萬(wàn)明忠，王元媛，李峻，鹿院衛(wèi)*，趙甜，吳玉庭

（1.中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司，北京 100022；2.北京工業(yè)大學(xué) 傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策，積極大力發(fā)展可再生能源技術(shù)［1-2］。截至2022 年，我國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重為17.5%，預(yù)計(jì)到2030 年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%，成為我國(guó)能源供應(yīng)的主體，2060 年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重有望達(dá)到80%以上［3］。以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源正在加速我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的低碳化轉(zhuǎn)變，但風(fēng)電和光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性迫切需要規(guī)模化的大容量?jī)?chǔ)能來(lái)保障能源電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行［4］。

我國(guó)目前主要的儲(chǔ)能技術(shù)為抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、高溫熔融鹽儲(chǔ)熱以及電化學(xué)儲(chǔ)能等。抽水蓄能技術(shù)因其具有低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)，成為目前最主要的儲(chǔ)能技術(shù)。截至2022 年9 月底，我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)占裝機(jī)總量的85.6%。但抽水蓄能技術(shù)受特殊地理?xiàng)l件以及儲(chǔ)能密度低等缺點(diǎn)的限制，發(fā)展受到了一定阻礙［5-6］。高溫熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)因其具有成本較低、儲(chǔ)能密度高等優(yōu)勢(shì)，大規(guī)模應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電以及火電廠靈活性改造中，但在“電-熱-電”的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，效率并不高。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)雖具有高能量密度以及高效率的優(yōu)勢(shì)，但鋰離子電池使用成本過(guò)高、壽命較短，儲(chǔ)能過(guò)程中還伴隨著一系列安全問(wèn)題。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有容量大、工作周期長(zhǎng)、效率高、成本低、安全系數(shù)高、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合大范圍推廣的規(guī)?；滦蛢?chǔ)能技術(shù)［7］。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理為在非用電高峰期壓縮機(jī)通過(guò)消耗多余電能（谷電、棄風(fēng)和棄光等）將空氣壓縮至高壓并儲(chǔ)存在空氣儲(chǔ)罐或地下氣穴中；在用電高峰期將高壓空氣釋放，通過(guò)一種特殊構(gòu)造的氣輪機(jī)將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，以?shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性［8-10］。

早期的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)基于燃?xì)廨啓C(jī)工作原理，通過(guò)化石燃料補(bǔ)燃的方式提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。隨著技術(shù)的發(fā)展，為了提高電-電轉(zhuǎn)換效率并避免化石燃料補(bǔ)燃產(chǎn)生碳排放的缺點(diǎn)，研究人員提出了非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)儲(chǔ)存空氣壓縮產(chǎn)生的壓縮熱和膨脹產(chǎn)生的冷能進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體效率。本文通過(guò)闡述壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的工作原理及研究現(xiàn)狀，分析壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)目前所面臨的技術(shù)瓶頸，最后提出其未來(lái)的發(fā)展方向，為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

1.1 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理

早期補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)以燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力機(jī)［11］，其工作原理如圖1所示。儲(chǔ)能過(guò)程中，壓縮機(jī)將環(huán)境大氣壓縮為高壓空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室；釋能過(guò)程中，從儲(chǔ)氣室釋放的壓縮空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室與燃料混合燃燒，生成高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)做功發(fā)電［12-13］。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于未對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)尾氣余熱回收利用，系統(tǒng)整體效率并不高。

圖1 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)工作原理Fig.1 Working principle of a supplementary combustion compressed air energy storage system

1.2 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1978 年，世界首座商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站——德國(guó)Huntorf電站開(kāi)始投入運(yùn)行［14］，其工作原理如圖2 所示。壓縮機(jī)連續(xù)充氣8 h，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電2 h［15］。受燃?xì)廨啓C(jī)排氣熱損失的影響，Huntorf電站的平均效率僅為42%。

