壓縮空氣儲能：探索能源循環(huán)之路

能源

近代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，得益于化石能源如石油、天然氣、煤炭等的廣泛使用。然而據(jù)科學(xué)推算，化石能源將在21世紀(jì)上半葉迅速接近枯竭：石油儲量將在2050年左右耗盡，天然氣最多還可以用65年，煤的儲量多些，但最多也就再供應(yīng)不足200年?；茉吹亩倘焙凸┙o的中斷，必將深刻影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響世界局勢。事實(shí)上近10多年來，世界許多地區(qū)的沖突和戰(zhàn)爭都是因爭奪能源而引發(fā)的。

為了有效應(yīng)對化石能源耗盡所帶來的能源危機(jī)，許多國家都在尋求化石能源的替代品，如風(fēng)能、核能、太陽能以及生物燃料等。然而，不論是不可再生的還是可再生的能源，很大一部分都必須轉(zhuǎn)化為電能加以利用。因此從歷史發(fā)展的趨勢來看，特別是隨著化石能源的逐漸耗盡，未來能源最主要的形式將是電能。

然而電能卻有一個(gè)非常不利的缺點(diǎn)：不便儲存。在整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)，用戶消耗的電能任何時(shí)候都等于電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電廠在同一時(shí)刻生產(chǎn)的電能，發(fā)電廠的發(fā)電量要隨用戶用電量的變化而變化。由于用戶在用電高峰與用電低谷間的用電需求差別很大，往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)電廠生產(chǎn)的電能，在用電高峰時(shí)不能滿足用戶的需求，而在用電低谷時(shí)大量的富余電量又不能得到有效利用。以上海近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，為解決全市每年約200小時(shí)的高峰用電負(fù)荷，僅對電網(wǎng)一項(xiàng)的投資每年就超過200億元之多，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率卻不到2％，造成了很大的浪費(fèi)。如果能建立起大容量的電力儲能裝置，將對電能的合理利用起到“削峰填谷”的作用。通過儲存電網(wǎng)夜間用電低谷時(shí)充足的富余電能，然后到白天用電高峰時(shí)反饋輸出進(jìn)行平抑，這樣可以大大提高發(fā)電設(shè)備的利用效率，并節(jié)約巨額投資。

儲能

正是由于電力儲能裝置對提高能源利用率有著重要的意義，因此發(fā)達(dá)國家早就開始了針對儲能技術(shù)的研究。目前，世界上的儲能技術(shù)歸納起來主要有物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、化學(xué)儲能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等）和電磁儲能（如超導(dǎo)儲能、超級電容儲能等）這三大類。由于化學(xué)儲能存在成本高、容量小、且對環(huán)境有污染等問題，目前尚不適宜開展大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用；而電磁儲能開展研究的時(shí)間還不長，技術(shù)還不夠成熟。因此，物理儲能作為一種相對成熟也是實(shí)際應(yīng)用較早的儲能方式，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。

在各種物理儲能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上最大（可達(dá)上千兆瓦）、技術(shù)上也最成熟，但是它對地勢有著特殊的要求：最好是在面積較小的范圍內(nèi)有著較大的水位高度落差。抽水蓄能對地理?xiàng)l件要求苛刻，并且對水源、道路交通都有特定的要求，如果不能利用已有的自然條件加以改造，完全通過人工興建將得不償失。

一個(gè)典型的抽水蓄能電站占地上千畝，需要修建上下兩個(gè)水庫以及包括引水管、導(dǎo)流管、引水渠、盤山公路等在內(nèi)的配套設(shè)施，還會(huì)面臨泥石流、山體滑坡、壩體開裂、管道破損等潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。即使在正常的使用過程中，也會(huì)面臨著水源的蒸發(fā)與流失，如果沒有合適的天然水源作為補(bǔ)充，將為此支付不菲的水資源成本。再加上水的粘度大，泵水所需耗費(fèi)的功率高，因此抽水蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換效率一般也就在70%左右。然而，盡管抽水蓄能存在著如此多的局限性，但其仍然憑借技術(shù)上的成熟性在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

