壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和發(fā)展方向探析

吳全，孫春良，郭海濤，王秋麟，李育天，續(xù)元慶，徐奇，鄭堅(jiān)欽

1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司

0 引言

發(fā)展可再生能源是邁向碳中和、實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的必由之路。近年來，中國積極推動(dòng)可再生能源發(fā)展，風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量和發(fā)電量均急劇增加。2022年，中國可再生能源裝機(jī)容量突破12×108kW，其中風(fēng)電裝機(jī)容量3.65×108kW，同比增長(zhǎng)11.5%，光伏裝機(jī)容量3.93×108kW，同比增長(zhǎng)28.6%，風(fēng)電、光伏年發(fā)電量首次突破1×1012kW·h，同比增長(zhǎng)21%，占全社會(huì)用電量的13.8%［1］。然而，這些可再生能源間歇性、隨機(jī)性的特性給高比例電網(wǎng)接入和消納帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，迫切需要一種低成本、高效率和可持續(xù)的儲(chǔ)能技術(shù)支撐未來的新型電力系統(tǒng)。

PHES（抽水蓄能）是一種效率較高且已被廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)，但其建設(shè)運(yùn)行受地形和水資源條件制約較大。電化學(xué)儲(chǔ)能有多種不同的類型，但受高成本和后期無害化處置等因素限制，還遠(yuǎn)不能成為大規(guī)模長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的解決方案。綠氫儲(chǔ)能雖然具有大容量、長(zhǎng)周期優(yōu)勢(shì)，但考慮制氫效率在65%～90%范圍內(nèi)，放電效率約50%～60%（聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠）［2］，其RTE（循環(huán)效率）僅約35%～55%，遠(yuǎn)低于其他儲(chǔ)能方式，此外大規(guī)模氫氣儲(chǔ)存還帶來相關(guān)安全挑戰(zhàn)。PTES（熱泵儲(chǔ)能）是基于在充電模式下使用電力為熱泵供電，將電能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存，并在放電模式下再轉(zhuǎn)化為電能，雖然具有儲(chǔ)能容量大、無特定地理?xiàng)l件限制、可靈活實(shí)現(xiàn)多種能源品位冷熱電聯(lián)供等優(yōu)勢(shì)，但目前技術(shù)還不成熟，遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，現(xiàn)有研究也主要聚焦于將熱儲(chǔ)能與壓縮空氣或CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用，以提高系統(tǒng)循環(huán)效率。

壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、建設(shè)周期短、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境友好等突出優(yōu)勢(shì)，是繼抽水蓄能之后又一種實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用的長(zhǎng)時(shí)、大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，近年來在中國發(fā)展迅速。研究人員對(duì)傳統(tǒng)的補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)作出改進(jìn)，提出了A-CAES（絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能）系統(tǒng)、LAES（液態(tài)空氣儲(chǔ)能）系統(tǒng)及S-CAES（超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能）系統(tǒng)，提高了儲(chǔ)能密度和系統(tǒng)效率，并在一定程度上減少了地理?xiàng)l件的限制。2022年，全球首座100 MW級(jí)先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能電站已在中國實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)效率達(dá)到70.2%［3］。300 MW 級(jí)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入試點(diǎn)建設(shè)。