圖2 德國(guó)Huntorf電站工作原理Fig.2 Deployment of Huntorf power station in Germany

為進(jìn)一步提高效率，第2 代壓縮空氣儲(chǔ)能電站——美國(guó)McIntosh 電站應(yīng)運(yùn)而生，該電站將燃?xì)廨啓C(jī)尾氣余熱進(jìn)行回收利用，采用地下鹽穴儲(chǔ)氣，連續(xù)壓縮41 h，可連續(xù)發(fā)電26 h。其工作原理如圖3 所示。由于燃?xì)廨啓C(jī)余熱得以利用，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率約為54%［15-16］。與德國(guó)Huntorf 電站相比，系統(tǒng)效率提高了約12百分點(diǎn)。

圖3 美國(guó)McIntosh電站工作原理Fig.3 Deployment of McIntosh power station in the United States

由于受地下鹽穴強(qiáng)密封性地質(zhì)條件、系統(tǒng)效率低、依賴化石燃料及燃?xì)庋a(bǔ)燃產(chǎn)生碳排放等因素限制，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)成功運(yùn)行的新增案例較少，表1 匯總了補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站部分項(xiàng)目。

表1 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站部分項(xiàng)目匯總［11-16］Table 1 Summary of typical supplementary combustion compressed air energy storage power plants［11-16］

2 非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

2.1 非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理

非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)最大的特點(diǎn)是不依賴化石燃料，去掉了燃燒裝置，充分考慮了壓縮熱和膨脹后的余能利用，實(shí)現(xiàn)了零碳排放［17］。其基本原理如圖4 所示。表2 列出了補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比，在非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)/釋能完整過(guò)程中，壓縮熱的回收和再利用是關(guān)鍵，也成為壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向［18-21］。

表2 補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比Table 2 Characteristics of supplementary and nonsupplementary combustion compressed air energy storage technologies

圖4 非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理Fig.4 Deployment of a non-supplementary combustion compressed air energy storage system

2.2 非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

表3匯總了國(guó)內(nèi)外非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的部分項(xiàng)目。2010 年，德國(guó)Adele 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站研制成功。該電站在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮機(jī)組排氣溫度高達(dá)600 ℃，排氣壓力10 MPa，通過(guò)儲(chǔ)熱材料回收這部分壓縮熱，并將其儲(chǔ)存在高溫儲(chǔ)罐內(nèi)；釋能時(shí)，儲(chǔ)存在高溫儲(chǔ)罐內(nèi)的壓縮熱通過(guò)換熱器加熱來(lái)自儲(chǔ)氣室的高壓空氣，進(jìn)入渦輪機(jī)做功發(fā)電，渦輪機(jī)機(jī)組釋能功率90 MW，其理論效率高達(dá)60%～70%［15］。然而，該系統(tǒng)中的高溫壓縮機(jī)制造是限制此技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

表3 國(guó)內(nèi)外非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)項(xiàng)目部分匯總［16，18-25］Table 3 Summary of domestic and foreign non- supplementary combustion compressed air energy storage projects［16，18-25］