除了抽水蓄能外，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的儲能方式就是壓縮空氣儲能（單機(jī)規(guī)模在百兆瓦級別）。壓縮空氣儲能是指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將富余電能用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)壓縮空氣，將空氣高壓密封在山洞、報(bào)廢礦井、過期油氣井、沉降的海底儲氣罐或地面儲氣罐中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)燃汽輪機(jī)發(fā)電的儲能方式。1949年，壓縮空氣儲能的第一個(gè)專利在美國問世；1978年，第一臺商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲能機(jī)組在德國誕生。目前國際上已有兩座長時(shí)間運(yùn)行的壓縮空氣儲能電站，分別位于德國和美國。由于具有效率高、壽命長、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，壓縮空氣儲能是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ膬δ芗夹g(shù)之　一。

壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能的兩大優(yōu)勢使其能夠成為一種重要的儲能手段。首先，壓縮空氣儲能在裝機(jī)容量上可達(dá)上百兆瓦，規(guī)模僅次于抽水蓄能，便于開展大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用；其次，壓縮空氣儲能在技術(shù)上較為成熟，并且其技術(shù)發(fā)展前景也較為廣闊。

壓縮空氣儲能是一種基于燃?xì)廨啓C(jī)的儲能技術(shù)，其原理是將燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和透平分開。在儲能時(shí)，用電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮并存于儲氣容器內(nèi)；在釋能時(shí)，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室助燃，燃?xì)馀蛎涷?qū)動(dòng)渦輪做功發(fā)電。壓縮空氣儲能的能源轉(zhuǎn)化效率較高，一般在75%左右，其中德國一座裝機(jī)容量為29萬千瓦的壓縮空氣儲能電站，其能源轉(zhuǎn)化效率高達(dá)77%，如果再采用一些先進(jìn)的技術(shù)（如超導(dǎo)熱管技術(shù)等），其效率能進(jìn)一步提升到80%以上。

由于技術(shù)成熟、規(guī)模較大，壓縮空氣儲能的成本較低。以興建一座200萬千瓦的電站為例，如果采用抽水蓄能的方式，其投資額約為70～100億元人民幣，而如果采用壓縮空氣儲能的方式，其投資額僅為50～60億元人民幣。即使與其他形式的儲能電站相比，壓縮空氣儲能仍然是成本最低的一種儲能方式。同時(shí)壓縮空氣儲能電站的建設(shè)周期也較短，一般僅需3到5年的時(shí)間，而建設(shè)一座同樣規(guī)格的抽水蓄能電站則需要5到8年。如果在使用的過程中注意維護(hù)，壓縮空氣儲能電站的壽命也可達(dá)四五十年，接近抽水蓄能的50年，是壽命最長的一種儲能方式。

除了自身的能源轉(zhuǎn)化效率較高、建設(shè)成本低之外，壓縮空氣儲能電站的經(jīng)濟(jì)效益也十分明顯。一方面，通過壓縮空氣儲能電站的峰谷調(diào)節(jié)功能來滿足用電高峰時(shí)的需求，可避免興建火力發(fā)電站帶來的投資與浪費(fèi)（這種火電站僅在用電高峰時(shí)開機(jī)而平時(shí)都處在停機(jī)狀態(tài)）。另一方面，以我國各地現(xiàn)有的“峰谷電價(jià)”來看，平均起來峰期電價(jià)是谷期電價(jià)的2到3倍。因此，如果在用電谷期將富余的電能通過壓縮空氣儲能的方式收集起來，在用電峰期的時(shí)候再釋放出去，即使其效率僅按75%來計(jì)算，相對于谷期電價(jià)來說仍有50%～100%的收益率。

