网讯：压缩空气储能已经迈入商业化发展初期阶段，但围绕该项技术的创新仍在继续，其中从单一工作介质向复合工作介质研究成为一个新的突破口，国内外正有多个团队在研究这样一种掺水的新型气液混合储能技术。
1 给压缩空气储能掺水？
“目前，压缩空气储能在释能过程中，主要以经过膨胀的高压气体驱动透平机做功，从而带动发电机发电。但当前主流的压缩空气储能系统基本都存在一个共同的缺陷，就是在空气压缩和膨胀过程中的热量损失较大，运行效率降低。”中电万网国际工程咨询（北京）有限公司首席科学家黄贵雄指出。
考虑在新能源开发中配储的需要，基于压缩空气储能的基本原理，在结合抽水蓄能发电中“利用空气压油调节大型水轮机”的实践后，黄贵雄技术团队经过试验后，发明了一种“气液混合循环发电储能系统”，并在2020年11月获得了国家知识产权局的专利认证。
“这套系统的基本原理就是‘水压气、气储能、气压水、水发电’。”黄贵雄表示。从本质上看，气液混合循环发电储能系统与压缩空气储能的原理是一致的，只不过工作介质在原来的空气基础上又增加了水，由单一的空气做功，变成了空气+水联合做功。在蓄能阶段，由高压水泵替代压缩机，向压力容器内泵水，借助水的不可压缩性压缩空气；在释能阶段，高压空气驱动水流带动水轮机发电，从而替代了以往压缩空气储能中的透平机组发电，可以大大提高储能系统的效率。
在对专利进行授权后，国网湖南电力对该技术进行了测试，完成了专有技术实证原型系统的开发，并于2023年发布了技术成果。结果表明，该系统具备占地面积小，无排放、无染污，不受水资源和地理条件限制，应用场景比较广泛，同时系统涉及的水轮机、水泵等设备效率高，系统效率有保障等特点。
基本工作原理
黄贵雄补充道：“相比目前的压缩空气储能，气液混合循环发电储能系统在相对封闭的压力容器内可以做到往复循环，增加系统本身的节能量。”比如，水从充水容器泵入充气容器。当充气容器中的水位上升时，它会像活塞一样压缩空气。一旦气压足够高，空气就会被送去储存，最初充满空气的容器现在充满了水。另一方面，原来装满水的容器现在充满了空气。而后，水可以被泵送回第一个容器进行另一个压缩循环。只要蓄水池中有多余的电力和空间，该过程就会重复。膨胀过程亦是如此。
压缩空气储能的关键设备之一就是储气库装置。目前，盐穴、人工硐室、人工罐体在压缩空气储能项目中皆有应用。在人工罐体方面，就在今年7月，中集安瑞科旗下石家庄安瑞科气体机械有限公司成功交付170台4500m³压缩空气储能储气库标准化供气单元，该批产品将服务于内蒙古自治区乌兰察布市的三峡现代能源创新示范园“源网荷储一体化”技术研发试验基地，能够确保压缩空气储能在各种极端条件下的稳定与安全运行。
“目前，我国已经掌握大容量罐体的制造工艺，这对实现气液混合循环发电储能系统的大规模开发建设十分有帮助。”黄贵雄说，“而且，该系统设计工艺相对简单，建设周期短，可将容器深埋地下，基本不占用地上面积。在同等规模下，相比盐穴的设计，具有一定的经济性。”
此外，除了在储存装置方面，我国在水泵、水轮机制造方面工艺成熟。黄贵雄表示，按照水轮机在抽水蓄能中的应用来看，该系统一台机组的理论装机规模可以做到100万千瓦，目前水轮机的技术是可以达到的。而且，相比膨胀透平发电机组，从制造精度、原材料等方面来看，水轮机的造价要更具经济性。尤其在制造精度方面，两者至少存在一个数量级的差别。同时，在接近室温环境下运行的水轮机，会使该系统的维护成本也相对较低。
2 海内外更多团队的研发尝试
上述国网湖南电力在针对该系统进行验证方面，并没有公布具体的参数和结果，在效率和经济性方面比较模糊。
把视角转移至国外，以色列能源存储公司Augwind Energy开发了一套名为“Air Battery”的储能系统，其原理与上述储能系统基本一致，使用闭环液体活塞机构在地下近等温过程中压缩和膨胀空气。可达到比一般压缩空气储能更理想的储放效率，大约为80%。
