网讯：近年来，随着我国各行业“双碳”目标及“十四五”规划的提出，风能、太阳能等可再生资源利用得到了快速发展。在“双碳”目标提出和能源转型的火热发展过程中，以风光发电为主的新型发电方式正逐步替代传统发电。
由于风光电的输出功率受到自然条件的影响，无法避免会出现弃电弃光的情况。这不仅浪费了可再生能源，也可能对环境造成负面影响。风光电的不可控性和短周期波动性可能会对电网的稳定和安全造成威胁。如果大量的风光电突然涌入电网，可能会引起电网的波动和不稳定，甚至可能导致电网崩溃。因此，为了解决风光电的不可控以及短周期波动不稳定性产生的问题，需要采取相应的措施，如加强电网的建设和管理、推广储能技术、优化电力调度等。在新旧电力系统转型升级下，可控化和可储化成为能源发展的核心问题。
在全球气候变化和环境污染日益严重的背景下，碳达峰、碳中和已成为全球各国的共同目标。压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage），简称CAES，作为一种具有潜力的能源储存和释放方式，对于实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。是一种利用压缩空气来储能的技术。目前，压缩空气储能技术，是继抽水蓄能之后，第二大被认为适合GW级大规模电力储能的技术。本文旨在探讨压缩空气储能技术的原理与技术路线、发展现状和产业环节分析等，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
1 CAES原理与技术路线
1.1 概述
能源存储领域涵盖多种技术，其中机械储能中的压缩空气储能备受瞩目。与抽水蓄能相比，压缩空气储能受地理条件限制小，建设周期短，且环保无污染，未来有望成为新型储能技术的有力候选。其工作原理包括储能和释能两个阶段。储能时，利用多余电能将空气压缩并储存，将电能转化为内能；释能时，高压空气释放并经过加热，驱动涡轮机发电，再次转化为电能。这一技术的推广与应用，对于提升能源利用效率和推动能源结构转型具有重要意义。
1.2 CAES的主流技术路径
压缩空气储能技术从广义上可以分为传统和新型两种技术路径。传统技术路径主要依赖于补燃式系统，需要燃烧室和化石燃料（如煤、石油或天然气）作为热源。然而，这种技术面临着挑战。首先，它依赖于天然气等化石燃料作为热源，这增加了其对环境的影响。其次，需要大型的储气洞穴，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，这增加了其建设和运营的复杂性。最后，压缩空气储能系统的效率较低，例如Huntorf和McIn-tosh电站的效率分别为42%和54%，这限制了其在能源市场中的竞争力。相比之下，新型压缩空气储能技术正在寻求更高效和环保的解决方案，通过更高效和环保的方式来存储和释放能量，以克服这些限制。为了克服传统压缩空气储能系统的技术难题，国内外的专家学者们已经开始探索新型的压缩空气储能技术。这些新型技术包括先进绝热压缩空气储能、蓄热式压缩空气储能、等温压缩空气储能、液态空气储能和超临界压缩空气储能等。
1.2.1 先进绝热式压缩空气储能
先进绝热式压缩空气储能（AA-CAES）是一种高效的能源存储技术，通过回收和再利用压缩空气中的热能，避免了传统技术的燃料补燃环节。该技术利用可再生能源如弃风、低谷电驱动压缩机，将空气压缩并储存，同时回收压缩热并存储。在需要释放能量时，AA-CAES通过透平系统释放压缩热能，实现空气压力势能和压缩热能的耦合释能发电。该技术不仅适用于电能单能流应用，还可应用于热电多能流场景，具有灵活性和广阔的应用前景。AA-CAES作为CAES技术领域的主要发展方向之一，其高效低成本的特点使其成为未来能源存储的重要选择。
