本文摘要：摘 要：儲能是構建新型電力系統、支撐能源結構轉型升級、實現碳達峰、碳中和的關鍵技術，而非補燃壓縮空氣儲能是極具發展前景的新型大規模儲能技術之一，具有大容量、高效率、長壽命、零排放等優點。該文以某 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲能發電國家示范項目為例，詳
摘 要：儲能是構建新型電力系統、支撐能源結構轉型升級、實現“碳達峰、碳中和”的關鍵技術，而非補燃壓縮空氣儲能是極具發展前景的新型大規模儲能技術之一，具有大容量、高效率、長壽命、零排放等優點。該文以某 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲能發電國家示范項目為例，詳細介紹了非補燃壓縮空氣儲能的基本原理、技術路線、裝備研發和工程實踐。該項目的成功實施，標志著我國新型儲能技術的研發和應用取得重大進展，將為構建以新能源為主的新型電力系統提供儲能新方案。
關鍵詞：可再生能源;新型儲能技術;壓縮空氣儲能;鹽穴儲氣;金壇國家示范項目
隨著我國“碳達峰、碳中和”目標的提出，可再生能源將成為未來電力供應的重要組成部分，但是由于可再生能源固有的間歇性和不確定性，導致并網消納困難，每年棄風、棄光嚴重[1]，電網峰谷差逐漸擴大的趨勢使得該問題進一步惡化。電力系統迫切需要先進的大規模儲能技術來解決可再生能源接入問題，以提高常規電力系統和區域能源系統的效率、安全性及經濟性。壓縮空氣儲能具有容量大、壽命長、清潔環保、安全可靠、經濟性好等優點，是支撐我國大規模發展可再生能源、保障能源安全的關鍵技術之一，是國家“十四五”規劃和 2035 年遠景目標綱要明確指出要實施的儲能技術之一。因此，開展壓縮空氣儲能技術研究，對解決電能的大規模工程化存儲難題、推動可再生能源的蓬勃發展具有重大意義。
1 壓縮空氣儲能
1.1 壓縮空氣儲能基本原理
壓縮空氣儲能(compressed air energy storage,CAES)系統采用壓縮空氣作為儲能載體，是一種以機械設備實現能量存儲及跨時間、空間轉移和利用的物理儲能技術[2-4]。壓縮空氣儲能系統主要分為儲能和釋能兩個工作過程：儲能時，電動機驅動壓縮機將環境空氣壓縮至高壓狀態并存入儲氣裝置，電能在該過程中轉化為壓縮空氣的內能和壓力勢能(步驟 1 和 2);釋能時，儲氣裝置中存儲的壓縮空氣進入空氣透平膨脹機中膨脹做功發電，壓縮空氣中蘊含的內能和壓力勢能在該過程中重新轉化為電能(步驟 3 和 4)。作為一種極具發展潛力的物理儲能技術，壓縮空氣儲能可廣泛應用于電源側、電網側和用戶側，一般可用于以下場景[5-6]：
(1)負荷中心削峰填谷。我國區域電網峰谷差呈現逐年擴大趨勢，壓縮空氣儲能技術可以高效利用谷段、平段等閑置時段電網剩余通道，削減電網峰谷負荷差，提高電網通道利用水平。(2)消納大規�？稍偕茉窗l電。實現大規�？稍偕茉吹母咝{是我國能源結構轉型和構建新型電力系統的必然途徑。壓縮空氣儲能技術具有能量儲存及跨時間、空間轉移利用的特征，可有效調節可再生能源出力特性，增加其可調度水平，促進可再生能源高效消納。
(3)智能電網輔助服務。除削峰填谷外，壓縮空氣儲能技術具有調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，可為智能電網提供多樣化的輔助服務，提高電網利用水平。(4)綜合能源系統能量樞紐。壓縮空氣儲能系統可以與光熱、地熱或工業余熱相耦合，以其作為綜合能源系統的能量樞紐，可發揮其多能聯儲多能聯供性，顯著提高系統布置的靈活性和利用效率。
