空氣［4］，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，效率較低，且存在碳排放。在大力發(fā)展新能源、控制碳排放量的大背景下，補(bǔ)燃式CAES 已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展需求。

1.2.2 先進(jìn)絕熱CAES

先進(jìn)絕熱CAES 將壓縮過程產(chǎn)生的熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，并在釋能過程中用于加熱壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了能源高效利用和零碳排放［2］。根據(jù)蓄熱溫度的不同，先進(jìn)絕熱CAES 可以分為高溫蓄熱（＞400 ℃）、中溫蓄熱（200～400 ℃）、低溫蓄熱（＜200 ℃）等不同技術(shù)路線［8］。先進(jìn)絕熱CAES 可基于當(dāng)前的設(shè)備技術(shù)和工藝水平開展研究、設(shè)計(jì)和建設(shè)，更加易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。因此，目前國內(nèi)外開展的CAES 工程項(xiàng)目大多采用先進(jìn)絕熱CAES 技術(shù)路線。

1.2.3 液態(tài)空氣儲(chǔ)能

液態(tài)空氣儲(chǔ)能是在先進(jìn)絕熱CAES 的基礎(chǔ)上引入蓄冷裝置，將高壓空氣液化后以常壓形式進(jìn)行儲(chǔ)存。液態(tài)空氣儲(chǔ)能最大的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能密度高，所需要的儲(chǔ)氣容積小，不受地形條件限制［9］。但由于增加了空氣液化、存儲(chǔ)和氣化的能量轉(zhuǎn)換過程，系統(tǒng)的效率較先進(jìn)絕熱CAES 低，結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，造價(jià)也比較高。

1.2.4 等溫CAES

等溫CAES 通過噴淋等方式在壓縮和膨脹過程中都實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)等溫過程以提高系統(tǒng)效率。但這種技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，其裝機(jī)功率一般較小，僅適用于小容量的儲(chǔ)能場(chǎng)景，已有文獻(xiàn)中僅有試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道［10］，沒有相關(guān)工程建設(shè)案例。

1.2.5 復(fù)合式CAES

利用光熱、地?zé)帷⒐I(yè)余熱滿足CAES 膨脹過程的熱量需求從而實(shí)現(xiàn)非補(bǔ)燃的技術(shù)路線被稱為復(fù)合式CAES 系統(tǒng)［11］。復(fù)合式CAES 系統(tǒng)的形式多樣，可根據(jù)資源條件、應(yīng)用場(chǎng)景和工程需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其能夠?qū)崿F(xiàn)多種能量形式的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和利用，滿足不同類型的用能需求。

1.3 CAES的應(yīng)用場(chǎng)景

CAES的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括以下幾個(gè)方面。

1）電源側(cè)：CAES 可以與風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)集成，構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)或光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)，提高新能源發(fā)電的電能質(zhì)量和可控性。

2）電網(wǎng)側(cè)：CAES可以直接接入輸電網(wǎng)或者配電網(wǎng)并接受電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一調(diào)度，服務(wù)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，能夠提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、備用、黑啟動(dòng)等技術(shù)服務(wù)，可以緩解輸配電阻塞，提高供電可靠性。

3）負(fù)荷側(cè)：CAES系統(tǒng)可以與光熱、地?zé)?、工業(yè)余熱相耦合，以其作為綜合能源系統(tǒng)的能量樞紐，可發(fā)揮其多能聯(lián)儲(chǔ)、多能聯(lián)供特性，可應(yīng)用于具有多種能源需求的工業(yè)園區(qū)、大都市公共建筑等應(yīng)用場(chǎng)景，顯著提高系統(tǒng)布置的靈活性和利用效率。

1.4 CAES的主要儲(chǔ)氣方式

儲(chǔ)氣系統(tǒng)是CAES 的重要組成部分，選擇合適的儲(chǔ)氣方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性等各方面均有著重要的影響。目前，可應(yīng)用于CAES 的主要儲(chǔ)氣方式包括鹽穴儲(chǔ)氣、人工硐室儲(chǔ)氣、廢棄礦井巷道儲(chǔ)氣、管線鋼儲(chǔ)氣等。

1.4.1 鹽穴儲(chǔ)氣

鹽穴是在地下鹽層或鹽丘中利用水溶開采方式形成的地下洞穴，可采用鹽穴儲(chǔ)存天然氣、石油、壓縮空氣、二氧化碳、氫氣、氦氣等［12-13］。鹽穴儲(chǔ)氣具有儲(chǔ)氣容量大、儲(chǔ)氣壓力高、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)成熟、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，與CAES 技術(shù)結(jié)合相得益彰。

1.4.2 人工硐室儲(chǔ)氣

人造硐室是基于成熟的地下巖體工程技術(shù)，通過在地下連續(xù)巖體中人工開挖成型獲取大容量圍巖硐室，可以用于大容量高壓空氣存儲(chǔ)。人工硐室一般需要建造在硬巖層中，由混凝土、密封層、圍巖等組成［14］。儲(chǔ)氣室由圍巖承受壓力最高時(shí)的載荷，混凝土和密封層保證氣密性，防止漏氣。相比于傳統(tǒng)洞穴儲(chǔ)氣，人造硐室儲(chǔ)氣方式的密閉性更好，能承受更高的儲(chǔ)氣壓力。相比于其他地下儲(chǔ)氣方式，人工硐室儲(chǔ)氣可在一定程度上減少電站對(duì)地形條件的依賴。

1.4.3 廢棄礦井巷道儲(chǔ)氣

以煤礦、金屬礦為代表的礦井巷道一般開鑿于巖石層，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，儲(chǔ)氣壓力高，儲(chǔ)氣容量大，可以用于CAES 的高壓空氣儲(chǔ)存［15］。近年來，我國關(guān)停的礦井巷道空間巨大，利用其發(fā)展大容量CAES 可實(shí)現(xiàn)深地空間能源再造，同時(shí)盤活地面廢棄資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)廢棄資源的最大化再利用。

