超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能

2009 年，中科院工程熱物理所在國(guó)際上原創(chuàng)性地提出超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)利用超臨界狀態(tài)下的流體兼有液體和氣體的雙重優(yōu)點(diǎn)，比如接近液體的較高的密度、比熱容和溶解度，良好的傳熱傳質(zhì)特性;同時(shí)也具有類似氣體的粘度小、擴(kuò)散系數(shù)大、滲透性好、互溶性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

其工作原理是：1)儲(chǔ)能過(guò)程，利用富余電能通過(guò)壓縮機(jī)將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，通過(guò)儲(chǔ)熱系統(tǒng)回收壓縮熱后，利用儲(chǔ)冷系統(tǒng)存儲(chǔ)的冷能將空氣冷卻液化，并儲(chǔ)于低溫儲(chǔ)罐中;2)釋能過(guò)程，液態(tài)空氣加壓后，通過(guò)儲(chǔ)冷系統(tǒng)將冷量?jī)?chǔ)存，空氣吸熱至超臨界狀態(tài)，并吸收儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)存的壓縮熱使空氣進(jìn)一步升溫，通過(guò)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電。

目前，該技術(shù)為中科院工程熱物理所的專利技術(shù)。中科院工程熱物理所于2011 年在北京建成15kW 原理樣機(jī)，并于2013 年在廊坊建成1.5MW 示范系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達(dá)52.1%。目前，10MW 級(jí)示范項(xiàng)目正在建設(shè)中。

水下壓縮空氣儲(chǔ)能

水下壓縮空氣儲(chǔ)能屬于等壓壓縮空氣儲(chǔ)能的一種，該技術(shù)將壓縮空氣存儲(chǔ)在水下(如海底和湖底)，利用水的靜壓特性保持儲(chǔ)氣的壓力恒定，保證壓縮機(jī)出口及膨脹機(jī)入口壓力恒定，從而使壓縮機(jī)和膨脹機(jī)始終工作在額定工況附近，不需要通過(guò)減壓閥進(jìn)行壓力調(diào)整，減少能量損耗，提高系統(tǒng)效率。該系統(tǒng)不需要在儲(chǔ)氣空間保持一定的最小氣壓，使得空氣壓縮能可利用比率更高。此外，該系統(tǒng)安全性相對(duì)較高，即使發(fā)生失效事故，造成的破壞與危害也較小。

加拿大Hydrostor 公司于2015 年建成660kW 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。英國(guó)諾丁漢大學(xué)研制了1.8 米和直徑5 米的儲(chǔ)氣包，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其余如美國(guó)加州大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、北卡羅來(lái)納大學(xué)、麻省理工大學(xué)、我國(guó)的中科院工程熱物理所、華北電力大學(xué)都進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，目前尚無(wú)大規(guī)模示范項(xiàng)目建成。

外部熱源補(bǔ)熱類壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用外界熱源來(lái)提升空氣做功發(fā)電能力，提高系統(tǒng)整體效率。其可利用的熱源包括太陽(yáng)能熱利用，工業(yè)企業(yè)如冶金、化工、水泥、玻璃等行業(yè)的余熱廢熱，核電等發(fā)電廠的余熱，生物質(zhì)制取的沼氣、合成氣等。

目前，應(yīng)用較廣泛的是太陽(yáng)能補(bǔ)熱型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽(yáng)集熱裝置聚光形成溫度可達(dá)500℃以上的高溫?zé)嵩磳?duì)壓縮空氣進(jìn)行補(bǔ)熱升溫后，再推動(dòng)透平膨脹做功，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

美國(guó)普渡大學(xué)、英國(guó)華威大學(xué)、英國(guó)諾丁漢大學(xué)、伊朗德黑蘭大學(xué)、中科院工程熱物理所、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了相關(guān)研究。

主要應(yīng)用領(lǐng)域

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)最早主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰和調(diào)頻，但隨著技術(shù)不斷發(fā)展和微小型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車動(dòng)力系統(tǒng)、UPS 電源等方面都得到了應(yīng)用。

電力系統(tǒng)調(diào)峰

目前，每日的用電負(fù)荷是波動(dòng)變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當(dāng)前的發(fā)電裝機(jī)容量與電網(wǎng)容量需按最大需求建設(shè)，導(dǎo)致用電低谷時(shí)發(fā)電機(jī)組停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行，以及電網(wǎng)容量的浪費(fèi)。壓縮空氣儲(chǔ)能作為大規(guī)模容量型儲(chǔ)能技術(shù)，可將用電低谷多發(fā)出的電能儲(chǔ)存，在用電高峰釋放，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，減少發(fā)電裝機(jī)及電網(wǎng)容量，提升電力系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性。