壓縮空氣儲能的應(yīng)用

除了將富余的電能儲存再利用，實(shí)現(xiàn)常規(guī)的“削峰平谷”之外，壓縮空氣儲能技術(shù)還特別適用于解決風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機(jī)性、間隙性和波動(dòng)性等問題，可以實(shí)現(xiàn)其發(fā)電的平滑輸出。經(jīng)測算，如果風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)占電網(wǎng)容量比例達(dá)20%以上時(shí)，則電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大的挑戰(zhàn)。壓縮空氣儲能尤其適用于大規(guī)模風(fēng)場，因?yàn)閮烧哂兄烊坏慕Y(jié)合優(yōu)勢：風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械功可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，減少了中間轉(zhuǎn)換成電的環(huán)節(jié)，從而提高效率，而且存儲的能量經(jīng)過再次發(fā)電可以達(dá)到穩(wěn)定的輸出，從而為風(fēng)能的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電找到了另一條途徑。

而隨著壓縮空氣儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展，特別是伴隨著壓縮空氣儲能裝置的小型化，其在城市內(nèi)的應(yīng)用前景也不斷擴(kuò)大。

首先，壓縮空氣儲能裝置可以作為樓宇大廈的應(yīng)急電源。傳統(tǒng)的應(yīng)急電源一般是采用柴油發(fā)電機(jī)或蓄電池的方式。前者需要一定的啟動(dòng)時(shí)間，且設(shè)備容易老化損壞、可維護(hù)性差；而后者的容量有限，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的供電。隨著壓縮空氣儲能裝置的小型化發(fā)展，使其作為應(yīng)急電源成為了一種可能。相對于前兩者，壓縮空氣儲能裝置的啟動(dòng)時(shí)間短、能量密度高，能夠快速持續(xù)的供電，是一種非常有效的應(yīng)急電源。而且其壽命長、維護(hù)方便，只需定期檢測壓縮空氣量是否能夠滿足要求，在壓縮空氣量有所不足的時(shí)候，利用電網(wǎng)低谷時(shí)期的電力驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)充即可。

其次，隨著技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)壓縮空氣儲能裝置的容量進(jìn)一步擴(kuò)大，其作為分布式電源的前景也更加明朗。并且由于空氣在壓縮與膨脹的過程中總是分別伴隨著熱量的釋放與吸收，因此未來的建筑中可以通過一個(gè)壓縮空氣儲能裝置來同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電和溫度調(diào)節(jié)的功能，從另一個(gè)渠道來實(shí)現(xiàn)零排放的綠色建筑。

除了在電廠和建筑物上的應(yīng)用之外，目前，國外已經(jīng)開始探索基于壓縮空氣儲能的混合動(dòng)力車的研制，這種混合動(dòng)力車不需要蓄電池或電動(dòng)機(jī)，而是通過發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮空氣來儲存能量。在短距離或低速情況下，僅通過壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)汽車，當(dāng)車速提高后，通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷（要么通過活塞壓縮空氣來增加負(fù)荷，要么用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞來減小負(fù)荷）使其在最佳效率的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，這種基于壓縮空氣儲能的混合動(dòng)力車與當(dāng)今的油電混合動(dòng)力車節(jié)省的燃料相當(dāng)，但成本卻比后者低得多。另據(jù)報(bào)道，也有國外的研究機(jī)構(gòu)開展了直接用儲存起來的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功作為汽車動(dòng)力的試驗(yàn)，目前已經(jīng)達(dá)到時(shí)速50千米，可行駛90千米的效果。

結(jié)束語

壓縮空氣儲能具有廣闊的市場前景和社會(huì)效益，然而直到最近兩三年它才在我國成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。雖然國內(nèi)的有關(guān)高校和研究院所也已開展了相關(guān)方面的研究工作，但主要還是集中在理論研究和小型實(shí)驗(yàn)層面。

空氣，與我們航空人有著不解之緣；燃?xì)廨啓C(jī)，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展的重要領(lǐng)域。壓縮空氣儲能與航空工業(yè)的技術(shù)同源、產(chǎn)品相關(guān)，航空工業(yè)完全可以開展相關(guān)技術(shù)的研究與工程應(yīng)用探索，在壓縮空氣儲能技術(shù)領(lǐng)域書寫出航空人的濃墨重彩。

（作者系中航工業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院院長）