1.4.4 管線鋼儲(chǔ)氣

管線鋼儲(chǔ)氣是地面容器儲(chǔ)氣方式的一種，其制造加工可以借鑒成熟的壓力容器或者天然氣輸送管道工藝。管線鋼儲(chǔ)氣應(yīng)用于CAES 具有技術(shù)成熟、布置靈活的優(yōu)點(diǎn)，可將管線鋼鋼管組淺埋于地下或疊放布置于地面，以節(jié)省地表空間［16］。

2 CAES工程現(xiàn)狀

2.1 國外工程現(xiàn)狀

自1978年Huntorf電站投運(yùn)后，國外（如美國、加拿大、日本、英國、德國等國家）先后規(guī)劃了數(shù)十項(xiàng)CAES項(xiàng)目，涉及補(bǔ)燃式、先進(jìn)絕熱、深冷液化等技術(shù)路線，典型的工程案例如表1 所示。截至目前，表1所列出的CAES項(xiàng)目中僅有德國Huntorf電站和美國McIntosh 電站已經(jīng)商業(yè)投運(yùn)，部分電站還處于建設(shè)中，還有數(shù)個(gè)項(xiàng)目因種種原因被取消。其中，德國ADELE 電站采用高溫的先進(jìn)絕熱CAES 技術(shù)路線［17］，由于蓄熱溫度大于600 ℃，這導(dǎo)致高溫壓縮機(jī)和高溫蓄熱技術(shù)研發(fā)困難，項(xiàng)目自2010 年立項(xiàng)后便一直處于停滯狀態(tài)，并最終被取消。在美國規(guī)劃的幾個(gè)項(xiàng)目中，Norton 項(xiàng)目因能源價(jià)格以及市場(chǎng)需求原因被取消，Iowa 項(xiàng)目因規(guī)劃的含水層儲(chǔ)氣庫地質(zhì)條件不符合儲(chǔ)氣要求而被取消，NYSEG 項(xiàng)目因系統(tǒng)造價(jià)超出預(yù)算而被取消［18］。加拿大Hydrostor 公司是國外從事先進(jìn)絕熱CAES 研究的代表性機(jī)構(gòu)，其建成了2.2 MW／11 MW·h 的試驗(yàn)電站，在美國和澳大利亞分別規(guī)劃建設(shè)了GEM、Silver city、Bethel等項(xiàng)目［18］，總裝機(jī)容量超過1 GW。此外，英國的High-View 公司一直致力于液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)的推廣以及應(yīng)用，其前期分別搭建了350 kW／2.5 MW·h以及5 MW／15 MW·h這2座試驗(yàn)電站［19-20］，正在曼徹斯特建設(shè)1座50 MW／300 MW·h 的工業(yè)電站，推動(dòng)了液態(tài)空氣儲(chǔ)能的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

表1 國外CAES典型工程案例Table 1 Typical engineering projects of CAES abroad

2.2 國內(nèi)工程現(xiàn)狀

雖然我國CAES 技術(shù)研究起步較晚，但目前無論是基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)還是工程應(yīng)用示范方面都已處于世界領(lǐng)先水平。在國內(nèi)，從事先進(jìn)絕熱CAES 研究及產(chǎn)業(yè)化推廣的團(tuán)隊(duì)主要包括清華大學(xué)［6，12，21］、中國科學(xué)院工程熱物理研究所［3，22］、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所［23-24］、西安交通大學(xué)［25-26］等。清華大學(xué)于2014 年和2016 年先后在安徽蕪湖和青海西寧建設(shè)了2 座工業(yè)試驗(yàn)電站［10，14］，并聯(lián)合中鹽集團(tuán)、華能集團(tuán)建設(shè)了我國首座CAES 商業(yè)電站——江蘇金壇60 MW／300 MW·h 鹽穴CAES 國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目。中國科學(xué)院工程熱物理研究所在國內(nèi)較早開展了CAES 技術(shù)的研究，在貴州畢節(jié)和山東肥城建設(shè)了中試電站，張北100 MW 電站也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電［22］。2022 年，我國CAES 產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)式的增長，三峽集團(tuán)、華能集團(tuán)、國家電力投資集團(tuán)公司、大唐集團(tuán)、中國能建、中國電建等大型國企／央企紛紛啟動(dòng)CAES 工程項(xiàng)目，裝機(jī)規(guī)模和容量屢創(chuàng)新高。表2 給出了當(dāng)前我國CAES 工業(yè)電站的典型案例。從表2 可以看出，目前規(guī)劃和建設(shè)的電站裝機(jī)規(guī)模普遍在100 MW 以上，儲(chǔ)能時(shí)間大于4 h。除了鹽穴儲(chǔ)氣，人工硐室、油氣藏、廢棄礦洞、液態(tài)儲(chǔ)罐等其他儲(chǔ)氣方式也被采用，呈現(xiàn)出了技術(shù)路線多元化的發(fā)展方向。