與空氣相比，CO2更容易液化和達(dá)到超臨界狀態(tài)，超臨界CO2具有黏度低和密度高等良好的熱物理性質(zhì)，具有更高的儲(chǔ)能潛力，因此近年來以CO2為工質(zhì)的壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者提出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、儲(chǔ)氣方式等方面差異顯著的多種CO2儲(chǔ)能技術(shù)路線［4-9］，展示出該儲(chǔ)能技術(shù)的多樣性和復(fù)雜性。2022年，意大利初創(chuàng)公司Energy Dome 在意大利撒丁島推出了全球首個(gè)CO2電池試點(diǎn)項(xiàng)目，儲(chǔ)能功率/儲(chǔ)能容量為2.5 MW/4 MW·h，并與意大利公用事業(yè)公司A2A 簽訂了一項(xiàng)合作協(xié)議，將建設(shè)一個(gè)20 MW/100 MW·h 的商業(yè)CO2儲(chǔ)能電站。同期，百穰新能源科技（深圳）有限公司（簡(jiǎn)稱百穰公司）在四川德陽投資建設(shè)了中國首套CCES（壓縮二氧化碳儲(chǔ)能）系統(tǒng)驗(yàn)證項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用二氧化碳+飛輪儲(chǔ)能技術(shù)方案，儲(chǔ)能規(guī)模10 MW/20 MW·h?？傮w來看，目前壓縮CO2儲(chǔ)能尚處于科研示范向商業(yè)示范過渡的階段。

本文通過對(duì)以空氣和CO2為工質(zhì)的壓縮氣體儲(chǔ)能的主要技術(shù)路線、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討壓縮氣體儲(chǔ)能發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出相關(guān)建議。

1 壓縮氣體儲(chǔ)能主要技術(shù)路線

壓縮氣體儲(chǔ)能屬于機(jī)械儲(chǔ)能的一種，其基本原理是：使用空氣或CO2作為循環(huán)工質(zhì)，在儲(chǔ)能過程中，使用富余電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功，產(chǎn)生的高壓工質(zhì)被儲(chǔ)存起來；隨后在釋能過程中，儲(chǔ)存的高壓工質(zhì)驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)發(fā)電，完成系統(tǒng)循環(huán)。按照工作原理、儲(chǔ)存狀態(tài)、儲(chǔ)存環(huán)境不同，壓縮氣體儲(chǔ)能可劃分為多種技術(shù)路線。

1.1 按工作原理劃分

按工作原理主要可分為D-CAES（非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能）系統(tǒng)、A-CAES、I-CAES（等溫壓縮空氣儲(chǔ)能）系統(tǒng)等3 種基本類型。

D-CAES 也被稱為傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能，它在壓縮過程中通過級(jí)間冷卻降溫以提高壓縮效率，壓縮熱直接逸散到環(huán)境中，釋能過程依靠外部熱源或燃燒化石燃料加熱空氣。早期建設(shè)的德國290 MW Huntorf 電站和美國110 MW McIntosh 電站均采用此種技術(shù)路線，儲(chǔ)氣壓力約4.6～7.5 MPa，系統(tǒng)循環(huán)效率分別為42%和53%［10］。

A-CAES 通過儲(chǔ)熱裝置回收壓縮熱并儲(chǔ)存，在釋能過程中用于重復(fù)加熱空氣，使壓縮及膨脹過程近似于絕熱過程，不必燃燒化石燃料。普通絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能在全部壓縮過程結(jié)束后儲(chǔ)熱，而先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能則增加了多級(jí)換熱及儲(chǔ)熱，雖然系統(tǒng)復(fù)雜性和投資有所增加，但同時(shí)也降低了壓縮功耗。絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)效率一般約為55%～75%。

I-CAES 是指通過一定措施（如液體活塞、噴淋、底部注氣等），通過比熱容大的液體（水或者油）提供近似恒定的溫度環(huán)境，增大氣液接觸面積和接觸時(shí)間，使空氣在壓縮和膨脹過程中無限接近于等溫過程，將熱損失降到最低。其理論循環(huán)效率較前兩種類型更高效，可達(dá)70%～95%，但在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)高效且具有成本效益的等溫過程，大型化發(fā)展的難度也很大，技術(shù)成熟度相對(duì)較低［11］。目前全球唯一兆瓦級(jí)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)驗(yàn)證項(xiàng)目由美國壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)公司SustainX 設(shè)計(jì)，功率為1.5 MW，測(cè)試循環(huán)效率達(dá)到54%。