1.2 補燃式壓縮空氣儲能技術自 1949 年 Stal Laval 提出利用地下洞穴實現壓縮空氣儲能以來，國內外學者和研究機構圍繞壓縮空氣儲能技術開展了大量的研究和實踐工作，其中最先發展起來的是補燃式壓縮空氣儲能。通過借鑒燃氣動力循環，補燃式壓縮空氣儲能在膨脹機前設置燃燒器，利用天然氣等燃料與壓縮空氣混合燃燒，以提升空氣透平膨脹機進氣溫度。
20 世紀全球僅有的兩座商業化運行的壓縮空氣儲能電站均為補燃式壓縮空氣儲能系統。1978 年，全球首座壓縮空氣儲能電站 Huntorf 在聯邦德國投入運營，發電裝機 290 MW，可連續供電2 h，標志著壓縮空氣儲能技術正式進入能源市場[7];1991 年，全球第二座壓縮空氣儲能電站 McIntosh 在美國投入運營，發電裝機 110 MW，最長可連續供電 26 h[8]。補燃式壓縮空氣儲能結構簡單，技術成熟度高、設備運行可靠、投資成本低、使用壽命長，具備與燃氣電站類似的快速響應特性。然而，在當前大力發展綠色能源、控制碳排放量的大背景下，補燃式壓縮空氣儲能的碳排放已成為其最大弊端。隨著能源結構調整和環保壓力增大，開發完全不依賴天然氣的清潔高效壓縮空氣儲能技術已成為儲能領域研究的熱點。
1.3 清潔壓縮空氣儲能研究進展和補燃式壓縮空氣儲能技術不同，清潔壓縮空氣儲能通過非燃燒、無化石燃料的技術手段來滿足膨脹過程中的加熱需求，以實現高效、可靠的電力存儲和再生。根據熱能來源和應用方式的不同，清潔壓縮空氣儲能又可進一步劃分為絕熱壓縮空氣儲能、等溫壓縮空氣儲能和液態空氣儲能等不同的技術路線。
1.3.1 絕熱壓縮空氣儲能絕熱壓縮空氣儲能在壓縮過程中通過提升壓縮機單級壓縮比獲得較高溫度的壓縮空氣和較高品位的壓縮熱能，并將壓力勢能和壓縮熱能解耦儲存。釋能時，利用儲熱裝置將壓縮熱反饋給高壓空氣，實現空氣壓力勢能和壓縮熱能的耦合釋能，提高系統的整體效率。根據儲熱溫度的不同，絕熱壓縮空氣儲能又可分為高溫絕熱壓縮空氣儲能和中溫絕熱壓縮空氣儲能。高溫絕熱壓縮空氣儲能以德國萊茵電力公司(RWE)的ADELE 項目為代表[9]，該項目采用高溫壓縮機將空氣壓縮至 10 MPa、600 ℃，以達到 70%的理論儲能效率。然而高溫壓縮和高溫高壓固體蓄熱技術難度極大，該項目自 2010 年后處于停滯狀態并最終被取消。中溫絕熱壓縮空氣儲能適當降低了壓縮機排氣溫度(< 400 ℃)，可基于當前成熟的關鍵設備技術和工藝水平開展設計和制造，系統穩定性、可控性較強，易于實現工程化應用。截至 2020 年底，全球已開展的壓縮空氣儲能工程實踐大部分采用了中溫絕熱壓縮空氣儲能技術路線。
1.3.2 等溫壓縮空氣儲能等溫壓縮空氣儲能系統[10]在準等溫壓縮過程和膨脹過程實現能量的儲存和轉換，在壓縮過程中實時分離壓縮熱能和壓力勢能，使壓縮空氣不發生較大的溫升;相應地，在膨脹過程中，實時將存儲的壓縮熱能回饋給壓縮空氣，使壓縮空氣不發生較大的溫降。等溫壓縮空氣儲能系統的優點是系統結構簡單、運行參數低，但其裝機功率一般較小，僅適用于小容量的儲能場景，例如分布式儲能。