1.2.2 蓄热式压缩空气储能
蓄热式压缩空气储能（TS-CAES）与绝热式的主要区别在于其冷却和加热机制。TS-CAES采用级间冷却和加热，通过蓄热器吸收和释放热能。在充气储能时，冷介质吸收热能并存储于高温蓄热器；放气发电时，热介质加热压缩空气并储存于低温蓄热器。这种设计降低了储热温度和压缩机材料要求，减小了压缩侧功率，但增加了能量损失和投资成本。尽管如此，其工程实践性和可靠性更高。中科院工程热物理研究所于2016年在贵州毕节建成的10 MW示范系统，在额定工况下效率达60.2%，创全球压缩空气储能系统效率新纪录。
1.2.3 等温式压缩空气储能
等温压缩空气储能技术采用活塞机构带动压缩过程，通过喷射水雾或液体活塞实现大面积换热，将压缩热存储并在膨胀时重新加热空气。该技术通过增大气液接触面积和时间，利用高比热容液体维持恒定温度环境，使空气压缩和膨胀过程近似等温，极大降低热损失，提高系统效率。美国SustainX和GeneralCompression公司分别建成了1.5MW/1.5MW·h和2MW/500MW·h的示范系统，标志着该技术在商业化应用方面取得重要进展。等温压缩空气储能技术的发展和应用前景广阔，有望为能源存储领域带来革命性变革。
1.2.4 液态空气储能
液态空气储能技术（LAES）将电能转化为液态空气内能，实现能量高效存储。储能时，系统驱动空气分离和液化装置，生成液态空气并存于低温储罐；释能时，液态空气加压吸热，驱动透平发电。我国已建设多个液态空气储能项目，其中江苏同里的500 kW/0.5 MW·h实验样机是首个试点，而青海格尔木的世界最大项目更是运用尖端技术，储能功率达6万kW，电量60万kW·h。液态空气储能技术的发展和应用，为能源存储领域带来新的突破，展现了巨大的应用前景。
1.2.5 超临界压缩空气储能
超临界压缩空气储能技术（简称SC-CAES）利用空气液化技术，使得系统中的部分环节中，空气以超临界状态存在。在储能过程中，系统利用电力驱动压缩机，将空气压缩至超临界状态。在回收压缩热之后，利用存储的冷能将空气冷却液化，并将其存储在低温储罐中。在释放能量的环节，液态空气经过加压处理并回收冷量，达到超临界状态。然后，在进一步吸收压缩热后，液态空气通过透平膨胀机驱动电机发电。中国科学院工程热物理所于2009年开发了一种超临界压缩空气储能系统。在2013年，该所在廊坊成功研制了一台1.5MW的储能示范装置。
2 CAES发展现状
2.1 国内CAES发展现状
我国对压缩空气储能技术的研发起步相对较晚，2000年后才真正开始在国内受到重视，这主要是由于国家开始重视可再生能源的发展与应用。中国科学院工程热物理研究所是国内较早对压缩空气储能技术开展研究和实验的团队，并取得了一些重要的进展。2005年，中国科学院工程热物理研究所建成15kW液态空气储能系统。这种技术利用液态空气作为储能介质，可以在需要时释放出来，从而提高了能源的利用效率。2013年在河北廊坊建成国内第一套1.5MW超临界压缩空气储能系统，系统效率达到了52.1%，是我国压缩空气储能的一项重要突破。南网科研院新能源与综合能源团队、清华大学电机系储能团队和西安交通大学等也投入诸多的资源和资金来研究压缩空气储能技术，并取得了一些重要的进展。
此外，国内一些能源央企也对压缩空气储能的应用现状、技术发展、市场需求和未来前景展开了分析，例如中国石油天然气股份有限公司、中国能源建设集团（简称“中国能建”）、中国电力建设集团（简称“中国电建”、中国长江三峡集团、国家能源集团和国家电网有限公司等。