表2 國內(nèi)CAES典型工程案例Table 2 Typical engineering projects of CAES in China

2.3 典型CAES電站

2.3.1 Huntorf電站

Huntorf 電站是世界上首座商業(yè)運(yùn)行的CAES 電站，位于德國北部的下薩克森州境內(nèi)，于1978 年12月開始商業(yè)運(yùn)行［4］，如圖2所示。該電站裝機(jī)容量為290 MW，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電2 h，壓縮系統(tǒng)功率為60 MW，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)壓縮8 h。由于下薩克森州具有豐富的鹽礦資源，該電站以2 座地下鹽穴作為儲(chǔ)氣庫，其埋深為650～800 m，總儲(chǔ)氣容積為3.1×105m3，運(yùn)行壓力為4.6～7.2 MPa。在該電站中，透平機(jī)組為兩級(jí)布置，級(jí)前均布置有燃燒器，一級(jí)透平進(jìn)氣參數(shù)為4.2 MPa、550 ℃，二級(jí)透平的進(jìn)氣參數(shù)為1.0 MPa、825 ℃。電站采用1 臺(tái)電機(jī)分別與壓縮機(jī)和透平機(jī)選擇性地連接或斷開，分別用作電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。2006年，Huntorf電站進(jìn)行了改造，將一級(jí)透平的進(jìn)氣溫度降低至490 ℃，將二級(jí)透平的進(jìn)氣參數(shù)提升至1.3 MPa、945 ℃，改造后的電站容量擴(kuò)充至321 MW［27］。截至目前，Huntorf電站已運(yùn)行超過40 a，現(xiàn)在仍用于傍晚的電量調(diào)峰以及風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性出力特性調(diào)節(jié)。

圖2 德國Huntorf CAES電站Fig.2 Huntorf CAES power station in Germany

2.3.2 McIntosh電站

1991 年，世界上第二座CAES 電站——McIntosh電站在美國阿拉巴馬州投入運(yùn)行［5］，如圖3 所示。McIntosh 電站的技術(shù)路線與Huntorf 電站類似，兩級(jí)透平的進(jìn)氣參數(shù)分別為4.2 MPa、538 ℃ 和1.5 MPa、871 ℃。McIntosh 電站在二級(jí)透平排氣處增加了一個(gè)回?zé)崞饕灶A(yù)熱進(jìn)入一級(jí)透平的空氣溫度，使得系統(tǒng)效率有所上升。此外，雖然McIntosh 電站的裝機(jī)容量比Huntorf 電站小，只有110 MW，但其可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的電能輸出，最長可達(dá)26 h。在儲(chǔ)氣方面，McIntosh 電站同樣采用地下鹽穴進(jìn)行儲(chǔ)氣，儲(chǔ)氣容積為5.38×105m3，運(yùn)行壓力范圍為4.6～7.5 MPa。

圖3 美國McIntosh CAES電站Fig.3 McIntosh CAES power station in USA

2.3.3 江蘇金壇國家示范項(xiàng)目

江蘇金壇鹽穴CAES 國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目位于江蘇省常州市金壇區(qū)薛埠鎮(zhèn)，由中鹽集團(tuán)、華能集團(tuán)和清華大學(xué)共同建設(shè)，如圖4 所示。項(xiàng)目于2021 年9月完成并網(wǎng)試驗(yàn)，并于2022 年5 月正式投產(chǎn)運(yùn)行。該項(xiàng)目的裝機(jī)容量為60 MW／300 MW·h，采用中溫蓄熱的先進(jìn)絕熱CAES 技術(shù)路線，以高溫合成導(dǎo)熱油作為蓄熱工質(zhì)，蓄熱溫度為320 ℃；采用中鹽金壇公司2009 年采鹵完畢的茅8 井鹽穴作為儲(chǔ)氣庫，并且根據(jù)CAES 的注采特性進(jìn)行了改建［28-29］，儲(chǔ)氣庫呈梨形分布，容積為2.24×105m3，埋深為865～972 m，最大直徑為80.1 m，凈高度為106.6 m，最高儲(chǔ)氣壓力為17 MPa。

圖4 江蘇金壇鹽穴CAES國家示范項(xiàng)目Fig.4 Jiangsu Jintan salt-cavern CAES national demonstration project

截至2023 年7 月底，金壇電站投運(yùn)已滿1 a，累計(jì)儲(chǔ)能模式運(yùn)行146 次，釋能模式運(yùn)行156 次，累計(jì)調(diào)峰電量為1.2×105kW·h。電站裝機(jī)容量為60 MW，與常州地區(qū)用電尖峰時(shí)段60～70 MW 的電力缺口相當(dāng)。電站按照江蘇電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行，主要為當(dāng)?shù)卦绺叻搴屯砀叻逄峁┘夥遑?fù)荷電力供應(yīng)，特別是2022年8 月，電站以每日“一儲(chǔ)一發(fā)”或“一儲(chǔ)多發(fā)”的方式靈活運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行25 d，成功完成了尖峰負(fù)荷調(diào)度任務(wù)，有力支撐了江蘇電網(wǎng)“迎峰度夏”工作，為保障安全穩(wěn)定的電力供應(yīng)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。電站具備調(diào)頻功能，自動(dòng)發(fā)電控制可調(diào)節(jié)范圍超過60 %，一次調(diào)頻性能優(yōu)于江蘇電網(wǎng)對(duì)火電、燃機(jī)及抽水蓄能電站的考核要求。此外，電站還具備調(diào)相、旋轉(zhuǎn)備用、無功支撐、黑啟動(dòng)等多種功能［30］，可以參與電力系統(tǒng)的多種輔助服務(wù)。

2.4 CAES的經(jīng)濟(jì)特性分析

2.4.1 CAES成本分析

CAES的造價(jià)主要可以分為三大部分：①以壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)和儲(chǔ)換熱系統(tǒng)為代表的核心裝備；②存儲(chǔ)高壓空氣的儲(chǔ)氣庫系統(tǒng)；③與火電機(jī)組類似的電氣設(shè)備費(fèi)用、土建費(fèi)用、安裝費(fèi)用、其他費(fèi)用等。對(duì)于采用不同儲(chǔ)氣方式的技術(shù)路線而言，上述各部分費(fèi)用占總投資的比例也會(huì)有所不同。從表2 可以看出，目前鹽穴儲(chǔ)氣和人工硐室儲(chǔ)氣是2 種主要的儲(chǔ)氣方式，因此本文對(duì)這2 種技術(shù)路線進(jìn)行成本分析。