1.3.3 液態壓縮空氣儲能液態空氣儲能在絕熱壓縮空氣儲能技術的基礎上引入了低溫過程和蓄冷裝置，將空氣液化后常壓存儲，可大幅提升儲能密度，減小系統儲氣容積，減少電站對地形條件的依賴[11]。但由于增加了蓄冷系統，導致系統結構更為復雜。同時，由于蓄冷系統在儲能和釋能過程中存在動態損失，導致系統的儲能效率偏低。和絕熱壓縮空氣儲能相比，液態空氣儲能技術還是一項有待深入研究和完善的技術。
2 非補燃壓縮空氣儲能技術
2.1 非補燃壓縮空氣儲能技術原理2011 年，本團隊提出了基于壓縮熱回饋的非補燃壓縮空氣儲能技術路線[12]，以實現壓縮空氣儲能技術與國產化設備設計和生產水平的契合，從而降低投資成本、促進壓縮空氣儲能在國內的工程應用。其工作原理是，利用棄風棄光或低谷電驅動壓縮機將空氣壓至儲氣室，同時利用換熱器將壓縮熱存至儲熱裝置，實現電能向壓力勢能和壓縮熱能的解耦存儲。發電時，釋放高壓空氣，經過儲存的壓縮熱加熱，形成高溫高壓空氣驅動透平膨脹機發電。同時，系統儲存的壓縮熱可以對外供熱，通過調整運行工況，透平出口的低溫空氣可以對外制冷。因此，非補燃壓縮空氣儲能是一個冷熱電聯供的系統，全過程沒有碳排放，綜合效率高。從技術分類上，非補燃壓縮空氣儲能屬于中溫絕熱壓縮空氣儲能技術路線。
2.2 非補燃壓縮空氣儲能實驗驗證
2012 年，在國家電網公司大力支持下，清華大學(Tsinghua University)聯合中國科學院理化技術研究所(Technical Institute of Physics and Chemistry，TIPC)及中國電力科學研究院(China Electric Power ResearchInstitute，CEPRI)，在國內率先開展壓縮空氣儲能系統的技術驗證和工程實踐工作，于 2014 年在安徽省蕪湖市建成了 TICC-500(500 kW Tsinghua-IPCCASCEPRI CAES)電站[13]。
電站采用 5 級壓縮、3 級膨脹的布置方式，儲熱系統以加壓水作為儲熱介質，蓄熱溫度為 120 ℃。儲氣系統采用兩個鋼制臥式儲氣罐并聯，單個儲氣容積為 50 m3，共計 100 m3。電站設計發電功率為 500 kW，最大連續發電時長為 1 h，電-電效率 41%，能量綜合利用效率 72%。TICC-500電站的建成和成功并網運行標志著國產化壓縮空氣儲能系統在工藝設計技術、關鍵設備技術和工程應用技術等多方面取得突破。為了進一步提升壓縮空氣儲能系統的效率，清華大學提出了光熱復合壓縮空氣儲能技術路線，并借助我國西部地區極為豐富的光熱資源開展了試驗驗證工作。
2017 年，清華大學聯合青海大學在青海西寧搭建了 100 kW 光熱復合壓縮空氣儲能工業試驗電站[14]，并成功實現了全系統聯合運行發電，系統電-電效率51%，能量綜合利用效率達 80%。該電站將非補燃壓縮空氣儲能系統與光熱集熱系統復合起來，利用光熱系統取代絕熱壓縮空氣儲能系統中的儲熱系統，采用導熱油作為蓄熱介質存儲太陽能光熱并加熱空氣透平進氣，蓄熱溫度為 260 ℃，大大提高了系統的儲能效率。該電站為太陽能的綜合利用和消納提供了新的思路，在西部光熱資源豐富地區具有廣闊應用前景。
3 金壇國家示范項目