目前，国内已建成投运多个的压缩空气储能项目，装机容量从kW级发展到MW级规模，2022年更是有GW级压缩空气储能项目备案，但国内已经建成并投入运营的压缩空气储能项目数量相对较少，且规模相较于抽水蓄能等新型储能方式普遍较小。这意味着该领域的发展尚处于起步阶段，需要更多的项目实践和经验积累。
据中关村储能产业技术联盟（CNESA）统计，2022年间，国内新增压缩空气储能项目（含规划、在建和投运）接近10GW，压缩空气储能技术规模正在由100MW向300 MW功率等级方向加速发展。根据CNESA DataLink全球储能数据库的不完全统计，截至2023年12月底，中国已投运电力储能项目累计装机规模86.5GW，同比增长45%。已投运新型储能累计装机规模达34.5GW/74.5GW·h，功率和能量规模同比增长均超150%，经计算可以得到压缩空气储能累计装机规模约为2070MW。随着可再生能源的快速发展和能源结构的优化，储能市场正迎来巨大的需求。作为极具潜力的大型长时机械储能方式，压缩空气储能的应用前景将更加广阔。
2.2 国内示范CAES电站
2023年12月，我国公布新一批新型储能试点示范项目，其中压缩空气储能技术备受瞩目，共有12个项目入选。这些项目规模庞大，投资过亿，将推动压缩空气储能技术的进一步发展和商业化应用。大容量系统能提升整体效率，有望在长时间大规模储能中发挥更大作用。然而，大规模建设仍面临技术装备研发、系统集成和地下工程实施等挑战。尽管如此，随着技术的不断进步和完善，压缩空气储能技术的发展前景依然广阔，具有巨大的发展潜力。这些示范项目的建设和运行将为未来能源存储领域带来革命性变革。
在选择大规模压缩空气储能电站地点时，地质构造至关重要。盐穴和人工硐室是主要的储气方式，具有多种优点，如储量大、成本低、密封性好、稳定性高、安全性强以及对环境影响小等，能够满足大规模能源储存的需求，提高能源的利用效率和可靠性。然而，找到合适的地点具有挑战性，需要在城镇开发边界、永久基本农田保护红线以及生态保护红线范围之外，满足工程地质要求、合适的水文地质条件、交通便利以及周边环境适宜建设压缩空气储能电站等多个条件。
因此人工硐室型压缩空气储能电站在选址中要进行室内普选、现场踏勘、选址勘察、区域地质构造稳定性评估和硐室围岩稳定性评估等关键流程，需要充分论证工程的可行性，以确保项目建设顺利进行，降低风险，提高项目的经济效益和社会效益。
3 CAES产业环节
压缩空气储能技术是一种相对新兴的储能技术，目前正处于技术创新及产业化推进阶段。由于该技术的发展时间较短，尚未形成大规模的产业链供应，导致初始投资成本较高且不稳定。随着技术的不断进步以及产业化的发展，未来压缩空气储能的经济效益及产业链完整度将进一步提升和完善，应用场景和市场机会也将不断扩大。本节将对压缩空气储能从需求端、供应端以及支撑链三个产业环节进行分析。
3.1 需求端
压缩空气储能电站的需求端涵盖了发电侧、输电侧和消费侧三大领域，充分展现了其多元化和综合性的应用潜力。
在发电侧，压缩空气储能系统成为可再生能源发电设施的重要补充。当风力、太阳能等可再生能源发电出现多余或波动时，储能系统可以迅速介入，将多余电能转化为压缩空气储存起来。这不仅平衡了电网负荷波动，还提供了稳定的电力输出，为可再生能源的大规模应用奠定了坚实基础。输电侧则是压缩空气储能系统发挥调峰填谷、优化能源配置作用的关键领域。作为分布式能源储能系统，它可以帮助电网维持稳定的电压和频率，提高供电可靠性。特别是在应对电网突发负荷或紧急情况时，储能系统作为备用电源的角色更加凸显，为电力系统的稳定运行提供了有力保障。消费侧则体现了压缩空气储能系统在日常生活和工业生产中的广泛应用。工业用户可以借助储能系统平滑负载波动，降低用电成本；商业用户可以通过参与电力市场交易，实现电能的灵活调度；居民用户则可以利用储能系统储存太阳能或风能，提高自给自足能力。这些应用不仅降低了用电成本，还促进了清洁能源的普及和应用。