鹽穴儲(chǔ)氣、人工硐室儲(chǔ)氣這2 種技術(shù)路線CAES系統(tǒng)目前及未來各部分造價(jià)的組成如表3 所示。從表3 可以看出，對(duì)于鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)路線，儲(chǔ)氣系統(tǒng)投資占比為15 % 左右，而對(duì)于人工硐室儲(chǔ)氣技術(shù)路線，儲(chǔ)氣系統(tǒng)的投資占比在30 % 以上。儲(chǔ)氣系統(tǒng)投資的差別導(dǎo)致2 種技術(shù)路線的整體造價(jià)也有較大的差距。

表3 不同技術(shù)路線CAES系統(tǒng)的造價(jià)Table 3 Costs of CAES system with different technology roadmaps單位：元／kW

2.4.2 CAES的價(jià)格機(jī)制

我國尚未出臺(tái)針對(duì)包括CAES 在內(nèi)的新型儲(chǔ)能的頂層價(jià)格機(jī)制，目前主要是由各地方政府在現(xiàn)有的價(jià)格機(jī)制下針對(duì)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行補(bǔ)貼和調(diào)整，以促進(jìn)新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展［31］。CAES 可以實(shí)行的價(jià)格機(jī)制主要包括2 種：①參考抽水蓄能的“兩部制”電價(jià)［32］，即電量電價(jià)彌補(bǔ)充放電損耗成本，容量電價(jià)體現(xiàn)調(diào)頻、備用、黑啟動(dòng)等輔助服務(wù)價(jià)值；②采用峰谷價(jià)差模式，并對(duì)提供的輔助服務(wù)進(jìn)行補(bǔ)償。以江蘇金壇電站為例，該電站目前執(zhí)行的是江蘇省發(fā)改委參照抽水蓄能電站制定的臨時(shí)“兩部制”電價(jià)模式，以保障電站正常運(yùn)營，但在未來會(huì)制定正式的電價(jià)政策。在補(bǔ)貼措施方面，江蘇省發(fā)改委于2023 年7 月印發(fā)了《關(guān)于加快推動(dòng)我省新型儲(chǔ)能項(xiàng)目高質(zhì)量發(fā)展的若干措施的通知》，規(guī)定在迎峰度夏（冬）期間（1、7、8、12 月），全容量充放電調(diào)用次數(shù)不低于160 次或放電時(shí)長不低于320 h，不結(jié)算充電費(fèi)用，放電上網(wǎng)價(jià)格為燃煤發(fā)電基準(zhǔn)價(jià)。該政策的實(shí)施可以進(jìn)一步增加金壇電站的收益，促進(jìn)CAES 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 CAES在新能源側(cè)的應(yīng)用

3.1 我國新能源發(fā)展的特點(diǎn)

“雙碳”目標(biāo)背景下，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電逐步成為新增裝機(jī)和新增發(fā)電量的主體。根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)［33］，截至2023年4月底，我國風(fēng)電裝機(jī)為3.8×108kW，光伏發(fā)電裝機(jī)為4.4×108kW，風(fēng)電、光伏發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到8.2×108kW，占全國發(fā)電裝機(jī)的30.9 %，其中風(fēng)電占比為14.3 %，光伏發(fā)電占比為16.6 %。然而，新能源具有間歇性與波動(dòng)性，大規(guī)模風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)將增加系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻的難度，電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)形態(tài)、負(fù)荷特性、運(yùn)行方式等都會(huì)發(fā)生深刻變化。

2022 年，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》提出創(chuàng)新新能源開發(fā)利用模式，首先聚焦“以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)光電基地建設(shè)”，以庫布齊沙漠鄂爾多斯中北部新能源基地項(xiàng)目為代表的一批千萬千瓦級(jí)新能源發(fā)電基地開始開工建設(shè)。隨著“沙戈荒”和“深遠(yuǎn)?！贝笠?guī)模新能源開發(fā)加速推進(jìn)，將對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，構(gòu)建具有更強(qiáng)的新能源消納能力、源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合的新型電力系統(tǒng)成為發(fā)展的必然。

3.2 新能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求

儲(chǔ)能是電力系統(tǒng)重要的靈活性調(diào)節(jié)資源，可廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于新能源發(fā)電系統(tǒng)而言，其對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求主要表現(xiàn)為能量型和功率型。能量型儲(chǔ)能技術(shù)要求裝機(jī)容量大、儲(chǔ)能時(shí)間長，主要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源的消納及能量的時(shí)空移動(dòng)，包括抽水蓄能、CAES、液流電池、儲(chǔ)熱技術(shù)、氫儲(chǔ)能等；功率型儲(chǔ)能技術(shù)要求具有快速的響應(yīng)能力，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速調(diào)頻，包括飛輪儲(chǔ)能、鋰離子電池、鈉離子電池等。但這2 種儲(chǔ)能技術(shù)的劃分并不是絕對(duì)的，例如：隨著鋰電池儲(chǔ)能的裝機(jī)容量和儲(chǔ)能時(shí)長不斷增加，其同時(shí)也具有能量型儲(chǔ)能技術(shù)的特征。在實(shí)際應(yīng)用中，各新能源發(fā)電系統(tǒng)需要根據(jù)其對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)際需求和建設(shè)條件，綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)保性等因素，選擇具體的技術(shù)路線。

