压缩空气储能技术及应用场景

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1、压缩空气储能技术及应用场景综述压缩机杂志原创文章能源是国民经济赖以发展的物质基础，依据可再生能源发展“十三五”规 划 设定的发展 II 标，非化石能源占一次能源消费比重在 2020 年与 2030 年将分 别达到 15%与 20%,至 2020 年全国可再生能源发电装机容量将达到 6. 8亿千瓦， 可再生能源 发电电量将占据发电总量的 27%。具备波动性及间歇性特点的可再生能源电能大规模并网，对电力系统安全稳 定 运行水平提出了更高要求。作为智能电网的重要组成部分，储能技术能够为电 网运 行提供调峰、调频及黑启动等多种服务，能够显著提高电力系统的灵活性及 安全性。 压缩空气储能技术是一种可以大

2、容量推广的物理储能技术，为促进压缩 空气储能技 术发展，北京市科学技术委员会、广东省自然科学基金、“十二五” 国家科技讣划先 进能源技术领域 2013 年度项口指南及国家重点研发讣划高新领 域 2017 年度项口指 南等科技渠道均对先进压缩空气储能技术进行了资助。国家 发改委及国家能源局等 多部委联合于 2017 年 9 月发布的关于促进储能技术与 产业发展的指导意见（发改 能源（2017） 1701 号）明确提出开展 10MW/100MWh 级超临界压缩空气储能系统 研发及示范，于 2019 年 6 月进一步发布的贯彻落 实关于促进储能技术与产业发 展的指导意见2019-2020 年行动计划

3、提出重 点推进大容量压缩空气储能等重大先 进技术项 U 建设，推动口兆瓦压缩空气储能 项目实现验证示范。本文针对关于促进储能技术与产业发展的指导意见中涉及的压缩空气储 能 技术进行综述，梳理了国内致力于压缩空气储能技术丄程示范的研发团队及其 技术。 在此基础上介绍了全球两座大容量商业化压缩空气储能电站的运行情况， 跟踪国内 外新型压缩空气储能技术的丄程示范最新进展，以较全面的视角对已投 运多年的商 业化储能站运行经验及近年来圧缩空气储能技术的发展状况进行综 述，同时以电源 侧储能站场景、电网侧储能站场景及用户侧储能站场景为切入点 开展了压缩空气储 能技术的商业场景适用性分析，为压缩空气储能技术

4、发展提供 借鉴。1 储能市场及储能技术根据储能产业研究白皮书2019公布的储能预测数据，至2025 年我国的 抽水 蓄能累讣装机容量将达到90GW，至2023年我国的电化学储能累讣装机容量 将达到 20GWo截至2018年底，我国的储能装机累计容量已经达到31. 3GW,其中抽水蓄能电站 累计容量为29. 99GW,电化学储能电站的累计装机容量为1072. 7MW,电化学 储能电 站中的锂离子电池储能累计装机容量最高，锂离子电池储能累讣装机容量 为 758. 8MW。相对于装机容量快速增长的电化学储能站，可大容量推广的压缩空气储能技 术近年来处于快速发展状态，国内已建成500kW容量等级,15

5、MW容量等级及10MW 容量等级等多种容量规模的压缩空气储能示范电站，完成了多容量 等级的技术验证 工作。储能技术包括机械储能及电化学储能两大类，其中大容量的机械储能技术主 要包括抽水蓄能及压缩空气储能；大容量的电化学储能技术主要包括锂离子电池 及铅 炭电池等；典型的能量型储能技术及其优缺点详见表 lo表1典型的能型储临技术电化学储能效率抽水醫炭70-75%伍第空r铿离子电池85-98%全ffl液流电池储鞋 0-70%7485% 纳 81 电池 75-90%铅破电池70-90%子电池5-10$抽好幽30T0年压缩空7储八电池5-15年纳硫电池10H5能30-晦年钳碳电池3瞬程离子电池：数+兆瓦