2014 年，清華大學(xué)研究人員在安徽蕪湖完成了500 kW 壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目（TICC-500）［22］。該項(xiàng)目利用五級(jí)壓縮、三級(jí)膨脹、壓力水蓄熱、2 個(gè)鋼制的壓力容器儲(chǔ)氣，可連續(xù)發(fā)電1 h。作為示范項(xiàng)目，證實(shí)了技術(shù)的可行性。然而，受制于壓力水儲(chǔ)熱溫度有限，儲(chǔ)能效率僅為33.3%。在此基礎(chǔ)上，清華大學(xué)研究人員采用相同的技術(shù)路線建設(shè)了首個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能國(guó)家試驗(yàn)示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目以高溫導(dǎo)熱油為儲(chǔ)熱介質(zhì)，廢棄鹽穴作為儲(chǔ)氣室，采用兩級(jí)離心壓縮和兩級(jí)軸流膨脹，于2021年在江蘇金壇成功并網(wǎng)投運(yùn)［19］。該電站每天壓縮空氣8 h，發(fā)電5 h，采用導(dǎo)熱油儲(chǔ)存壓縮機(jī)的壓縮熱，系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)61.2%，比美國(guó)的McIntosh 電站效率大約提高6百分點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所陳海生團(tuán)隊(duì)于2013年在河北廊坊建成了發(fā)電功率為1.5 MW 的蓄熱式超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站［23-24］。超臨界狀態(tài)下，系統(tǒng)儲(chǔ)能密度大大增加，儲(chǔ)氣室體積減小，擺脫了系統(tǒng)對(duì)地下儲(chǔ)氣室的依賴。儲(chǔ)能過(guò)程中，壓縮機(jī)將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，并儲(chǔ)存壓縮熱，壓縮空氣被上一個(gè)循環(huán)膨脹發(fā)電儲(chǔ)存的冷量冷卻至液態(tài)，儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中；釋能時(shí)，液態(tài)空氣蒸發(fā)放出冷量，儲(chǔ)存在蓄冷器中，升溫后的壓縮空氣進(jìn)一步被儲(chǔ)存的壓縮熱升溫后進(jìn)入膨脹機(jī)做功發(fā)電，整個(gè)系統(tǒng)電-電效率約為52.1%。采用相同的儲(chǔ)能方案，該團(tuán)隊(duì)于2016 年在貴州畢節(jié)建成了發(fā)電功率為10 MW 的國(guó)家示范電站，系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60.2%，成為當(dāng)時(shí)全球效率最高的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。該電站采用多級(jí)壓縮級(jí)間冷卻的方式壓縮空氣，采用壓力水儲(chǔ)熱回收壓縮熱，采用地面高壓儲(chǔ)罐儲(chǔ)存壓縮空氣?；? 個(gè)示范電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于2022 年在河北張家口建成100 MW 壓縮空氣儲(chǔ)能電站并成功并網(wǎng)，電-電轉(zhuǎn)換效率為70.5%。

上述已成功運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站均通過(guò)儲(chǔ)熱介質(zhì)回收利用壓縮熱，所選用的儲(chǔ)熱介質(zhì)主要為導(dǎo)熱油和壓力水。導(dǎo)熱油儲(chǔ)熱溫度高，但成本高，使用溫度小于400 ℃，當(dāng)溫度超過(guò)350 ℃時(shí)易揮發(fā)碳化，使用壽命短，需要定期更換，增加了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。壓力水介質(zhì)廉價(jià)易得，但因水的臨界參數(shù)較高（22 MPa，374 ℃），當(dāng)以壓力水回收壓縮空氣的壓縮熱時(shí)，水罐壓力隨儲(chǔ)熱溫度升高而大幅增加。例如，150 ℃時(shí)水的飽和壓力為0.476 MPa，而180 ℃時(shí)水的飽和壓力則增加了1 倍，達(dá)1.00 MPa。儲(chǔ)熱溫度越高，壓力越大，儲(chǔ)罐和換熱器壁厚增加，導(dǎo)致投資成本顯著提高。

鑒于導(dǎo)熱油和壓力水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的局限性，在2016年，清華大學(xué)研究人員提出了一種以太陽(yáng)鹽儲(chǔ)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)方案［25］。受當(dāng)時(shí)壓縮機(jī)技術(shù)和熔鹽儲(chǔ)熱材料發(fā)展限制，儲(chǔ)能過(guò)程采用多級(jí)壓縮級(jí)間冷卻，不回收壓縮熱的方式儲(chǔ)存壓縮空氣，釋能時(shí)壓縮空氣經(jīng)熔鹽加熱進(jìn)入膨脹機(jī)做功發(fā)電。由于太陽(yáng)鹽熔點(diǎn)較高（正常使用液體溫區(qū)為220～579 ℃）［26-27］，壓縮機(jī)級(jí)間冷卻壓縮熱溫度較低，無(wú)法通過(guò)熔鹽回收。熱力學(xué)分析表明，膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度為550 ℃，進(jìn)氣壓力為9 MPa 時(shí)，不考慮壓縮熱回收的系統(tǒng)儲(chǔ)能電-電儲(chǔ)能效率為50.6%。