3.3 主要儲(chǔ)能技術(shù)簡介

截至2022 年底，我國已投運(yùn)儲(chǔ)能總裝機(jī)達(dá)到59.8 GW［22］，其中抽水蓄能裝機(jī)容量為46.7 GW，占比為77.1 %，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量為13.1 GW，其中鋰離子電池儲(chǔ)能裝機(jī)占新型儲(chǔ)能的94 % 以上，占據(jù)主導(dǎo)地位。飛輪儲(chǔ)能的裝機(jī)容量雖然較小，但其在新能源發(fā)電系統(tǒng)調(diào)頻方面能夠發(fā)揮巨大的作用。因此，本文對(duì)上述儲(chǔ)能技術(shù)路線及其在新能源側(cè)的應(yīng)用進(jìn)行簡單的介紹。

3.3.1 抽水蓄能

抽水蓄能具有儲(chǔ)能容量大、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前大規(guī)模儲(chǔ)能的主流技術(shù)［34］。我國在定速抽水蓄能技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。但是傳統(tǒng)的抽水蓄能只能在同步頻率下定速運(yùn)行，靈活性較差，難以滿足可再生能源接入后電網(wǎng)頻率準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)的需求。為此，需要研究可變速抽水蓄能技術(shù)［35］，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)／發(fā)電功率的快速、精確控制，從而可以有效地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制、平抑可再生能源出力波動(dòng)，這也是抽水蓄能目前主要的研究方向。

3.3.2 鋰離子電池儲(chǔ)能

鋰離子電池儲(chǔ)能具有充放電效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展最快的新型儲(chǔ)能技術(shù)，也是目前大多數(shù)新能源發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能的首要選擇［36］。雖然鋰離子電池儲(chǔ)能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，但其在應(yīng)用過程中也會(huì)出現(xiàn)安全和可靠性問題，系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)、核心材料制造、運(yùn)行優(yōu)化與安全控制技術(shù)是目前鋰離子電池儲(chǔ)能研究的重要方向。

3.3.3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能是功率型的分秒級(jí)物理儲(chǔ)能技術(shù)，具有無污染、壽命長、效率高、運(yùn)行成本低、易于安裝維護(hù)等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)節(jié)的重要技術(shù)［37］。裝機(jī)容量是制約飛輪儲(chǔ)能發(fā)展的一個(gè)主要因素，隨著我國多個(gè)示范項(xiàng)目陸續(xù)建成，大容量功率型飛輪儲(chǔ)能的自主研發(fā)取得了階段性進(jìn)展，為10 MW等級(jí)飛輪陣列儲(chǔ)能示范電站的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

除了上述儲(chǔ)能技術(shù)外，液流電池、鈉離子電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能技術(shù)也正處于集成示范階段，重力儲(chǔ)能、二氧化碳儲(chǔ)能等新技術(shù)也正在研究之中?？傮w而言，每一種儲(chǔ)能技術(shù)都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和固有的技術(shù)限制，多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景需要發(fā)展多樣化的儲(chǔ)能技術(shù)路線。

3.4 CAES技術(shù)在新能源側(cè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

CAES技術(shù)在新能源發(fā)電側(cè)應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）CAES 具有裝機(jī)容量大、儲(chǔ)能時(shí)間長、使用壽命長、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前，規(guī)劃和在建的電站的裝機(jī)容量一般大于100 MW，儲(chǔ)能時(shí)間大于4 h，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的清潔能源消納和削峰填谷，解決日內(nèi)電力供需失衡問題。隨著產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，CAES 未來還有望建成滿足日以上、數(shù)天甚至數(shù)周平衡調(diào)節(jié)需求的儲(chǔ)能電站。

2）CAES的儲(chǔ)能側(cè)和釋能側(cè)都具有寬工況、變負(fù)荷運(yùn)行的能力，可在一定程度上適應(yīng)風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性新能源出力的變化。此外，CAES電站的布置靈活，可耦合性強(qiáng)，能夠與電化學(xué)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等功率型儲(chǔ)能技術(shù)相耦合構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)滿足新能源發(fā)電對(duì)快速調(diào)頻和大規(guī)模高效消納的需求。

3）“雙碳”目標(biāo)背景下，火電機(jī)組會(huì)逐步退出歷史舞臺(tái)，其發(fā)電量占比將會(huì)逐年降低。CAES在技術(shù)原理和主要設(shè)備方面與火電機(jī)組類似，其可以充分借鑒火電機(jī)組在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、裝備制造、生產(chǎn)運(yùn)營等各環(huán)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)，形成全國產(chǎn)化的CAES 產(chǎn)業(yè)鏈，快速推動(dòng)CAES 的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，替代火電機(jī)組成為大規(guī)模新能源發(fā)電系統(tǒng)中穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)載的發(fā)電資源。

4 CAES技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1）類比抽水蓄能，定位于大容量、長時(shí)間物理儲(chǔ)能技術(shù)。

CAES 和抽水蓄能的主要技術(shù)特性對(duì)比如表4所示。其中，在單位造價(jià)方面，中小型抽水蓄能的單位造價(jià)要高于大型抽水蓄能，人工硐室儲(chǔ)氣CAES的單位造價(jià)要高于鹽穴儲(chǔ)氣CAES。從表4 可以看出，與抽水蓄能相比，CAES的儲(chǔ)能效率略低，使用壽命與抽水蓄能相當(dāng)，鹽穴CAES 電站的建設(shè)成本與中小型抽水蓄能相當(dāng)［38］，但其建設(shè)周期短，環(huán)保性好，選址也較抽水蓄能靈活，是目前唯一可以與抽水蓄能相類比的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)。CAES 電站要想充分發(fā)揮其功能，需朝著大容量、長時(shí)間儲(chǔ)能的方向發(fā)展。這一方面可以支撐大規(guī)模新能源的高效消納并充分發(fā)揮其調(diào)峰功能，另一方面也可以通過增加其裝機(jī)容量來降低單位造價(jià)成本，進(jìn)一步提高其經(jīng)濟(jì)性。從表2 可以看出，我國在建和規(guī)劃的CAES電站的單機(jī)規(guī)模一般為100～300 MW，儲(chǔ)能時(shí)長為4～6 h，這些電站將在未來1～2 a 內(nèi)陸續(xù)建成投產(chǎn)，為CAES發(fā)展提供更多的工程實(shí)踐和技術(shù)積累。