然而，在实际应用中，该公司在以色列南部以试点规模（250千瓦，1兆瓦时）安装了Air Battery系统，往返效率（RTE）达到21%。2024年初，该系统重新调试，目前的试点容量为0.5MW/1MWh，RTE大于47%，充电效率大于64%，放电效率大于73%。该项目是Augwind空气电池储能技术的小规模可行性演示。Augwind现在准备进一步推动AirBattery走向商业化。
但他们的目标是实现完全商业化的Air Battery系统效率能够达到60%以上。
Air Battery系统关键绩效指标及模块设计参考
来源：Augwind Energy官网
此外，西安交通大学技术团队同样根据压缩空气储能原理研究开发了“新型抽水压缩空气储能技术”，经多次实验研究证明：该系统的运行效率可以达到65%，系统储能过程中水气共容腔体内可以实现近等温压缩，释能过程可以实现近等温膨胀。
为提升压缩空气储能技术的响应速度，团队又提出一种先进抽水压缩空气复合储能技术，如下图所示。
抽水压缩空气复合储能系统示意图
来源：《先进抽水压缩空气复合储能技术》
该系统的储能过程分为两个阶段:第一阶段利用可再生能源驱动水泵工作，通将水气共容舱内的空气充入储气装置中；第二阶段改用可再生能源驱动压气机机组将空气压缩至高压状态，实现电能到压力势能的转换。系统的释能过程也分为两个阶段:第一个释能阶段系统的发电设备为水轮机机组;第二个释能阶段的发电设备为空气透平机机组。在第一阶段，储存于储气洞穴内的高压空气经过节流阀后，进入水气共容舱并推动水气共容舱内的水进入水轮机，水轮机在额定工况下工作并对外供电；在第二阶段，储气洞穴内和水气共容舱内的高压空气经过节流阀后，与储热器释放的高温载热介质进行热量交换，高压空气升温后进入空气透平机对外做功输出电能。研究显示，该套系统可将电储能成本降至0.2元/kWh。
在技术成果转化及产业化示范工程方面，该团队参与了华能驿城区抽水压缩空气复合储能项目。据了解，2022年11月30日，河南省驻马店驿城区人民政府与华能河南中原燃气发电有限公司举行抽水压缩空气复合储能项目对接会，并于后期成功签约，但目前关于该项目动态的可查信息较少。
2023年3月由宝牛集团有限公司参与建设的，位于江西省赣州市的无坝蓄水（复合）空气储能电站及配套项目也是采用类似技术原理的储能技术。
3 关键技术：温度控制
与空气单一介质做功不同，上述“水+空气”复合工作介质的压缩空气储能均涉及到一个核心关键词“等温”。
传统压缩空气储能系统在压缩过程中通常会导致气体温度大幅升高，这是由于压缩时间一般很短，压缩过程产生的热量来不及散失，产生了一个近乎绝热的过程，因此需要比等温压缩消耗更多的功。而当气体长时间存储在高压储气罐中时，温度降低，导致系统总体压缩效率降低，尤其是在高压比情况下，提高气体与水和外界的传热性能，使实际过程接近等温是提高压缩空气储能系统循环效率的关键之一。本文所讲的系统便是等温压缩空气储能系统之一。
等温技术的难点在于如何实现等温压缩膨胀过程，其核心关键即高效控温技术。其特点为需要使热量被快速导出，从而实现温度的近似恒定。目前常见控温方式主要是采用液体活塞技术、液体喷淋技术或者泡沫技术，利用水比热容较大的特点，通过增强气液两相直接的接触增加做功过程的热量传递，减少气体温度变化，近似实现等温过程。
对等温压缩空气储能系统的研究最早出现在美国，其后逐渐出现在不同的国家技术团队中，并取得相应的研究成果。在各路技术中，尽管实现近等温的方式有所不同，但都能在一定程度上降低压缩及膨胀过程中温度变化的幅度。
现有等温压缩空气储能研究
总的来看，国内外关于这一技术的实际应用并不多，国内基本处于技术实验和应用的前期阶段，国外也无过多的先进经验可供参考。