由于非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率低，并且依賴于外界熱源或化石燃料，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)尚不成熟，而且該系統(tǒng)的低能量密度阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。從目前國內(nèi)外的研究和應(yīng)用成果看，新型壓縮空氣儲(chǔ)能主要集中于絕熱技術(shù)路線，同理，壓縮CO2儲(chǔ)能也主要集中于絕熱技術(shù)路線。

1.2 按儲(chǔ)存狀態(tài)劃分

按儲(chǔ)存狀態(tài)劃分主要有氣態(tài)、液態(tài)、超臨界態(tài)等類型。采用液態(tài)、超臨界態(tài)存儲(chǔ)主要目的是提高儲(chǔ)能密度和降低對(duì)地理?xiàng)l件的依賴性，但代價(jià)是需要增加液化冷卻和氣化加熱環(huán)節(jié)，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和額外的能量損耗。

壓縮空氣儲(chǔ)能密度一般為1～6 kW·h/m3，而液態(tài)空氣儲(chǔ)能密度一般可達(dá)20 kW·h/m3以上。國際上首個(gè)液態(tài)空氣儲(chǔ)能商業(yè)電站位于英國，由Highview Power 公司提供技術(shù)，規(guī)模為5 MW/15 MW·h。該公司擬在歐洲和澳大利亞建設(shè)更大規(guī)模的LAES 商業(yè)電站。中國國內(nèi)首個(gè)液態(tài)空氣儲(chǔ)能試點(diǎn)項(xiàng)目為國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司在江蘇同里建設(shè)的500 kW/0.5 MW·h 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。中國綠發(fā)投資集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱中國綠發(fā)）在青海省正在開展60 MW/600 MW·h 液態(tài)空氣儲(chǔ)能工程示范項(xiàng)目建設(shè)。總體上液態(tài)或超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)還處于科研示范向商業(yè)示范過渡階段。

雖然CO2相比空氣更容易液化和實(shí)現(xiàn)超臨界，但不同于做功后的空氣可直接向環(huán)境排放，CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)需同時(shí)考慮高壓氣體儲(chǔ)存和低壓（釋能后）氣體儲(chǔ)存。高壓下很容易通過在環(huán)境溫度下直接冷卻將超臨界CO2變成液態(tài)，困難在于如何液化低壓CO2，壓力越低需要的液化溫度越低，對(duì)制冷系統(tǒng)或蓄冷裝置的要求就越高，但提高膨脹機(jī)出口壓力又將減小對(duì)外做功，不利于系統(tǒng)循環(huán)效率。此外，完全的超臨界CO2儲(chǔ)能因低壓端壓力也要高于臨界壓力，在保持一定膨脹比和輸出功情況下將導(dǎo)致高壓側(cè)壓力大大提升，一般需要達(dá)到20 MPa 以上，給CO2高壓儲(chǔ)罐制造帶來巨大挑戰(zhàn)。因此在CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要在儲(chǔ)能壓力和釋能后壓力的確定、低壓端氣態(tài)儲(chǔ)存和液態(tài)儲(chǔ)存方案的選擇上進(jìn)行綜合權(quán)衡。目前國內(nèi)外已建成的CO2儲(chǔ)能室驗(yàn)項(xiàng)目低壓端儲(chǔ)氣均是采用的常壓氣態(tài)儲(chǔ)存方式?？紤]到未來向更大規(guī)模發(fā)展，液態(tài)或超臨界CO2儲(chǔ)能無疑將是重要的方向。

1.3 按儲(chǔ)氣方式劃分

根據(jù)儲(chǔ)氣方式，壓縮氣體儲(chǔ)能可以分為地面儲(chǔ)能、地下儲(chǔ)能和水下儲(chǔ)能3 種建設(shè)模式。地面儲(chǔ)能是以金屬材料壓力容器或其他材料儲(chǔ)氣倉作為儲(chǔ)氣裝置；地下儲(chǔ)能是以礦洞、鹽穴、含水層、枯竭油氣藏或人工硐室等作為儲(chǔ)氣裝置；水下儲(chǔ)能是以海底或湖底的人造球、儲(chǔ)氣罐等作為儲(chǔ)氣裝置。