表4 CAES與抽水蓄能的主要技術(shù)特性對(duì)比Table 4 Comparison of main technical characteristics between CAES and pumped storage

2）電站儲(chǔ)能效率進(jìn)一步提升。

由于我國CAES 還處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期階段，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)尚不健全，關(guān)于CAES 電站儲(chǔ)能效率的定義和計(jì)算方法也并不統(tǒng)一。本文中所指的儲(chǔ)能效率與火力發(fā)電廠的供電煤耗類似，即考慮了電站啟停功耗、輔機(jī)功耗、廠用電損耗和主變功耗的情況下，電站在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的發(fā)電量與耗電量之比。

與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，CAES電站的儲(chǔ)能效率偏低，目前已運(yùn)行的試驗(yàn)電站和商業(yè)電站的儲(chǔ)能效率為55 %～65 %，這主要受到其自身固有技術(shù)特性的限制。CAES電站儲(chǔ)能效率的提升主要有以下措施：①進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，研發(fā)高溫壓縮機(jī)和優(yōu)選儲(chǔ)熱工質(zhì)，將儲(chǔ)熱溫度提高至500 ℃ 以上；②優(yōu)化各核心裝備的設(shè)計(jì)、制造和加工工藝，進(jìn)一步提升核心裝備的能量轉(zhuǎn)換效率；③優(yōu)化電站的啟停和運(yùn)行方式，降低系統(tǒng)運(yùn)行中各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的損耗。通過上述措施，CAES 電站的儲(chǔ)能效率有望提升到70%以上，成為真正可以與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)。

3）技術(shù)路線、應(yīng)用場(chǎng)景和運(yùn)營模式多元化發(fā)展。

從表2 可以看出，目前我國已運(yùn)行和在建的CAES電站大多布置在電網(wǎng)側(cè)，其功能仍然以削峰填谷為主，運(yùn)行模式和應(yīng)用場(chǎng)景較為單一。在目前“雙碳”目標(biāo)大力發(fā)展新能源的背景下，為了促進(jìn)新能源的高效消納，CAES電站建設(shè)在大規(guī)模風(fēng)光新能源發(fā)電基地才能真正發(fā)揮其價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，因此，未來會(huì)有越來越多的項(xiàng)目布置在電源側(cè)。同時(shí)，在負(fù)荷側(cè)建設(shè)CAES 電站也能夠發(fā)揮其多能聯(lián)儲(chǔ)、多能聯(lián)供的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高能源綜合利用的效率。在儲(chǔ)氣方式方面，除了鹽穴儲(chǔ)氣，未來將有一批采用廢棄礦井、人工硐室和枯竭油氣藏進(jìn)行儲(chǔ)氣的電站進(jìn)入工程驗(yàn)證階段。此外，相比于單一的調(diào)峰運(yùn)行模式，CAES 未來有望在調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)備用、無功支撐等應(yīng)用前景發(fā)揮作用，并發(fā)展出多樣化的商業(yè)運(yùn)營模式。

4）核心裝備標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，建設(shè)成本進(jìn)一步下降。

從表3可以看出，目前CAES 電站的單位造價(jià)為6 000～9 000 元／kW，成本仍然較高。這一方面是因?yàn)镃AES 目前處于由示范項(xiàng)目向商業(yè)化推廣的階段，以壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)、換熱設(shè)備為代表的電站核心裝備尚未系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，研發(fā)成本占比較高；另一方面是因?yàn)槟壳癈AES 電站的規(guī)模容量比較小，尚未形成規(guī)模效應(yīng)，導(dǎo)致其單位造價(jià)的成本較高。此外，對(duì)于廢棄礦井、人工硐室、油氣藏等技術(shù)路線，儲(chǔ)氣庫施工產(chǎn)生的土建或者改建費(fèi)用也比較高。

隨著CAES 產(chǎn)業(yè)鏈的逐步發(fā)展完善、電站裝機(jī)容量的增大、核心裝備標(biāo)準(zhǔn)化／系列化量產(chǎn)、儲(chǔ)氣庫施工標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)健全，CAES的建設(shè)成本還會(huì)有一定的下降空間。但無論是核心裝備的制造生產(chǎn)還是地下儲(chǔ)氣庫的施工建設(shè)，都要求企業(yè)具有較高的技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)加工和施工組織能力，門檻較高，社會(huì)資本的活躍度較小，無法形成類似于風(fēng)電、光伏產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；杀究焖傧陆敌?yīng)［39］。隨著目前規(guī)劃建設(shè)的電站陸續(xù)投產(chǎn)運(yùn)行，預(yù)計(jì)未來3～5 a 內(nèi)，鹽穴CAES電站的建設(shè)成本將下降至5 000～6 000元／kW，人工硐室、廢棄礦井、油氣藏等CAES 電站的建設(shè)成本將下降至6 500～8 000元／kW。