6、时全帆菠流电池: 容 抽水密能：数百兆瓦时压第数十兆瓦肘纳at电池：数十兆瓦时铅 等级 空r储能：百兆瓦时碳电池：百兆瓦时汶点抽水壽能：寿&长，牲压缩空r储能:抽水幣能：选址因淮.建设 同期长压35空r储能：大 型88 r科穴选址困难锂离子电池：大全倒液流电池：安全性好纳as电池：OB 应快fflW电池：性价技术歸锂离子电池：成本&安全风检全tfl颔电池：炭曲度纳磺电池：需较 洛温度下运厅安全风险18戢电池：寿 铳污染问题2国内压缩空气储能研发团队及其技术2. 1中科院工程热物理研究所储能团队中科院工程热物理研究所设立了储能研发中心，山陈海生研究员担任储能研 发 中心主任，承担了包括国家重点研

7、发计划项LITOMW级先进压缩空气储能技 术研 发与示范”及北京市科技计划项U “大规模先进压缩空气储能系统研发与示 范”等 在内的多项圧缩空气储能研究项U,已建成1. 5MW级压缩空气储能示范项U 1座（系 统效率52%）及10MW级压缩空气储能系统示范项LI 1座（系统效率60. 2%）,储能 团队代表性专利之一为“超临界压缩空气储能系统”。2.2 南网科研院新能源与综合能源团队南方电网科学研究院新能源与综合能源团队在海上风电、储能、微电网及综 合 能源等领域具有技术积累。新能源与综合能源团队成员郭祚刚博士在压缩空气 储能 领域具有多年研发经历，现为南方电网公司大容量储能重大科研团队成员。

8、郭祚刚博士自2012年开始研发新型压缩空气储能技术，完成了新型压缩空气储 能博士后课题，同时承担了包括广东省自然科学基金在内的多项压缩空气储 能课题， 从市场需求及商业推广角度研发新型压缩空气储能技术。在新型压缩空 气储能技术 研发过程中，通过引入喷射调压系统克服了降压阀调压存在较大压力 能损失的技术 缺陷，较大幅度提升储能系统性能，代表性专利之一为“压缩空气 储能系统”。2.3清华大学电机系储能团队清华大学电机系压缩空气储能团队山梅生伟教授担任负责人，参与了安徽芜 湖 高新区的“500kW压缩空气储能系统示范项H”课题，项所需的3000万资金由国家 电网投资，项H于2014年11月首次发电成

9、功。据报道，“50016V压缩 空气储能系 统示范项H”的最大发电功率达到了 420kW，单次循环发电量为360kWh，储能效率为 33%。清华大学电机系储能团队的代表性专利之一为“一种 50MW 绝热压缩空气储 能方法”。2.4中科院过程工程研究所储能团队丁玉龙教授曾担任利兹大学 -中科院过程工程研究所联合储能技术研究中心 首 任主任，现为英国伯明翰大学-国家电网全球能源互联网欧洲研究院联合实验 室共同 （创建）主任。丁玉龙教授储能团队利用液态空气具有密度大且易于储存 的特点，研 发液态空气储能技术，储能团队代表性专利之一为“液态空气储能系 统能效提升装 置及方法”。2.5国网全球能源互联网

10、研究院储能团队国家电网的全球能源互联网研究院储能团队致力于液态压缩空气储能技术 的研 发，储能团队在压缩空气储能领域已取得多项发明专利授权，代表性专利之 一为“一 种储罐增压型的深冷液态空气储能系统”。另据报道，全球能源互联网 研究院压缩 空气储能团队在江苏吴江区同里镇开展500kWh的液态压缩空气储能示范工程建设。3 商业化压缩空气储能电站3. 1德国汉特福商业化压缩空气储能电站德国汉特福（Huntorf）压缩空气储能电站是全球首座投入商业运行的压缩空气 储能电站，该项LI在1978年服役。Fritz Crotogino等人在2001年美国Florida州举办的春季会议上分享了徳国汉特福电站