儲(chǔ)氣方案的選擇取決于環(huán)境地理?xiàng)l件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件。目前，已投產(chǎn)和在建的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目大多采用鹽穴儲(chǔ)氣。鹽穴儲(chǔ)氣具有容量大、壓力高、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但受鹽穴資源條件制約。在“沙戈荒”地區(qū)，壓縮空氣儲(chǔ)能可能采用管線鋼管束或人工硐室儲(chǔ)氣，人工硐室單位造價(jià)相對(duì)管線鋼更低，目前中國規(guī)劃了多個(gè)人工硐室壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目，其安全性和可靠性將進(jìn)一步獲得工程驗(yàn)證，技術(shù)成熟度有望得到快速提升。目前暫無利用含水層、枯竭油氣藏開展壓縮氣體儲(chǔ)能的成功應(yīng)用案例，美國PG&E（太平洋天然氣和電力）公司擬在加州建設(shè)一座300 MW 的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，對(duì)采用枯竭氣藏存儲(chǔ)高壓空氣進(jìn)行了深入的可行性論證，該項(xiàng)目仍在等待FID（最終投資決策）。目前已建成的壓縮CO2儲(chǔ)能試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)模較小，采用的是金屬儲(chǔ)罐和薄膜儲(chǔ)氣倉分別儲(chǔ)存高壓和低壓CO2。水下壓縮氣體儲(chǔ)能則還處于理論研究階段。

此外，提升膨脹機(jī)進(jìn)口氣體溫度對(duì)膨脹機(jī)輸出功有著重要作用，耦合外部熱源補(bǔ)熱類壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用外界熱源來提升空氣或CO2做功發(fā)電能力，提高系統(tǒng)效率。可利用的熱源包括太陽能，地?zé)?，工業(yè)企業(yè)如冶金、化工、水泥、玻璃等行業(yè)的余熱、廢熱，發(fā)電廠余熱等，也可利用生物質(zhì)制取的沼氣、合成氣等的燃燒熱，因此該類壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。而耦合熱泵系統(tǒng)的壓縮CO2儲(chǔ)能是利用熱泵來提升系統(tǒng)蓄熱溫度和膨脹機(jī)進(jìn)口氣體溫度，也是目前研究的熱點(diǎn)方向之一。

2 壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)性能分析

壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)性能度量指標(biāo)包括循環(huán)效率、儲(chǔ)能密度、?效率、響應(yīng)時(shí)間、循環(huán)壽命等，而其中循環(huán)效率和儲(chǔ)能密度是不同技術(shù)方案之間進(jìn)行對(duì)比的最直接、最主要的兩項(xiàng)指標(biāo)。表1列出了全球部分壓縮氣體儲(chǔ)能項(xiàng)目及其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

表1 全球部分壓縮氣體儲(chǔ)能項(xiàng)目概況

儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率定義為輸出電能與輸入電能之比，在一些不嚴(yán)格的比較中通常忽略掉儲(chǔ)能和釋能過程中占比較小的輔助用電，而只計(jì)算壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)等主要設(shè)備用電。如果過程中加入大量外部熱源來加熱氣體或利用外部冷源來液化氣體，還需要扣除相關(guān)影響。儲(chǔ)能密度的定義為在單位空間或物質(zhì)質(zhì)量中儲(chǔ)存的可利用能量的量，壓縮氣體儲(chǔ)能密度一般用單位儲(chǔ)氣空間儲(chǔ)存的電能表示，對(duì)于絕熱型儲(chǔ)能，除了儲(chǔ)存空氣或CO2工質(zhì)的容量之外，還應(yīng)考慮儲(chǔ)熱（儲(chǔ)冷）設(shè)施容量，若儲(chǔ)熱（儲(chǔ)冷）容積占比較小，在粗略計(jì)算中也常常忽略。儲(chǔ)能密度主要受空氣或CO2儲(chǔ)存狀態(tài)和儲(chǔ)能壓力影響，本文不做展開討論。