可再生能源

可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能均具有間歇性、不穩(wěn)定性，直接發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，故棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲(chǔ)存起來(lái)，再按照需求平穩(wěn)、可控的釋放，具有平滑波動(dòng)、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能，實(shí)現(xiàn)可再生能源電力大規(guī)模并網(wǎng)，有效解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。

分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。但分布式能源系統(tǒng)相較于大電網(wǎng)，具有負(fù)荷波動(dòng)大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等缺點(diǎn)。壓縮空氣儲(chǔ)能可作為負(fù)荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問(wèn)題，提高系統(tǒng)的供電可靠性、穩(wěn)定性，并可實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)及孤網(wǎng)運(yùn)行。由于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)過(guò)程中產(chǎn)生熱量，可以和制冷、制熱系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

電力系統(tǒng)調(diào)頻

壓縮空氣儲(chǔ)能電站可以和其他如燃?xì)廨啓C(jī)電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統(tǒng)調(diào)頻的作用。當(dāng)壓縮空氣儲(chǔ)能電站與其他儲(chǔ)能技術(shù)如超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、化學(xué)電池等相結(jié)合時(shí)，調(diào)頻速度會(huì)更快更有效。

其他應(yīng)用

壓縮空氣儲(chǔ)能在其他領(lǐng)域也有較廣泛的應(yīng)用，可以為汽車、高爾夫球車等移動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力;也可以作為不間斷電源(UPS)，為數(shù)據(jù)機(jī)房、精密儀器制造、醫(yī)療設(shè)施、國(guó)防設(shè)施等關(guān)鍵部件提供保障性電源;系統(tǒng)經(jīng)膨脹機(jī)做功發(fā)電后釋放的空氣由于溫度低且經(jīng)過(guò)了凈化，還可用于空調(diào)系統(tǒng)為建筑提供新風(fēng)和冷量。

挑戰(zhàn)及機(jī)遇

技術(shù)性能需要進(jìn)一步提升

雖然新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展速度較快，但各項(xiàng)技術(shù)性能仍需進(jìn)一步提升，尚不能完全滿足大規(guī)模推廣的要求。目前，新型壓縮空氣儲(chǔ)能最高效率為60% 左右， 距離高效電池儲(chǔ)能技術(shù)的效率(80% 以上) 還有一定差距;其系統(tǒng)最大規(guī)模為10MW， 尚未達(dá)到傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能百兆瓦規(guī)模; 其系統(tǒng)單位成本約為6000~10000 元/kW 暨1500~2500 元/kWh，仍有足夠的下降空間。

迫切需要開(kāi)展大規(guī)模系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)

大規(guī)?；菈嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是其降低成本和提升性能的主要途徑?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)模偏小(1-10MW)，還不能滿足對(duì)儲(chǔ)能規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，迫切需要啟動(dòng)更大規(guī)模(100MW 級(jí))的新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)。

研發(fā)力量尚顯不足

由于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程且單臺(tái)機(jī)組規(guī)模大，其技術(shù)研發(fā)門檻較高，需要組建大規(guī)模的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和大量的資金投入，故目前從事該技術(shù)研發(fā)的機(jī)構(gòu)、團(tuán)隊(duì)相對(duì)較少;由于系統(tǒng)內(nèi)部件繁多，需要建設(shè)大量的部件及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，目前全球范圍已建成的高水平研發(fā)平臺(tái)較少，未給予足夠的研發(fā)條件支撐。

示范和應(yīng)用亟需加強(qiáng)

新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少，規(guī)模小，不能滿足技術(shù)發(fā)展的示范需求，迫切需要各國(guó)政府、企業(yè)加強(qiáng)政策引導(dǎo)、加大資金支持。目前大部分國(guó)家尚未形成系統(tǒng)的電價(jià)補(bǔ)償和激勵(lì)政策，全球商業(yè)運(yùn)行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

隨著各國(guó)電價(jià)政策的逐漸完善，大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的陸續(xù)建成，壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的快車道。相信在良好的政策環(huán)境下，在產(chǎn)業(yè)鏈上下游的大力支持下，在科研機(jī)構(gòu)持續(xù)不斷的技術(shù)革新下，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)一定會(huì)持續(xù)健康發(fā)展，快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

(該文研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0903602)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51676181)、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDB-SSW-JSC023)、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D161100004616001 ;D161100004616002)的資助。)