5 CAES技術(shù)應(yīng)用展望

5.1 CAES發(fā)展的瓶頸與挑戰(zhàn)

1）已并網(wǎng)電站都布置在電網(wǎng)側(cè)，新能源發(fā)電側(cè)的應(yīng)用有待工程實(shí)踐驗(yàn)證。

目前我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行和并網(wǎng)發(fā)電的CAES電站都布置在電網(wǎng)側(cè)，其在儲(chǔ)能過程中的輸入是較為穩(wěn)定的電力。當(dāng)CAES 電站建設(shè)在新能源側(cè)時(shí)，電站需要適應(yīng)波動(dòng)性新能源特性，滿足寬工況、變負(fù)荷的運(yùn)行要求，這有待于工程實(shí)踐驗(yàn)證。此外，目前已經(jīng)投產(chǎn)和在建的CAES 電站大多采用鹽穴儲(chǔ)存高壓空氣，鹽穴儲(chǔ)氣具有容量大、壓力高、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但其仍然存在一定程度上的選址受限問題。目前，我國大力發(fā)展“沙戈荒”和“深遠(yuǎn)海”大規(guī)模新能源基地建設(shè)，在地理上一般不具備建設(shè)配套鹽穴儲(chǔ)氣CAES 電站的條件。在“沙戈荒”地區(qū)，CAES 可采用管線鋼或者人工硐室儲(chǔ)氣，但對(duì)于管線鋼技術(shù)路線而言，僅其儲(chǔ)氣系統(tǒng)造價(jià)就高達(dá)5 000～6 000元／kW［39］，不適合大規(guī)模使用。人工硐室儲(chǔ)氣部分的造價(jià)為2 000～2 500元／kW［39］，未來還有進(jìn)一步下降的空間，可用于大規(guī)模壓縮空氣的儲(chǔ)氣空間。我國目前規(guī)劃建設(shè)的人工硐室儲(chǔ)氣CAES電站較多，但大多數(shù)處于可研階段或者建設(shè)初期，其技術(shù)成熟度、安全性、可靠性有待通過示范項(xiàng)目進(jìn)行工程驗(yàn)證。在“深遠(yuǎn)海”新能源基地，未來有望采用水下柔性氣囊儲(chǔ)氣的CAES 技術(shù)路線［40］，其利用水的靜壓實(shí)現(xiàn)恒壓儲(chǔ)氣和恒壓透平發(fā)電，工作壓力恒定，儲(chǔ)能效率高，可應(yīng)用于水光互補(bǔ)、海上風(fēng)電等場(chǎng)景。但目前水下柔性CAES 還處于試驗(yàn)項(xiàng)目原理驗(yàn)證階段，距離真正的工程應(yīng)用還有一段的距離。

2）電站參數(shù)差異化明顯，核心裝備定制化生產(chǎn)導(dǎo)致成本過高。

壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)、換熱設(shè)備是CAES 電站地面系統(tǒng)的核心裝備，其對(duì)CAES 電站的經(jīng)濟(jì)性具有較大的影響。受儲(chǔ)氣條件、接入條件、應(yīng)用場(chǎng)景和投資規(guī)模的影響，目前各CAES 電站的裝機(jī)容量和技術(shù)參數(shù)差異化較為明顯。以江蘇金壇和三峽化德這2個(gè)項(xiàng)目為例，2座電站的裝機(jī)容量均為60 MW，金壇電站采用鹽穴作為儲(chǔ)氣庫，儲(chǔ)氣容積為2.24×105m3，運(yùn)行壓力為13.2～14.0 MPa；化德電站采用人工硐室儲(chǔ)氣，儲(chǔ)氣容積為4×104m3，運(yùn)行壓力為4～10 MPa。這2 個(gè)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)的差異導(dǎo)致壓縮機(jī)、空氣透平這2 個(gè)核心裝備的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行模式都有較大的差別，市場(chǎng)上尚未有系列化產(chǎn)品，需要定制化生產(chǎn)，因此研發(fā)成本較高。

3）CAES標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)有待完善。

標(biāo)準(zhǔn)化工作是CAES 產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的重要支撐，為此，需要加強(qiáng)CAES 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，積極推進(jìn)CAES 關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施落地及其與現(xiàn)有能源電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的銜接［41］。然而，目前CAES 正處于由示范項(xiàng)目向商業(yè)化過渡的關(guān)鍵階段，CAES領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化的工作也處于起步階段，標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)存在頂層設(shè)計(jì)不足、標(biāo)準(zhǔn)編制與立項(xiàng)系統(tǒng)性不強(qiáng)、關(guān)鍵性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失等問題，尚未建立科學(xué)健全的標(biāo)準(zhǔn)體系。

4）以調(diào)峰為主的運(yùn)行模式無法釋放CAES 的價(jià)值，成本疏導(dǎo)機(jī)制不完善。

目前CAES 電站主要作為調(diào)峰電站進(jìn)行使用，運(yùn)行模式較為單一。以金壇電站為例，該電站的裝機(jī)容量為60 MW，與常州地區(qū)用電尖峰時(shí)段60～70 MW的電力缺口相當(dāng)。電站按照江蘇電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行，主要是為晚高峰提供電力供應(yīng)。經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，金壇電站的一次調(diào)頻特性優(yōu)于電網(wǎng)對(duì)火電、燃?xì)廨啓C(jī)及抽水蓄能電站的考核要求，還具備調(diào)相、黑啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)備用、無功支撐等電力市場(chǎng)輔助服務(wù)功能。然而，金壇電站目前尚未參與提供除調(diào)峰外的其他電力服務(wù)。另外，目前關(guān)于新型儲(chǔ)能技術(shù)還沒有明確的成本疏導(dǎo)機(jī)制。金壇電站目前執(zhí)行的是臨時(shí)性“兩部制”電價(jià)政策以維持電站日常運(yùn)營，雖然金壇電站主要作為調(diào)峰電站調(diào)度，但根據(jù)目前的臨時(shí)政策，電站無法享受尖峰電價(jià)，這在一定程度上影響了電站的經(jīng)濟(jì)性。