循環(huán)效率的影響因素十分復(fù)雜，除前面已分析過的技術(shù)路線之外，一般還包括系統(tǒng)規(guī)模、系統(tǒng)參數(shù)及配置、儲(chǔ)熱介質(zhì)、運(yùn)行工況等。對(duì)于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，從現(xiàn)有工程實(shí)踐來看，兆瓦級(jí)系統(tǒng)效率可達(dá)50% 以上，十兆瓦級(jí)的系統(tǒng)效率可達(dá)60%，百兆瓦級(jí)以上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率可以達(dá)到70%，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率能夠逼近75%。由于CO2儲(chǔ)能還沒有規(guī)?；こ虘?yīng)用，其效率分析都還處于理論研究中，綜合相關(guān)研究，其循環(huán)效率約為50%～70%。

從系統(tǒng)參數(shù)及配置上看，絕熱壓縮氣體儲(chǔ)能工藝系統(tǒng)主要包括壓縮系統(tǒng)、儲(chǔ)熱和換熱系統(tǒng)、膨脹發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)氣系統(tǒng)等四大子系統(tǒng)，液態(tài)氣體儲(chǔ)能則還有儲(chǔ)冷或制冷循環(huán)系統(tǒng)。理論上壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、儲(chǔ)熱（儲(chǔ)冷）裝置和換熱器等關(guān)鍵設(shè)備效率越高、釋能過程對(duì)儲(chǔ)存能量（熱量、冷量及壓能）的利用效率越高，則系統(tǒng)循環(huán)效率越高，由于存在換熱端差以及不同環(huán)節(jié)流體力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)相互影響，一般需要采用專業(yè)軟件進(jìn)行全流程數(shù)值模擬分析，通過能流分析進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

在關(guān)鍵部件上，從已取得進(jìn)展看，目前100 MW級(jí)大型空氣壓縮機(jī)效率已達(dá)87%以上，膨脹機(jī)效率達(dá)91%以上；CO2壓縮機(jī)和膨脹機(jī)效率相對(duì)更低一些。高溫蓄熱換熱器保溫8～16 h 蓄熱效率可達(dá)98%以上［3］。液態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄冷材料和裝置還沒有獲得工業(yè)驗(yàn)證，根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，顯熱蓄冷技術(shù)相對(duì)潛熱蓄冷更成熟，但目前測(cè)試的蓄冷效率最高約96%，仍低于高溫蓄熱效率［17］。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，眾多學(xué)者基于多種儲(chǔ)能模型進(jìn)行了系統(tǒng)分析和優(yōu)化。總體來說，對(duì)于絕熱壓縮氣體儲(chǔ)能，一般儲(chǔ)能過程中產(chǎn)生的壓縮余熱量充足，在關(guān)鍵部件效率一定情況下，提升蓄熱溫度及膨脹機(jī)入口氣體溫度對(duì)提高系統(tǒng)效率影響最為顯著，因此關(guān)鍵在于提升余熱品質(zhì)。

根據(jù)蓄熱溫度，將壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)分為低溫（＞100～200 ℃）、中溫（＞200～400 ℃）和高溫（＞400 ℃）系統(tǒng)［18-19］。實(shí)現(xiàn)高溫儲(chǔ)能主要面臨兩個(gè)問題：一是高性能儲(chǔ)熱材料的開發(fā)及儲(chǔ)熱容器面臨的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力挑戰(zhàn)，二是開發(fā)適應(yīng)高溫環(huán)境的高效壓縮機(jī)的挑戰(zhàn)。德國ADELE 項(xiàng)目?jī)?chǔ)能方案中壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)排氣溫度高達(dá)600 ℃，排氣壓力10 MPa，采用巖石或陶瓷磚作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，設(shè)計(jì)循環(huán)效率70%［14］。該項(xiàng)目因技術(shù)挑戰(zhàn)太大及經(jīng)濟(jì)因素最終未能實(shí)施。在中溫段可以使用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油或熔融鹽作為傳熱流體，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單和成熟可靠，且依靠現(xiàn)有壓縮機(jī)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)適應(yīng)難度不大，是目前發(fā)展的主流。