除上述示范項(xiàng)目外，中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司以300 MW 級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能作為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)起點(diǎn)，以地下鹽穴作為儲(chǔ)氣室，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)規(guī)劃了多個(gè)300 MW 級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。主要技術(shù)路線有2 條：（1）中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，以高壓熱水為儲(chǔ)熱介質(zhì)，例如在湖北應(yīng)城正在建設(shè)儲(chǔ)氣容量為1 500 MW·h 的壓縮空氣儲(chǔ)能電站［28-29］；（2）高溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，以低熔點(diǎn)混合熔鹽儲(chǔ)熱+高壓水儲(chǔ)熱為儲(chǔ)熱介質(zhì)，例如在甘肅酒泉和遼寧朝陽(yáng)分別規(guī)劃了儲(chǔ)氣容量為1 500 MW·h 和1 200 MW·h的壓縮空氣儲(chǔ)能電站［30］?？梢?jiàn)，由于高溫壓縮機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，高溫絕熱壓縮的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目由于其效率優(yōu)勢(shì)，正逐步被關(guān)注。

近年來(lái)，隨著高溫壓縮機(jī)及熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展，壓縮機(jī)的壓縮熱已接近350 ℃，回收壓縮熱的混合熔鹽的最低使用下限溫度可降低至150 ℃。因此，有研究者提出了通過(guò)熔鹽儲(chǔ)熱和壓力水接力儲(chǔ)存壓縮機(jī)壓縮熱的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)方案，其原理如圖5所示。

圖5 熔鹽儲(chǔ)熱和壓力水接力儲(chǔ)存壓縮機(jī)壓縮熱的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)方案Fig.5 The compressed air energy storage system taking molten salt to store heat and compressed water to store heat from the compressor in turns

儲(chǔ)能過(guò)程中，常溫常壓的空氣被壓縮為高溫高壓狀態(tài)，依次經(jīng)過(guò)空氣-熔鹽換熱器和空氣-水換熱器，并儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室中，壓縮熱則儲(chǔ)存在高溫熔鹽和壓力水中；釋能時(shí)，來(lái)自儲(chǔ)氣室的壓縮空氣依次流經(jīng)高壓水-空氣換熱器和熔鹽-空氣換熱器，被加熱至高溫高壓狀態(tài)后進(jìn)入膨脹機(jī)做功?；诖嗽硇柽M(jìn)一步開(kāi)發(fā)出滿足要求的低熔點(diǎn)儲(chǔ)熱熔鹽。2023 年，北京工業(yè)大學(xué)與中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種低熔點(diǎn)混合熔鹽，其熔點(diǎn)僅為98 ℃左右，最低使用下限溫度可低至150 ℃。如采用此混合熔鹽儲(chǔ)存高溫壓縮機(jī)的壓縮熱，不僅可以提高壓縮機(jī)壓縮熱的儲(chǔ)存溫度，同時(shí)能將壓力水的儲(chǔ)存溫度降低至150 ℃，減少壓力水罐及相關(guān)換熱器壁厚，顯著降低壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的初投資成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

壓縮空氣儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化物理儲(chǔ)能的有效手段，其技術(shù)路線的更迭體現(xiàn)出相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。本文通過(guò)綜述壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，總結(jié)其發(fā)展的主要受限因素并給出了未來(lái)展望。

（1）補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)受限于燃?xì)廨啓C(jī)效率限制，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率不高。非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)解決了補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)碳排放的問(wèn)題，同時(shí)回收壓縮機(jī)壓縮熱，提高了系統(tǒng)循環(huán)效率。高溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)因其效率優(yōu)勢(shì)成為未來(lái)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的熱門方向。

（2） 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面仍存在諸多挑戰(zhàn)，例如高溫壓縮機(jī)、高效膨脹機(jī)、與壓縮熱回收相匹配的儲(chǔ)熱介質(zhì)等，任何一項(xiàng)技術(shù)的突破都會(huì)積極推動(dòng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率提升。

（3） 隨著高溫壓縮機(jī)及新型儲(chǔ)熱材料的研發(fā)，可通過(guò)低熔點(diǎn)混合熔鹽回收高溫壓縮機(jī)壓縮熱，該技術(shù)路線將進(jìn)一步提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率并且降低投資成本。