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01.什么是壓縮空氣儲能？
壓縮空氣儲能，是指在電網負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機發(fā)電的儲能方式。形式主要有，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)、帶儲熱裝置的壓縮空氣儲能系統(tǒng)、液氣壓縮儲能系統(tǒng)。
圖片來源：國網湖北電力
02.壓縮空氣儲能系統(tǒng)構成
壓縮空氣儲能系統(tǒng)一般包括6個主要部件：
壓縮機，一般為多級壓縮機帶級間冷卻裝置；
膨脹機，一般為多級渦輪膨脹機帶級間再熱設備；
燃燒室及換熱器，用于燃料燃燒和回收余熱等；
儲氣裝置，地下或者地上洞穴或壓力容器；
電動機/發(fā)電機，分別通過離合器和壓縮機以及膨脹機聯(lián)接；
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。
03.壓縮空氣儲能的工作原理
壓縮空氣儲能系統(tǒng)是以高壓空氣壓力能作為能量儲存形式，并在需要時通過高壓空氣膨脹做功來發(fā)電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作過程可分為儲能和釋能兩個環(huán)節(jié)。
儲能環(huán)節(jié)：壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用風/光電或低谷電能帶動壓縮機，將電能轉化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲于報廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或者人造的儲氣罐中；
釋能環(huán)節(jié)：通過放出高壓空氣推動膨脹機，將存儲的空氣壓力能再次轉化為機械能或者電能，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)在釋能階段需要在燃燒室內燃燒化石燃料來加熱空氣，以實現(xiàn)利用空氣發(fā)電的功能。
04.壓縮空氣儲能的儲存形式
壓縮空氣儲能主要以兩種形式儲存：壓縮空氣蓄能罐和地下儲氣庫。
壓縮空氣蓄能罐
壓縮空氣蓄能罐是將壓縮空氣儲存在大型的氣體容器內。這種儲存方式需要考慮儲罐的大小和壓力，以保證罐內的空氣能夠有效地驅動發(fā)電機。
壓縮空氣蓄能罐一般分為兩種類型：鋼制儲氣罐和混凝土儲氣罐。鋼制儲氣罐可以容納更高的壓力，更適合進行高強度的儲存，但成本較高。而混凝土儲氣罐成本較低，但需要更大的體積才能儲存同樣的壓縮空氣。
地下儲氣庫
地下儲氣庫是將壓縮空氣儲存在地下洞穴或鹽穴中。這種儲存方式具有較高的儲存能力和安全性，但需要考慮儲存洞穴或鹽穴的地質特征和環(huán)境影響等問題。
地下儲氣庫有兩種類型：注入式和抽放式。注入式儲氣庫是將壓縮空氣通過管道注入洞穴或鹽穴中，而抽放式儲氣庫則是通過井或管道將壓縮空氣抽放到儲存區(qū)域。
05.壓縮空氣儲能的分類
一般來說，壓縮空氣儲能可分為以下幾種類型:
機械壓縮式儲能系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過機械設備將空氣壓縮儲存，再通過發(fā)電機將儲存的能量轉化為電能。
熱力壓縮式儲能系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過利用地熱或太陽能等熱源產生高溫氣體，再將高溫氣體壓縮儲存，最后利用儲存的能量產生電能。
液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)：該系統(tǒng)將空氣壓縮成液態(tài)，儲存在儲罐中，需要時通過加熱將液態(tài)空氣轉化為氣態(tài)，再通過渦輪發(fā)電機將儲存的能量轉化為電能。
吸附式空氣儲能系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過利用物理或化學吸附材料將空氣壓縮儲存，需要時通過熱力或減壓將儲存的能量釋放出來。
06.壓縮空氣儲能的技術路徑