11、自1978年至2001年的20余年间 运行经验，同时提供了汉特福储能电站的配置参数。出图1解国汉特福储能电站流程示蕙图power pFantcavern NK2图2確国汉特襦储昵电站航拍图图1 为汉特福储能电站流程示意图，图2为汉特福储能电站的航拍实景照片。 储能电站包括两处地下储气洞穴，在电能储存时空气压缩机组消耗电能制备高压 力 的空气并注入两处地下储气洞穴中；在电能输出时，地下储气洞穴内高压力空 气经 过阀门稳压实现压力稳定，在燃烧器内与天然气实现参混燃烧与温度提升后 直接 进入膨胀机做功。汉特福储能电站的两台膨胀机之前都设置了燃烧器，末级 膨胀机 的高温乏气直接通过烟囱排放。桶标类别指

12、标数值电能储存容8!60MW/12h电曉输出容量290MW/3h压第机组空V流108kg/s膨胀机组空r流逻417kg/s膨胀机与压缩机空r流比约Q地下储r和穴oi容积140,000m3地下储r舸穴02容釈170,000m5洞穴滦度（顶部-底那）650-8S0f n湎穴最大内住60m两个淘穴r流出间距220m洞穴运行压力区间43-70bar迥穴允许矗大压降速不I5bar/h表 2 为德国汉特福电站的配置参数，储能电站按照电能输出与电能储存阶段 空 气质量流速比为 4:1进行设计，储能电站可连续储能 12小时，连续输出电能 3小时。00為50C3徳国汉将福储能电鲂年度启动夹数图 3 给出了德国汉

13、特福储能电站的压缩机组及膨胀机组每年的启动次数。在 投 运之初，该储能电站主要充当紧急备用电源角色，当电网内其他电源出现故障 时，向 电网提供有功输出支持，机组的平均启动可黑性为97. 6%,截止U前该储能电站仍在 运营。在 1978年首次投用时，储能电站的压缩机组就启动将近400次，膨胀发电机组 启动次数也超过250次；到1979年，膨胀发电机组启动次数 达到了 450次左右。自 1983 年之后，汉特福压缩空气储能电站所在的电网接入 了大容量的抽水蓄能电站， 电网减少了对压缩空气储能电站的调用频次。barpressureswelthead401040Ctsmp&ratures0 1丨500

14、-i pi air flownormal l ooeratiQ nreserve150 i i丨图4空气釋放过程储气酒穴内压力及溫度变化超势ie徳国汉特福压缩空气储能电站在电能输出阶段，储气洞穴内空气温度随着压 缩 空气以417kg/s的质量流速持续释放而相应下降，温度总下降幅度约20c,如图4。 在储气洞穴注入气流及流出气流过程中，压缩空气与洞穴壁面 1 米厚度 左右的岩石 层存在热交换行为。3.2 美国阿拉巴马商业化压缩空气储能电站图 5 为美国阿拉巴马州圧缩空气储能电站航拍照，图 6 为储能电站内景照片。阿全球投入商业运营的第二座压缩空气储能电站位于美国阿拉巴马州 (Alabama),

15、该储能电站在德国汉特福储能电站的基础上增加了膨胀机排气余热 再利用系统，通 过在膨胀机排气烟道上布置换热器将膨胀机排气携带热量传递给 储气洞穴释放的压 缩空气气流，节省天然气耗量。拉巴马州储能电站于1991年投入商业运行，压缩机组功率为50MW，膨胀发电机组输 出功率为110MW，地下储气洞穴总容积为560, 000m3,储气洞穴在地表以 下450米， 能够连续储能 41 小时，连续对外输出电能 26小时。4 国内外压缩空气储能示范工程及进展4.1 日本北海道压缩空气储能示范项 LI日本北海道空知郡在2001年建成了膨胀机输出功率为2MW的压缩空气储能示 范工程，8MPa的压缩空气被储存在储气设备当中，储气设备的内腔安放了 air-tight薄 膜以防止空气泄露。另据报道，北海道2MW压缩空气储能示范项LI是日本正在开发 的容量400MW机组的示范性中间机组，400MW容量的大型储能电 站将利用地表以 下 450米深处的煤矿洞穴作为储气洞穴。4.2英国曼彻斯特液态空气储能示范项 LI图7英国曼彻斯特菠态空气储能示范项目位于英国曼彻斯特的 5MW/15MWh 规模的液态空气储能示范项 LI 于 2018 年 6 月投入运行，该项H由英国Highview Power