压缩空气储能系统的应用前景及应用

压缩空气储能作为一种理想的大规模储能方式，提高了能源的综合利用效率，未来将具有广阔的应用前景，为整个压缩机行业带来巨大而遥远的蛋糕。

一、大规模储能的必要性

众所周知，随着全球能源生产和消费的不断增长，化石能源日益枯竭，能源危机已成为世界面临的共同问题，对人类的生存和发展构成严重威胁众生。

因此，各国都在积极研发新能源技术，特别是太阳能、风能等可再生能源。

由于风电、光伏等新能源发电的波动性和不确定性，其大规模并网会给电网的安全稳定运行带来诸多挑战。

压缩空气储能（CAES）对地理条件没有特殊要求，其建设成本和响应速度与抽水蓄能电站相当。使用寿命长，储能容量大。大规模储能技术。美国和德国分别有两个大型CAES电站（如图1）

商业运营，多个发电厂正在建设中。此外，许多研究机构和公司也开展了这方面的研究，提出了许多创新的CAES系统技术方案。

二、压缩空气储能的基本原理

压缩空气储能系统可利用低谷电、弃风电、弃光伏等对空气进行压缩压缩空气发电机，密封地下盐穴、地下矿山、过期油气井中的高压空气或新的储气室，以及在电网高峰负荷期间释放压缩空气以驱动涡轮机（燃气轮机、涡轮机等）发电。根据工作原理，压缩空气储能系统可分为补燃式和非补燃式两种。

补燃式CAES需要燃料的补燃来实现系统的循环运行。系统流程如图2(a)所示。

储存能量时，电机带动压缩机将空气压缩至高压并储存在储气室中；释放能量时，储气室内的高压空气进入燃气轮机，与燃烧室内的燃料混合，带动燃气轮机做功，从而带动发电机向外输出电能。补燃式CAES由于采用燃料补燃存在污染排放问题，同时对天然气等燃料也存在依赖。

非补燃式CAES是在传统补燃式CAES的基础上发展而来的。采用热回收技术，将储能过程中压缩过程中产生的压缩热收集并储存起来，在系统释放能量时进入涡轮机。系统流程如图2(b)所示。

非补燃式CAES不仅消除了对燃料的依赖，实现了有害气体零排放，还可以利用涡轮机的压缩热和低温废气提供外部加热和冷却，从而实现冷热电联供。实现了能源的综合利用，系统综合效率高。鉴于非补燃CAES在环境保护和能源综合利用方面的优势，已成为CAES的主流研究方向。

三、压缩空气储能典型应用场景

压缩空气储能技术在电力系统中具有广阔的应用前景。典型的应用场景包括以下几个方面。

1）削峰填谷。集中式大型CAES电站单机容量可达100MW量级，发电时间可达数小时。起到“填谷”的作用，从而促进电力系统的经济运行。

2）消耗新能源。分布式CAES电站容量配置从几兆瓦到几十兆瓦，可与光伏电站、风电场、小水电站等配套建设，存储间歇性可再生能源，高峰期释放消费期来缓解目前的状况。弃风弃光弃水的困境。

3）建立独立的电力系统。 CAES还可用于沙漠、高山、海岛等特殊场合的电力系统。这些地区对储能系统的寿命和环境保护有特殊要求。在这种情况下，若与风电、光伏发电、潮汐发电等清洁能源相结合，结合非补燃CAES冷热电联产的特点，有望打造低碳环保三重冷却、加热和电源独立电源系统。

4）应急备用电源。由于非补燃CAES技术不受外部电网、燃料供应等条件的限制，该技术的应用将保障政府机构、军事设施、医院等重要负荷单位的正常运行。

5）可访问性。压缩空气储能具有功率电压可调的同步发电系统，响应速度快。其大规模应用可以增加整个电力系统的轮换备用和无功支持能力，提高系统的电能质量和安全稳定性。

四、国内技术创新研究进展

近年来，在国家电网公司的支持下，清华大学作为项目负责单位，与中科院理化所、中国电力科学研究院等开展了合作单位开展基于压缩热反馈的非补燃CAES研究，于2014年底完成。世界首个500kW非补燃CAES动态仿真系统（如图3）成功实现储能发电一代。

该系统基于多温区高效热回收技术，将压缩热储存起来，用于加热从涡轮进口的高压空气压缩空气发电机，从而摒弃了天然气补燃的技术路线。欧美现有CAES商用电站，实现储能发电全过程高效转换、零排放。

为了进一步提高系统的储能效率，降低系统建设成本，CAES可以满足不同应用场景的需求。近年来，清华大学在TICC-500基础上，进一步开展了基于盐穴储气库和压力容器储气库的CAES电站工程设计研究、微型CAES系统开发、非补燃CAES研究。太阳能-光热复合利用等工作，不断推动CAES技术的开发和工程应用。

TICC-500系统中的压缩子系统

压缩子系统的作用是利用电能将空气压缩至高压，同时在压缩过程中产生高温压缩热。主要由压缩机本体、辅助装置等组成，通过压缩子系统将电能转化为高压空气的分子内势能和储热介质的热能，从而完成电能转换。

压缩机作为储能过程中的核心部件，具有流量大、压比高、背压变化大的特点。在TICC-500项目中，开发了一种基于双作用活塞和自卸荷技术的非定常压缩系统，可实现压缩机在储能过程中的高效运行。压缩机系统实物图如图6所示，系统参数配置如表1所示。

CAES发电系统，特别是非补燃CAES发电系统，具有储能容量大、环境友好、综合效率高等特点。在电网调峰和新能源消纳方面具有广阔的应用前景，有望成为大规模储能技术的理想解决方案之一。目前，我国没有商业运营的CAES电站，其相关设备开发、电站建设、运行经验非常缺乏。建议通过建设CAES示范电站，促进相关技术成果产业化。

五、未来展望

非补充压缩空气储能具有容量大、效率高、成本低、寿命长等特点。系统运行过程中碳排放为零，可显着减少风能和太阳能的大规模废弃，提高新能源消纳能力；

可与加热和冷却相结合，形成“冷-热-电”三联供系统，形成高效的储能系统；

同时为实现智能微电网和智能微电网群的优化运行提供强大灵活的调节能力和手段。

此外，非补燃压缩空气储能作为一种理想的大规模储能手段，在储能过程中实现了发电、制冷、制热的耦合，进而将智能微电网升级为智能微能源网络化水平提高了能源的综合利用效率，未来将具有广阔的应用前景。

从环保和效率的角度来看，如果未来大规模使用非补燃压缩空气储能和发电应用，压缩机行业将有另一个巨大的市场方向。只是谁能赢得这个巨大的蛋糕还是个未知数。

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