目前最主要的新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要有三個新的技術路徑：蓄熱式壓縮空氣儲能（TS-CAES）、液態(tài)壓縮空氣儲能系統(tǒng)（LAES）、超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)（SC-CAES）。
蓄熱式壓縮空氣儲能（TS-CAES）：空氣壓縮過程會產生壓縮熱，在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能中，這部分熱量通常被冷卻水帶走，最終耗散掉，而蓄熱式壓縮空氣儲能則將這部分熱量在儲能時儲存起來，而在釋能時用這部分熱量加熱膨脹機入口空氣，實現(xiàn)能量的回收利用，提高了系統(tǒng)效率。同時由于膨脹機前有壓縮熱的加熱，可以取消燃燒室，即該系統(tǒng)也擺脫了對化石燃料的依賴。
液態(tài)壓縮空氣儲能系統(tǒng)（LAES）：借助于空氣降溫液化技術，通過添加流程使空氣以液態(tài)形式儲存。儲能時，經過壓縮機的高壓空氣進入回熱器降溫和降壓設備進行液化，被液化的常壓低溫液態(tài)空氣儲存在儲液罐中；釋能時，液態(tài)空氣經過低溫泵升壓、回熱器升溫，然后進入燃燒室，與燃料混合燃燒后進入膨脹機膨脹做功。
超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)（SC-CAES）：利用空氣的超臨界特性，在蓄熱/冷過程中高效傳熱/冷，并將空氣以液態(tài)形式儲存，實現(xiàn)系統(tǒng)高效和高能量密度的優(yōu)點，系統(tǒng)兼具蓄熱式和液態(tài)壓縮空氣儲能的特點，同時擺脫了依賴大型儲氣室和化石燃料的問題。
07.壓縮空氣儲能有哪些優(yōu)勢
壓縮空氣儲能具有容量大、儲能時間長、安全性較高等優(yōu)點，具體如下：
規(guī)模上僅次于抽水蓄能，適合大規(guī)模儲能。壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以持續(xù)工作數小時乃至數天；
項目建設選址限制少。雖然將壓縮空氣儲存在合適的地下礦井或巖穴中是最經濟的方式，但也可以用地面高壓儲氣罐取代地下洞穴；
系統(tǒng)使用壽命長。通過恰當維護可以達到40～50年，接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以達到60%以上，接近抽水蓄能電站；
安全性較高。壓縮空氣儲能使用的原料是空氣，不會燃燒，且不產生任何有毒有害氣體。
當然，壓縮空氣儲能缺點也比較明顯，尤其是與電化學儲能相比：
目前壓縮空氣儲能的效率能達到60%以上，與效率較高的電池（90%以上）相比相對較低；
響應速度沒有電化學儲能快，負荷從0到100%的正常響應時間在分鐘級，而電化學儲能為秒級到毫秒級；
一般情況下不適合太小規(guī)模的應用場景，規(guī)模太小，系統(tǒng)效率會下降，單位成本也會增加。
08.壓縮空氣儲能技術特點
壓縮空氣是實現(xiàn)壓縮空氣儲能發(fā)電的核心能量載體，而壓縮空氣的長周期、大容量存儲則需要借助儲氣裝置實現(xiàn)。為支撐壓縮空氣儲能系統(tǒng)實現(xiàn)安全高效的大容量、長周期儲能運行，儲氣裝置必須具備相應的技術特點：
耐高壓，適用于 6~15兆帕工作壓力壓縮空氣介質的存儲，具備防超壓、防泄漏、防滲透、防腐蝕能力；
抗沖擊，適用于日循環(huán)周期性充放氣工況，具備抗壓力交變和抗溫度交變能力；
易實施，技術成熟，生產加工工藝成熟，運行維護便利，退役報廢成本低；
容量大，具備數千立方至數十萬立方不等的有效可利用容積；
流量大，能夠提供數千至數十萬標立方每小時的充放氣流量；
壓損小，單個充放氣循環(huán)的壓力損失可控制在數公斤壓力之內；
占地少，地表占地面積較??；
成本低，單位立方存儲容積的造價經濟合理。
09.壓縮空氣儲能設計要點