5.2 CAES產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

1）加快推進(jìn)多元化CAES商業(yè)電站建設(shè)。

在國家相關(guān)政策的指引下，建議各省市能源監(jiān)管部門制定相關(guān)地方性政策和支撐措施，加快推進(jìn)CAES商業(yè)電站的建設(shè)，做好儲(chǔ)氣資源勘探工作。各地可根據(jù)自身電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際需求，因地制宜、揚(yáng)長避短，選擇合適的技術(shù)路線和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行CAES 電站的建設(shè)。在青海、內(nèi)蒙古、陜西、甘肅等地區(qū)，建設(shè)支撐大規(guī)模風(fēng)電、光伏新能源消納的CAES 電站，從而支撐大規(guī)模新能源大基地建設(shè)；在江蘇、山東、湖南、廣東等地區(qū)，建設(shè)大規(guī)模調(diào)峰電站，以支撐當(dāng)?shù)仉娏π枨蟆?/p>

2）開展CAES 核心裝備標(biāo)準(zhǔn)化、系列化相關(guān)工作。

建議以揭榜掛帥、首臺(tái)套申報(bào)等方式組織能源領(lǐng)域重點(diǎn)制造企業(yè)破解和解決CAES 核心裝備研發(fā)和生產(chǎn)中的共性難題及關(guān)鍵技術(shù)，盡快完成壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)、換熱設(shè)備等核心裝備標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的設(shè)計(jì)及制造體系，根據(jù)裝機(jī)容量和技術(shù)參數(shù)的不同形成系列化產(chǎn)品，降低關(guān)鍵設(shè)備的制造加工成本，進(jìn)一步提高CAES電站的經(jīng)濟(jì)性。

3）加快建設(shè)CAES標(biāo)準(zhǔn)體系。

建議各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化工作主管部門加快CAES 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，盡快推動(dòng)構(gòu)建層級(jí)明確、協(xié)調(diào)統(tǒng)一、具有較強(qiáng)指導(dǎo)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，需涵蓋CAES 規(guī)劃設(shè)計(jì)、電站施工調(diào)試及驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)、核心裝備、儲(chǔ)氣系統(tǒng)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等環(huán)節(jié)。將CAES 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作與技術(shù)創(chuàng)新、工程示范一體化協(xié)同推進(jìn)，不斷提升標(biāo)準(zhǔn)編制水平，完善標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。

4）支持新型儲(chǔ)能電站參與電力現(xiàn)貨和輔助服務(wù)市場(chǎng)，建立容量補(bǔ)償機(jī)制，合理設(shè)置補(bǔ)貼機(jī)制。

建議能源監(jiān)管部門帶領(lǐng)各省級(jí)電力市場(chǎng)主管部門、交易中心、電網(wǎng)調(diào)度部門繼續(xù)完善電力現(xiàn)貨、輔助服務(wù)市場(chǎng)。支持并有序推動(dòng)包括CAES 在內(nèi)的新型儲(chǔ)能電站參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)調(diào)峰及提供調(diào)頻、備用、無功服務(wù)、黑啟動(dòng)、慣量支撐等輔助服務(wù)，明確新型儲(chǔ)能電站參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的配套政策和實(shí)施細(xì)則，如調(diào)度方式、收益依據(jù)、結(jié)算方法等。建議探索容量補(bǔ)償機(jī)制或容量市場(chǎng)建設(shè)，彌補(bǔ)市場(chǎng)化輔助服務(wù)細(xì)化困難或無法覆蓋但新型儲(chǔ)能確有提供的輔助服務(wù)價(jià)值。探索儲(chǔ)能租賃市場(chǎng)，增加新能源補(bǔ)貼儲(chǔ)能的儲(chǔ)能獲利方式。

在現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)的容量補(bǔ)償?shù)葯C(jī)制未完善，或市場(chǎng)機(jī)制到位但CAES 仍僅能勉強(qiáng)維持運(yùn)營時(shí)，建議搭配依據(jù)項(xiàng)目一事一議的補(bǔ)貼機(jī)制，保證各電站具有合理的收益，為技術(shù)創(chuàng)新提供持續(xù)動(dòng)力。當(dāng)壓縮空氣等新型儲(chǔ)能因各種原因參與市場(chǎng)困難時(shí)，建議參考抽水蓄能的電價(jià)政策給予合理的容量電價(jià)，保證電站具有合理的收益率。

6 結(jié)論

CAES 是一種清潔環(huán)保的大規(guī)模長時(shí)間物理儲(chǔ)能技術(shù)，在電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)均可發(fā)揮多項(xiàng)功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，我國CAES 技術(shù)正處于由示范項(xiàng)目向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵階段，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來1～2 a 內(nèi)會(huì)有多座電站投入運(yùn)行。在發(fā)展趨勢(shì)上，CAES也將朝著大規(guī)模、高效率、低成本、多元化的方向發(fā)展。然而，CAES 發(fā)展也存在諸多的瓶頸和挑戰(zhàn)：已并網(wǎng)電站均布置在電網(wǎng)側(cè)，新能源發(fā)電側(cè)的應(yīng)用有待工程驗(yàn)證；受制于裝機(jī)容量、核心設(shè)備定制化和儲(chǔ)氣系統(tǒng)施工費(fèi)用的影響，成本仍然偏高；標(biāo)準(zhǔn)頂層設(shè)計(jì)不足，體系不健全；以調(diào)峰為主的運(yùn)行模式無法釋放CAES 的價(jià)值，成本疏導(dǎo)機(jī)制不完善。因此，建議因地制宜加快推進(jìn)多元化CAES 商業(yè)電站的建設(shè)，開展核心裝備標(biāo)準(zhǔn)化、系列化相關(guān)工作，加快CAES 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，支持包括CAES 在內(nèi)的新型儲(chǔ)能電站參與電力現(xiàn)貨和輔助服務(wù)市場(chǎng)，建立容量補(bǔ)償機(jī)制，合理設(shè)置補(bǔ)貼機(jī)制，進(jìn)一步提高壓縮空氣技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和收益率，使其成為支撐我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。