非補燃壓縮空氣儲能全過程無污染和排放，具有大容量、高效率、長壽命、零排放等優點，是目前大規模儲能領域極具潛力的發展方向之一。然而，其在推廣應用中受到了儲氣系統容量及成本的限制，采用鹽穴儲氣技術可以很好地解決這一問題。中鹽金壇鹽化有限公司自 2003 年起，率先在國內開始建造天然氣鹽穴儲氣庫，形成了集鹽穴采礦、造腔、利用于一體的新型鹽產業模式。鑒于清華大學在非補燃壓縮空氣儲能方面取得的研究成果及中鹽金壇在鹽穴儲氣技術方面的成功經驗，2017 年 5 月 27 日，國家能源局批復立項了江蘇金壇 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲能發電國家示范項目(以下簡稱“金壇國家示范項目”)。項目一期將建設 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲能電站，未來將分期建設總裝機容量達到 1 000 MW 的壓縮空氣儲能電站群，打造大規模清潔物理儲能基地。
3.1 鹽穴儲氣技術
鹽穴是采用人工開采方式在鹽巖層或鹽丘層中形成的腔體，其一般采用鉆井水溶法進行建造，具有力學性能穩定、儲氣壓力高、氣密性好、造價低、技術成熟、儲氣容量大等優點，可以用來儲存石油、天然氣、壓縮空氣等液態及氣體產品[15]。國外利用鹽穴作為儲氣庫的歷史最早可追溯到20 世紀 40 年代，期間加拿大首次采用鹽穴存儲油類制品，1949 年美國開始采用鹽穴儲存液化石油氣，之后鹽穴儲氣技術在歐美得到迅速推廣。截至 2018 年底，歐美共有地下儲氣庫群 140 余座，總庫容量超過200 億 m3。我國對鹽穴儲氣的研究起步較晚，2007 年2 月，作為我國“西氣東輸”的重要配套項目，金壇儲氣庫工程正式運行，成為亞洲首個地下鹽穴儲氣庫[16]。截至 2020 年 10 月，我國在建或規劃鹽穴儲氣庫群 12 個，在運行鹽穴儲氣庫群 3 個，在運行鹽穴共計44 個，儲氣量超 15 億 m3。
鹽穴儲氣作為一種優良的大規模儲氣方式，與壓縮空氣儲能系統相結合，相得益彰。20 世紀投入商業運行的德國 Huntorf 電站和美國 McIntosh 電站均采用地下鹽穴作為儲氣庫。2001 年初，德國 Huntorf 電站對儲氣鹽穴的形狀進行了檢測，發現鹽穴體積收縮率為 0.15%/年，平均沉降速率 3.24 mm/年，鹽穴形狀與電站初建時相差無幾，未發現氣體泄漏，充分表明了鹽穴儲氣技術的可靠性。
3.2 項目概況及技術路線
金壇國家示范項目位于江蘇省常州市金壇區薛埠鎮，毗鄰茅山，距常州市約 65 km，距南京市約 100km。金壇鹽礦是 20 世紀 60 年代由華東石油地質局在該地區進行石油普查時發現的，但直到 80 年代末才進行勘探和開發。金壇鹽礦鹽盆占地約 60.5 km2，探明儲量 162.42 億 t，年產鹽達 200 多萬 t。金壇鹽礦一般儲藏于地表下 800~1 000 m，鹽層厚度可達 230 m，一般在 150~170 m，鹽盆邊緣厚度為 50~80 m。在這個厚度巖鹽層中完全可以建造一個單體高 120~135 m，直徑 80~100 m、容積 10 萬~40 萬 m3 的單體鹽穴群。此外，金壇鹽礦 NaCl 含量高、泥鹽夾層少、礦層頂底板分布穩定、密封性好，具有建造鹽穴儲氣庫的良好地質條件。
金壇國家示范項目由中鹽集團、華能集團和清華大學共同建設，采用優化的非補燃壓縮空氣儲能技術路線。該系統由電動機、壓縮機組、鹽穴儲氣庫、蓄熱系統、膨脹機組、發電機、調度控制系統和送出系統組成。其中，壓縮機組采用兩級離心式壓縮機組，各級出口均布置蓄熱換熱器;膨脹機組采用兩級軸流式空氣透平膨脹機，各級前均布置回熱換熱器，用于加熱透平進氣。蓄熱系統采用高溫合成導熱油作為儲熱和換熱工質，最高蓄熱溫度可達 360 ℃。高壓空氣儲存于地下鹽穴中，鹽穴容積為 22.4 萬 m3，可大幅節省占地空間和建設成本。項目經 1 回 110 kV 專線接入 220 kV 塢家變，能夠有效提高當地電網的調節能力，支撐電網安全經濟運行。