近年來，隨著高溫壓縮機(jī)技術(shù)及熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展，壓縮機(jī)的壓縮熱已接近350 ℃，中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司開發(fā)了低熔點(diǎn)混合熔鹽儲(chǔ)熱+低壓水儲(chǔ)熱技術(shù)，在山東泰安、遼寧朝陽等多個(gè)項(xiàng)目中將得到應(yīng)用［16］。在相同質(zhì)量流量和進(jìn)排氣壓比下，壓縮CO2排氣溫度相對(duì)壓縮空氣更低，使得CO2儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱子系統(tǒng)相對(duì)更容易設(shè)計(jì)和操作，一般在中溫段儲(chǔ)熱即可達(dá)到較高的循環(huán)效率。Energy Dome 公司擬建的20 MW/100 MW·h 商業(yè)CO2儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)儲(chǔ)能壓力7 MPa，膨脹比約70，最高蓄熱溫度約450 ℃，采用不同儲(chǔ)熱材料分段組合儲(chǔ)熱技術(shù)，其概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)循環(huán)效率理論上可達(dá)約77%［20］；百穰公司試點(diǎn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)儲(chǔ)能壓力和膨脹比與之基本接近，但蓄熱溫度較低，約在250 ℃，系統(tǒng)循環(huán)效率在60%以上。

對(duì)于液態(tài)空氣或CO2儲(chǔ)能，除了提升余熱品質(zhì)外，還需要重點(diǎn)考慮冷能回收。與熱能回收不同的是，一般冷能品位相對(duì)固定，重點(diǎn)在于回收量（回收率），為彌補(bǔ)蓄冷系統(tǒng)冷量回收不足，有學(xué)者提出將液態(tài)空氣或CO2系統(tǒng)與LNG（液化天然氣）氣化流程相耦合，以利用外部冷能［21-22］。相關(guān)學(xué)者還研究了儲(chǔ)能壓力、壓縮級(jí)數(shù)、膨脹級(jí)數(shù)、等壓比或非等壓比設(shè)計(jì)、等膨脹比或非等膨脹比設(shè)計(jì)等對(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)于不同系統(tǒng)需要具體分析。

壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)效率與運(yùn)行工況存在耦合關(guān)系，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)偏離額定工況，系統(tǒng)效率降低。李廣闊等［23］研究了壓縮空氣儲(chǔ)能變工況特性，在運(yùn)行功率下限，壓縮機(jī)單位功耗進(jìn)氣量減少5%以上，透平發(fā)電單位空氣質(zhì)量流量發(fā)電量降低20%以上，即系統(tǒng)效率僅為額定工況下系統(tǒng)效率的75%左右。孫曉霞等［24］研究了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，結(jié)果表明，在釋能過程采取定壓和滑壓結(jié)合模式、擴(kuò)大儲(chǔ)氣室壓力變化范圍可以提高系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能密度。Huang 等［25］研究了壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型與其等效穩(wěn)態(tài)模型在系統(tǒng)性能上存在顯著差異，穩(wěn)態(tài)模型的RTE 達(dá)到68.5%，遠(yuǎn)高于相應(yīng)的動(dòng)態(tài)RTE 的55.3%，在不同操作模式下，動(dòng)態(tài)RTE 在16.7%～56.7%的范圍內(nèi)變化。

