浅谈压缩空气储能技术的应用前景

浅谈压缩空气储能技术的应用前景

刘伟

（山东电力工程咨询院有限公司山东省济南市250013）

摘要：近年来，在化石能源危机和减少环境污染的背景下，新能源作为重要发展战略之一，得到了大规模的推广和应用。但风能、太阳能等新能源具有波动性和随机性，对电力系统安全稳定性会造成影响。同时，用电峰谷差值日益明显，储能技术是解决此类问题的有效途径。与抽水蓄能、电化学储能等其他储能技术相比，压缩空气储能技术有独特的优势，发展潜力巨大，有着广阔的应用前景。

1储能方式简介

按照技术的不同，电力储能可分为机械、电磁和电化学等类别，具体包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、铅酸电池、钠硫电池、锂电子电池等。其中抽水蓄能、压缩空气储能单机规模可达百兆瓦以上，适合在大规模电力储能的应用，而且均已投入商业应用。

抽水蓄能技术容量大，能量释放时间可达几天，技术成熟，转化效率较高，实际应用也最为广泛。但抽水蓄能技术需要建设不同高度的两个水库，这对厂址选择提出了很高的要求，且建设周期长，基建成本高。

压缩空气储能技术与抽水蓄能技术在规模上相当，同样适用于大容量、大规模的电站规模。但压缩空气的基建成本和运行成本较低，而且在选址上限制更少，大规模的储能电站最合适的是利用地下矿井或洞穴，而规模较小时则可采用地上储罐的方式，方便灵活，易于选址[1-3]。

压缩空气储能系统主要包含压缩机、储气室和膨胀机三大主要部件及其他辅助系统组成。压缩空气储能按运行原理可分为补燃式和非补燃式。补燃式为储气室中的压缩空气进入燃烧室与燃料混合燃烧，推动透平做功带动发电机发电。补燃式是和燃气轮机相似的技术，不同点在于压缩机和透平不同时工作。

非补燃式压缩空气储能是不利用外来燃料，采用压缩热来加热进入膨胀机的空气，提高入口参数。可见，非补燃式压缩空气系统不依赖外来燃料，且可利用压缩热和排汽对外供热和供冷，从而实现冷热电三联供。

2压缩空气储能的发展

世界上第一座投入商业运营的压缩空气储能电厂是1978年德国北部建成的Huntorf电厂，并运营至今。其储能容量为580MWh，发电功率为290MW。该电厂采用的是补燃式系统，平均效率为33%~46%。

第二座压缩空气储能电站McIntosh电站在美国Alabama州于1991年投入商业运行。该电站储能容量为2860MWh，发电功率为110MW，同样采用的是补燃式压缩空气系统，但增加了回热系统，平均系统达到54%。另外，1998年投运的日本上砂川盯压缩空气储能电站，采用补燃式系统，储能容量2MWh，发电功率2MW。

可见，国外已建成的压缩空气储能电站均采用的补燃式系统用以提高效率。虽然通过天然气补燃提高了系统的效率，但仍摆脱不了对化石燃料的依赖，且会增加排放，不利于节能减排的推进。所以，非补燃式压缩空气储能技术有着更大的推广意义和发展前景。

我国虽没有投入商业运行的项目，但近年来在压缩空气储能方面进行了多方面研究，取得了很大发展。清华大学等单位于2012年开展了基于压缩热回馈的非补燃压缩空气储能发电技术的研究，去除了燃料补燃，系统效率达到41%。在2014年建设了第一台500KW非补燃压缩空气储能动态模拟系统并实现了储能发电。在系统集成方面，中科院搭建了MW级别先进压缩空气储能实验平台，并完成了国际首套1.5MW先进CAES系统的示范系统，已运行4000h以上，系统效率达到52%，超过了国际上同等规模系统效率。2016年，由中科院工程热物理研究自主设计研发的10MW级压缩空气储能集成实验与验证平台已建设完成，系统效率达到60%左右。国家重点研发计划“10MW级先进压缩空气储能技术研发与示范”项目也已在2017年底启动。

3压缩空气储能技术的发展前景和关键问题

压缩空气储能技术规模大、效率高、寿命长、零碳排等优势在当下化石能源危机、新能源快速发展的背景下，有着广阔的发展潜力。

（1）电网削峰填谷。随着电网容量的不断增大，电网的峰谷差值也逐渐明显。这种供需不平衡性降低了电站的年平均利用率，也造成了资源的极大浪费。压缩空气储能系统单机功率大，发电时间可达数小时，可在电网低负荷时吸收富余电力，在高负荷时向电网供电，实现削峰填谷。

（2）吸纳新能源电力。近年来，风能、太阳能等新能源发展迅速，2017年风电发电量3057亿度，弃风电量419亿度；光伏发电1182亿度，弃光电量73亿度。压缩空气储能可消纳弃风弃光的电量，提升电能的品位，提高资源利用率。

（3）分布式能源建设。压缩空气储能系统易于选址，有害气体零排放及可以冷热电三联供的特点，在分布式能源系统有很好的应用前景。

而一项技术的经济性和盈利能力是进一步研究、推广到投入商业运行的关键。一方面，需控制建设成本，降低单位造价。从设备上，在向增加大单机功率方向发展的同时，兼顾压缩机、储气设备和空气透平等主要设备的成本和占地，积极推进高效压缩、换热及空气透平设备的研究开发。在系统上，积极进行关键在于提高系统的效率，降低能耗，有文章指出高温蓄热技术和恒压储气罐技术[4]的研究对提高系统效率有重要作用。

4.结语

现在弃风弃光现象突出，电网峰谷差日益明显，储能技术的推广和应用势在必行。压缩空气储能尤其是非补燃式压缩空气系统规模大、效率高、地质条件要求低、运行灵活、有害物质零排放的特点，在电网削峰填谷、吸纳新能源电能、分布式能源建设方面都有十分广阔的发展前景。但压缩空气技术要进一步发展，以至在国内投入商业运行，其经济性和盈利能力是关键，为进一步降低单位造价、提高系统效率，加快高温蓄热技术、等压储气等相关技术上的研究和突破。

参考文献：

[1]梅生伟，薛小代，陈来军.压缩空气储能技术及期应用探讨.南方电网技术.2016，10（3）：10-14.

[2]付永领，李万国.压缩空气储能技术及其发展趋势.南方电网技术.ConferenceonChinaTechnologicalDevelopmentofRenewableEnergySource，2010

[3]薛小代，陈晓弢，梅生伟，等.采用熔融盐蓄热的非补燃压缩空气储能发电系统性能.电工技术学报.2016，31（14）：11-20

[4]徐玉杰，陈海生，刘佳，等.风光互补的压缩空气储能与发电一体化系统特性分析.中国电机工程学报.2012，32（20）：88-95