在設計壓縮空氣儲能系統(tǒng)時，需要對整個系統(tǒng)的危險區(qū)域進行詳細評估，并提供相應的安全標識，包括但不限于接地標識、逃生指示、嚴禁煙火、當心觸電等。同時，所有設備都應有防塵、防潮和防鹽霧的設計，以確保設備的穩(wěn)定運行。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置應根據氣源條件、用氣條件、儲氣罐材質及儲氣裝置附近安全因素，地下高壓儲氣庫應進行地質勘察，并根據工程巖體分級開展區(qū)域構造穩(wěn)定性評估，經綜合分析和技術經濟對比后，確定最終工藝方案。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)應考慮危險區(qū)域信息，并根據區(qū)域分級提供安全標識，應包括但不限于接地標識、逃生指示、嚴禁煙火、當心觸電、禁止帶電操作、壓力容器、高溫高轉速設備等。事故突發(fā)情況下可指示操作人員及時正確地脫離危險場所。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)的生產車間、作業(yè)場所、輔助建筑、附屬建筑、生活建筑和易燃易爆的危險場所以及地下建筑物設計應符合GB 50016的有關規(guī)定。
補燃型壓縮空氣儲能系統(tǒng)應按GB 50016設置消防措施，管道系統(tǒng)法蘭應加裝跨接導體防止靜電。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)所有設備應防塵、防潮和防鹽霧，并防止昆蟲和動物進入以免引起短路和設備損壞。
管道絕熱材料、電纜材料和墻體密封材料應采用阻燃材料。
內部溫度超過100 ℃的管道和容器應避免泄漏時人體直接接觸。
儲氣裝置應設置安全警示標識和報警系統(tǒng)。
壓力容器和壓力系統(tǒng)應設置安全閥和安全護欄。
儲氣裝置應設置高壓氣源危險標識，宜在高點設置泄壓放空設施以實現(xiàn)安全泄放。
10.壓縮空氣儲能技術發(fā)展歷程
壓縮空氣儲能的技術進化，圍繞更高效率、更靈活應用場景發(fā)展：
一、初級探索階段（1940~1970年代）——這一階段壓縮空氣儲能技術的基本原理和概念得到了驗證。理念在1949年被提出，利用地下洞穴儲存壓縮空氣作為能量存儲手段。
二、商業(yè)化應用階段（1980年代至1990年代）——這一階段，壓縮空氣儲能技術進一步發(fā)展和應用。主要進步為：1）改進了地下洞穴或礦井作為儲氣庫的技術，確保了儲氣庫的安全性和穩(wěn)定性。2）開發(fā)了高效渦輪機，使得系統(tǒng)的能量轉換效率得以提升。
三、快速發(fā)展階段（2000年代至今）——這一階段在效率和應用場景上都有了顯著進步。主要進步為：
1）先進熱管理系統(tǒng)：包括絕熱壓縮技術，通過高效的熱回收和再利用系統(tǒng)，提高了整體效率。典型代表是德國ADELE項目，該項目容量90 MW、儲氣容量約50萬立方米的地下鹽洞、效率70%。
2）儲氣介質多樣化：研究和應用了多種儲氣介質，包括液態(tài)空氣儲能（LAES）等，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。典型代表是英國Highview Power項目（試驗中），項目容量5 MW儲能時間可以在數小時至數天之間靈活調整、預計效率可以達到50% - 60%。
3）智能控制系統(tǒng)：引入了控制和監(jiān)測系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的運行效率和安全性，能夠更好地與現(xiàn)代電網兼容。
11.壓縮空氣儲能產業(yè)鏈
上游——設備、資源供應：核心設備包括空氣壓縮機、透平膨脹機、蓄熱換熱系統(tǒng)等，此外還需要儲氣鹽穴資源等。
中游——技術提供與項目建設：目前國內壓縮空氣儲能的技術積累與項目建設已做到全球領先。主要的技術提供方是中科院熱物理研究所下屬的中儲國能，以及清華大學等高校。
下游——電網系統(tǒng)：壓縮空氣儲能電站接入電網系統(tǒng)，服務于工業(yè)用電、商業(yè)用電、居民用電等部門，起到調峰、填谷、調頻、調相、儲能、事故備用等關鍵作用。
12.代表企業(yè)
中能建數字科技集團有限公司
中能建數字科技集團有限公司成立于2022年1月，注冊資本金50億元，為中國能源建設股份有限公司的全資子公司。數科集團是中國能建數字化轉型和科技強企的主要載體，2023年入選國務院國資委創(chuàng)建世界一流和專精特新“雙示范”企業(yè)。數科集團擁有自主知識產權的“300MW級壓縮空氣儲能電站系統(tǒng)解決方案”，采用人工硐室、地下鹽穴儲氣技術推動工程實踐，在建項目單機容量、儲能規(guī)模均處于世界領先水平。
河北建投儲能技術有限公司