在空氣和CO2兩種介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能對(duì)比上，李陽海等［26］研究認(rèn)為，對(duì)于高溫和中溫壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)，使用空氣工質(zhì)的系統(tǒng)循環(huán)效率更高，低溫系統(tǒng)反之。Matteo 等［27］、姬海民等［28］對(duì)液態(tài)空氣和液態(tài)CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)熱力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，研究表明，相比液態(tài)空氣儲(chǔ)能，液態(tài)CO2儲(chǔ)能效率高，而儲(chǔ)能密度則相反。在絕熱條件下，兩大儲(chǔ)能系統(tǒng)由于在充放電過程能量消耗大，電-電轉(zhuǎn)化效率均低于55%。需要指出的是，上述研究均是基于特定系統(tǒng)和特定邊界條件的對(duì)比，由于壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)的復(fù)雜性，其熱力性能的規(guī)律還有待于更多的研究和工程驗(yàn)證。

幾種典型壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)性能和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。

表2 幾種典型壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)性能和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 投資成本分析

目前已投運(yùn)的10 MW/60 MW·h 級(jí)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能單位造價(jià)超過10 000 元/kW、1 700 元/（kW·h）；60 MW/300 MW·h 和100 MW/400 MW·h級(jí)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能單位造價(jià)超過8 000 元/kW、1 600 元/（kW·h）。新建的300 MW/1 500 MW·h 級(jí)鹽穴絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能單位造價(jià)約為6 000 元/kW、1 200 元（kW·h），人工硐室絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能單位造價(jià)約為8 000 元/kW、1 300 元/（kW·h）［29］。由此可見，隨著技術(shù)進(jìn)步和大型化發(fā)展，壓縮空氣儲(chǔ)能單位造價(jià)水平已快速下降。隨著需求的擴(kuò)大，關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)一步形成系列化，投資成本還可進(jìn)一步下降，有望在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)5 000 元/kW、1 000 元/（kW·h）左右甚至更低的單位造價(jià)。

近年，百萬千萬級(jí)大型抽水蓄能電站單位造價(jià)約6 000～8 000 元/kW、600～1 200 元/（kW·h），與300 MW 級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能同等規(guī)模的中小型抽水蓄能電站造價(jià)約8 000～10 000 元/kW。綜合對(duì)比，壓縮空氣儲(chǔ)能競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將逐漸顯現(xiàn)。從系統(tǒng)設(shè)備成本構(gòu)成來看，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)各占比20%左右，蓄熱換熱裝置占15%～20%，儲(chǔ)氣系統(tǒng)占20%～30%，廠房土地占比約10%，其他占比約10%。儲(chǔ)氣系統(tǒng)投資水平與儲(chǔ)氣方式密切相關(guān)，根據(jù)國內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目資料，鹽穴儲(chǔ)氣造價(jià)較低，約100 元/（kW·h），條件較好的鹽穴造價(jià)可進(jìn)一步降低；人工硐室造價(jià)約500 元/（kW·h）；管線鋼儲(chǔ)氣造價(jià)約1 500 元/（kW·h）。根據(jù)美國PG&E 項(xiàng)目資料，枯竭氣藏儲(chǔ)氣造價(jià)約400 元/（kW·h），包含地下儲(chǔ)庫及輸氣管道。

液態(tài)空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目還處于起步階段，中國綠發(fā)青海60 MW/600 MW·h 液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目單位投資約26 000 元/kW、2 600 元/（kW·h），英國Highview Power 公司的5 MW/15 MW·h 液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目單位投資約14 000 元/kW、4 700 元/（kW·h），均遠(yuǎn)高于鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能。