金壇國家示范項目為日調度的調峰電站，根據當地用電負荷狀況，電站的運行模式如下：
(1)儲能過程。運行時間為 23:00 至次日 7:00，利用低谷電、棄風電等驅動壓縮機由環境中吸氣并壓縮，產生高溫高壓空氣進入壓縮側油氣換熱器中與導熱油進行換熱，導熱油吸熱升溫后進入高溫導熱油罐，壓縮空氣放熱降溫再經冷水塔冷卻至環境溫度后進入鹽穴儲氣庫中進行儲存。(2)能量儲存。時間為 7:00—13:00，此時壓力勢能以高壓空氣的形式儲存于鹽穴儲氣庫中，壓縮熱能以高溫導熱油的形式儲存于高溫導熱油罐中。
(3)釋能過程。運行時間為 13:00—18:00，此時為用電高峰時段，高壓空氣從儲氣庫中釋放，在發電側油氣換熱器內被高溫導熱油加熱后進入帶中間再熱器的二級空氣透平膨脹做功，完成發電過程。(4)待儲過程：時間為 18:00—23:00，釋能過程結束后，儲氣庫內壓力降至初始狀態，導熱油放熱完畢后進入常溫導熱油罐，等待下一個儲能過程開始。此外，除釋能過程外，透平發電機組以調相模式運行，以少量的高壓空氣及熱能損耗為代價，采用高壓空氣直接驅動透平發電機組使其保持同步轉速，通過勵磁控制發出或吸收一定量的無功功率，從而實現對電網無功電壓支撐的功能[17]。
3.3 關鍵裝備設計研發非補燃壓縮空氣儲能涉及電力、熱工、機械、流體、材料以及控制等多個技術領域，學科深度交叉耦合，技術難度大。而在系統運行過程中，能量在電能、熱能、機械能以及壓力勢能等不同形式之間相互傳遞和轉換，如何實現能量的大規模存儲和高效轉換是一個非常棘手的難題。為了解決上述難題，本項目團隊突破了高負荷-寬工況離心壓縮、低㶲損高效蓄熱/換熱、大容量穩定儲氣和寬壓力-變工況膨脹發電等四大技術瓶頸，研發了一系列的關鍵技術裝備，并成功應用于金壇國家示范項目。
4 結語
國家能源局江蘇金壇 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲能發電國家示范項目的投產運行，實現了我國在商業運行壓縮空氣儲能領域零的突破，也是國際上首座實現商業運行的非補燃壓縮空氣儲能工業電站。這標志著我國新型儲能技術的研發和應用取得重大進展，將為構建以新能源為主的新型電力系統提供儲能新方案，并助力實現我國“碳達峰、碳中和”目標。壓縮空氣儲能技術具有廣泛的應用場景，在電網側，壓縮空氣儲能具備調峰、調頻、調相、旋轉備用和黑啟動等眾多功能，可有效提高電網運行安全性和經濟性;在電源側，壓縮空氣儲能可與光伏、風電相結合，構成風儲或光伏一體化系統，提升新能源發電消納率;在負荷側，壓縮空氣儲能可充分利用多能聯儲多能聯供特性，以其為樞紐構建綜合能源系統，提高能源綜合利用效率。我國鹽穴、煤礦、礦井資源豐富，可以提供大規模儲氣空間，為發展壓縮空氣儲能提供了便利的條件。在我國大力發展新型電力系統和雙碳目標愿景下，未來壓縮空氣儲能技術將具有非常廣闊的應用前景。
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作者：梅生偉 1,2，張 通 1，張學林 1，王亞洲 1，王國華 1,3，盧 強 1，薛小代 1,2
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