压缩空气储能系统的规模大小也是影响其应用的重要因素。大型系统主要用于电力系统的削峰填谷和平衡电力负荷，提高电网稳定性；小型系统则更适合于城区供能系统、分布式供能和小型电网等领域，具有更广泛的应用前景；微型系统则以其小巧灵活的特点，在特殊领域和偏远地区发挥着重要作用。
3.2 供应端
压缩空气储能的供应端涵盖了储气资源供应与项目开发建设运营两大关键领域。在储气资源方面，地下洞穴与地上压力容器是主要的储气装置。地下洞穴储气规模庞大且成本较低，但受地质条件限制；而地上压力容器，尤其是灵活布置的小型压力管道，为储气提供了更多可能性。我国盐穴资源丰富，尤以东部为甚，这些盐穴在压缩空气储能中展现出卓越的经济性。盐业企业与技术提供商携手，共同推进压缩空气储能示范项目的开发。
在项目开发建设运营方面，我国已跻身全球压缩空气储能技术的领军行列。中科院热物理研究所下属的中储国能及清华大学等高校，成为技术创新的重要力量。中储国能凭借深厚的科研背景，为行业技术研发奠定坚实基础。同时，中国能建、中国电建等施工单位在项目建设上展现出丰富经验，确保项目顺利推进。
3.3 支撑链
压缩空气储能的支撑链主要包括相关设备，如压缩机、膨胀剂、换热器等。这些设备在压缩空气储能过程中起着至关重要的作用，确保系统能够高效、安全地储存和释放能量。在压缩空气储能系统中，包括了压缩、存储和释能三个关键过程，这需要使用多种设备来实现。其中，核心设备包括空气压缩机和膨胀机，它们分别用于压缩和膨胀空气以实现能量转换。此外，还需要发电机、涡轮机以及热交换器设备等。
从成本占比来看，空气压缩机和膨胀机各占约20%的成本比例，蓄热换热装置占15%~20%。空气压缩机是转化气体压力能的关键装置，广泛应用于工业领域，对于压缩空气储能系统至关重要。国内沈鼓集团、陕鼓动力等企业已具备提供大型压缩机技术方案的能力，但大规模压缩机仍需技术研发。透平膨胀机则是将压缩空气势能转化为动能的核心部件，东方电气、上海电气等国内企业正在加大研发力度。此外，热交换系统是提高系统效率的关键，国内厂家已具备设计和加工能力，新型换热器已在项目中得到应用。
随着技术的不断进步和市场的扩大，国内企业在压缩空气储能关键设备领域已取得显著进展，为行业发展提供了有力支撑。未来，随着政策的进一步支持和市场需求的增长，这些企业有望在全球压缩空气储能市场中占据更重要的地位。
4 CAES展望
压缩空气储能和抽水蓄能作为大规模储能技术的代表，各自拥有优势与挑战。抽水蓄能技术成熟，储能容量大，但受限于地理条件且建设周期长。相对而言，压缩空气储能选址灵活，建设周期短，效率也相对较高，但其响应速度较慢，技术成熟度仍需提高。两者各有特点，选择时需结合具体场景需求。国内已有多项压缩空气储能项目投产，技术进步使效率、装机容量和成本均有所改善。虽然与抽水蓄能相比，压缩空气储能仍有进步空间，但先进技术的应用已使其效率达到可观水平，显示出在大规模储能领域的巨大潜力。降低成本是推广应用的关键，目前部分项目的单位千瓦投资成本已接近大型抽水蓄能电站。
然而，压缩空气储能技术仍面临诸多挑战。地理位置限制、响应速度慢和产业链不成熟等问题亟待解决。未来需进一步评估和优化地理位置，研发更快的压缩空气储能技术，并推动产业链的发展与完善。
5 结语
压缩空气储能技术（CAES）作为清洁高效的能源储存方式，不仅有助于降低温室气体排放，减缓气候变化，还具备高灵活性、强适应性和长寿命等优势，适用于不同规模的能源储存需求。在发电、输电和消费侧，CAES都能发挥重要作用，提升电力系统的稳定性，降低用电成本。尽管面临系统效率、成本等挑战，但随着技术进步和政策支持，CAES技术有望未来推动清洁能源领域的发展。