河北建投儲能技術有限公司成立于2023年3月31日，注冊資本20000萬元，榮獲“河北省科技型中小企業(yè)”稱號，由河北建投能源控股60%，河北建投國融參股40%，屬于河北建設投資集團有限責任公司子企業(yè)。建投儲能是集團公司響應國家構建新型電力系統(tǒng)規(guī)劃、貫徹河北省委省政府建設新型能源強省要求、加快布局儲能氫能等新賽道、打造儲能領域原創(chuàng)技術策源地、培育儲能技術和產業(yè)而成立的新公司。建投儲能致力于培育儲能技術、開發(fā)關鍵裝備、集成儲能系統(tǒng)、提供儲能系統(tǒng)解決方案和全過程服務、以及投資運營儲能項目。建投儲能將依托集團公司內部產業(yè)，推動建設國內液態(tài)空氣儲能與火電耦合深度調峰和LNG耦合的示范項目，并建設、運營商業(yè)化獨立儲能電站，成長為具有完全自主知識產權的市場化儲能公司。
哈爾濱汽輪機廠有限責任公司
哈電集團哈爾濱汽輪機廠有限責任公司（以下簡稱“公司”）是我國“一五”期間156 項重點建設工程項目中的2項——電站汽輪機和JC主動力裝置的生產基地，是以設計制造高效、環(huán)保、清潔能源為主的大型煤電汽輪機、核電汽輪機、JC主動力裝置、重型燃氣輪機及30MW 燃壓機組、工業(yè)汽輪機、太陽能發(fā)電系統(tǒng)設備、儲能設備、控制保護系統(tǒng)設備、輔機設備等系列主導產品和服務的國有大型發(fā)電設備制造骨干企業(yè)，產品性能居行業(yè)領先水平。
東方電氣集團東方汽輪機有限公司
東方汽輪機為東方汽輪機廠的承續(xù)公司，隸屬于中國東方電氣集團有限公司，是我國研究、設計、制造大型發(fā)電設備的高新技術國有企業(yè)，是大型船艦用動力主、輔機定點生產企業(yè)，也是全國機械工業(yè)100強企業(yè)和我國三大汽輪機制造基地之一。產品涵蓋氣電、清潔高效煤電核電、工業(yè)透平、電站服務、新能源工程、儲能業(yè)務、特種裝備、新興產業(yè)等多個領域。
中儲國能(北京)技術有限公司
中儲國能（北京）技術有限公司成立于2018年，是中國科學院工程熱物理研究所百兆瓦級先進壓縮空氣儲能技術的產業(yè)化公司，先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的開拓者和引領者。中儲國能控股子公司華科超能是國家高新技術企業(yè)、北京市專精特新企業(yè)、中關村前沿技術企業(yè)，具備百兆瓦級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)、設計，核心裝備制造、工程實施，以及電站投資和運營全套能力。
中綠中科儲能技術有限公司
中綠中科儲能技術有限公司由中國綠發(fā)和中國科學院理化所于2023年聯(lián)合成立，以液態(tài)空氣儲能技術為中心，集儲能核心設備研發(fā)與集成、儲能電站EPC、投資運營于一體，致力于打造成為世界級液態(tài)空氣儲能產業(yè)平臺。
陜鼓動力股份有限公司
陜鼓動力成立于1999年，是以陜西鼓風機（集團）有限公司（1968年建廠）生產經營主體和精良資產為依托發(fā)起設立的股份公司，陜鼓動力已取得全球首臺套300MW級壓縮空氣儲能電站示范工程項目，助力項目實現(xiàn)非補燃壓縮空氣儲能領域單機功率世界領先、儲能規(guī)模世界領先、轉換效率世界領先。并相繼取得全球首臺套300MW人工硐室壓縮空氣儲能項目、全球最大規(guī)模350MW鹽穴壓縮空氣儲能等項目突破，實現(xiàn)儲能業(yè)績世界領先。
沈鼓集團股份有限公司
沈鼓集團是中國重大技術裝備行業(yè)的支柱型、戰(zhàn)略型、領軍型企業(yè)，始建于1952年。主要從事大型離心壓縮機、大型軸流壓縮機、大型往復式壓縮機、大型泵以及工業(yè)汽輪機等被喻為“工業(yè)心臟”的高端裝備研發(fā)、設計、制造和全生命周期服務業(yè)務。擔負著我國能源、化工、冶金、電力、環(huán)保、空分、國防、科研等關系國計民生的重大工程項目提供國產裝備的任務，關系到國家經濟安全，被譽為“國家砝碼”“大國重器”。
百穰新能源科技（深圳）有限公司
百穰新能源是一家專注于安全、長時、綠色、可持續(xù)儲能技術，并為全球用戶提供儲能系統(tǒng)定制化方案和產品的高新技術綠色能源企業(yè)。百穰長時大容量二氧化碳儲能系統(tǒng)，具有“高效率、低成本、高安全、無污染、長壽命、智能化”等多項優(yōu)勢；系統(tǒng)具備獨特的余熱利用能力，能夠挖掘中國工業(yè)余熱的巨大潛在價值；系統(tǒng)具有極好的普適性，可在各種地理環(huán)境和氣候條件下使用，可廣泛應用于新能源發(fā)電配套儲能、用戶側儲能、電網側調峰調頻儲能等不同應用場景。
開山集團股份有限公司
開山集團股份有限公司隸屬于開山控股集團股份有限公司全資子公司，1956年成立于浙江省衢州市，是一家擁有60余年歷史的公司，開山擁有世界一流的壓縮機核心技術。采用世界知名壓縮機專家湯炎博士的"Y"系列型線的高效率壓縮機主機，大大提高了空氣壓縮機和制冷壓縮機的能源使用效率，減少了二氧化碳的排放量。螺桿膨脹發(fā)電技術，包括余壓直接膨脹和ORC有機朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術，能充分利用生產中產生余熱余壓等低品位熱能進行發(fā)電，也減少了能源的浪費，有效的降低二氧化碳的排放。螺桿膨脹發(fā)電技術還能應用到地熱、光熱和生物能等新能源和可再生能源領域，減少對化石能源的依賴。這些為中國乃至世界的節(jié)能減排作出了巨大的貢獻。
江蘇蘇井神鹽化股份有限公司
蘇鹽井神公司是蘇鹽集團控股子公司，是集科研、生產、銷售于一體的全國大型鹽礦資源綜合開發(fā)利用企業(yè)。公司堅持“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”新發(fā)展理念，依托國家企業(yè)技術中心、江蘇（井神）鹽化工循環(huán)經濟技術研究院等6個省級研發(fā)平臺，加強技術創(chuàng)新，推動產業(yè)升級，先后承擔各類科技研發(fā)項目300余項，其中13項重點項目獲得國家、省級立項；申請專利138件，獲得授權專利91件。自主研發(fā)的“井下循環(huán)制堿工藝”“連通井建造大型儲氣庫關鍵技術”“巖鹽水溶法充填開采技術”，成為國內井礦鹽行業(yè)原創(chuàng)性核心技術。2021年，被評為“首屆江蘇省科技創(chuàng)新發(fā)展獎優(yōu)秀企業(yè)”。
安徽佑賽科技股份有限公司
安徽佑賽科技股份有限公司成立于2011年，以壓縮空氣儲能為主營業(yè)務，專注于壓縮空氣儲能技術研發(fā)、核心裝備研制與總成，同時開展覆蓋上游電源裝備、中游新能源電站開發(fā)建設、下游物聯(lián)網運維的全鏈條關鍵產品研發(fā)、生產與銷售業(yè)務。獲評國家級“專精特新小巨人”企業(yè)、國家級高新技術企業(yè)。
13.壓縮空氣儲能應用場景
壓縮空氣儲能技術因其高效能和靈活性，被廣泛應用于多個領域，主要包括：
電源側：
壓縮空氣儲能系統(tǒng)與風電、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)集成，有效提升新能源的電能質量和可控性。
通過構建風儲或光儲一體化系統(tǒng)，提高新能源發(fā)電的穩(wěn)定性和效率。
電網側：
可以直接接入輸電網或配電網，并接受電力調度機構的統(tǒng)一調度。
提供調峰、調頻、調相、備用、黑啟動等技術服務，有助于緩解輸配電阻塞，提高供電可靠性。
負荷側：
與光熱、地熱、工業(yè)余熱等能源相耦合，應用于工業(yè)園區(qū)、公共建筑等，提高系統(tǒng)布置的靈活性和利用效率。
14.壓縮空氣儲能收益模式
第一種，可再生能源+儲能，風光儲一體。
第二種，電網側儲能，類似抽水蓄能，響應電網調度，依靠容量電價和電量電價，以示范項目的形式是可能的。電網特別需要長時儲能，抽水蓄能雖然開工了很多，但是建成投用一般都是7年以后的事了。
第三種就是用戶側，比較成功的就是山東的共享儲能模式，用戶能夠租賃、購買服務，共享儲能是個比較好的商業(yè)模式，山東儲能收益主要靠共享儲能，容量電價很少。
第四種，發(fā)電企業(yè)或者用戶自己裝配，峰谷差套利省錢，電能質量管理，極端情況下保電，提高電力保障可靠性。
15.壓縮空氣儲能前景展望
壓縮空氣儲能技術在高比例間歇性可再生能源發(fā)電并網的背景下具有前瞻性的戰(zhàn)略意義。有儲熱的空氣絕熱壓縮儲能系統(tǒng)不僅綜合儲能效率可高達70%，而且無需熱源供熱。相比有熱源的非絕熱壓縮空氣儲能、有儲熱的空氣絕熱壓縮儲能系統(tǒng)無需燃燒燃料供熱，因此更加容易實現(xiàn)二氧化碳減排。
總之，在“雙碳”目標和可再生能源使用比例逐步提高的背景下，帶有儲熱的絕熱空氣壓縮儲能技術與可再生能源耦合系統(tǒng)很有發(fā)展前景。