根據(jù)Energy Dome 公司資料，其20 MW/100 MW·h壓縮CO2儲(chǔ)能概念項(xiàng)目估算投資約2 370×104美元［20］，折合單位造價(jià)約8 295 元/kW、1 659 元/（kW·h），其中壓縮系統(tǒng)、膨脹發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)氣設(shè)施和儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)四大部件投資占比接近80%。國內(nèi)10 MW/20 MW·h 壓縮CO2儲(chǔ)能驗(yàn)證項(xiàng)目投資未見報(bào)道?？傮w來看，壓縮CO2儲(chǔ)能單位造價(jià)應(yīng)介于液態(tài)空氣儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能之間，隨著規(guī)模的擴(kuò)大和關(guān)鍵設(shè)備造價(jià)的降低，投資還有一定下降空間。液態(tài)CO2儲(chǔ)能目前還未有實(shí)際案例，相比低壓端氣態(tài)儲(chǔ)存方案，減少了薄膜儲(chǔ)氣倉投資和占地，但增加了儲(chǔ)冷制冷設(shè)施投資，未來實(shí)際效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 度電成本分析

LCOS（平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本）是評(píng)價(jià)各類儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室關(guān)于LCOE（平準(zhǔn)化度電成本）的定義為發(fā)電項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)發(fā)生的所有成本與全部發(fā)電量的比值，全部成本包括初始投資、運(yùn)維費(fèi)用、大修或組件替換成本、期末殘余資產(chǎn)處置成本等。與LCOE 類似，LCOS 考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本等，并將其按一定的折現(xiàn)率平均分?jǐn)偟矫繂挝淮鎯?chǔ)并釋放的能量上，得出存儲(chǔ)單位能量的平均折現(xiàn)成本，其實(shí)質(zhì)反映了凈現(xiàn)值為零時(shí)全生命期內(nèi)部平均電價(jià)，其計(jì)算公式如下［30］：

式中：P——平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本，元/（kW·h）；Co,n——第n年的現(xiàn)金流出，元；An——第n年的上網(wǎng)放電電量，kW·h；Bn——第n年的其他來源收入（包括補(bǔ)貼收入，對(duì)于冷熱電聯(lián)供儲(chǔ)能項(xiàng)目還包括對(duì)外供熱、供冷等其他額外收入等），元；r——標(biāo)準(zhǔn)折現(xiàn)率或基準(zhǔn)收益率，%；N——評(píng)價(jià)期限（含建設(shè)期），a。

以目前較為典型的3 種壓縮氣體儲(chǔ)能為例，與抽水蓄能進(jìn)行全生命期度電成本計(jì)算對(duì)比。壓縮空氣儲(chǔ)能投資參考在建的中國能建應(yīng)城項(xiàng)目，考慮運(yùn)行工況折減，選取的計(jì)算效率略低于其設(shè)計(jì)效率。壓縮CO2儲(chǔ)能投資參考Energy Dome 公司數(shù)據(jù)，考慮采用中溫蓄熱系統(tǒng)，以及根據(jù)當(dāng)前的CO2壓縮機(jī)和膨脹機(jī)效率，結(jié)合本文建模模擬，循環(huán)效率按65%計(jì)取。液態(tài)空氣儲(chǔ)能投資參考中國綠發(fā)在建的青海項(xiàng)目。抽水蓄能電站工程建設(shè)條件個(gè)體差異明顯，造價(jià)水平與工程建設(shè)條件和裝機(jī)規(guī)模密切相關(guān)，電站單位造價(jià)一般隨裝機(jī)規(guī)模增加而顯著降低。中小型電站投資參考近期簽約的湖南東安、湖北恩施等項(xiàng)目，按單位投資8 500 元/kW 計(jì)；大型電站單位投資按6 000 元/kW 計(jì)。

壓縮氣體儲(chǔ)能運(yùn)行壽命按30 a、抽水蓄能按50 a考慮。等效充放電年循環(huán)次數(shù)按300 次計(jì)算。運(yùn)維成本包括設(shè)備維護(hù)成本、管理成本及運(yùn)營(yíng)人員成本。不計(jì)其他來源收入。上述4 種儲(chǔ)能方式度電成本計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壓縮氣體儲(chǔ)能與抽水蓄能度電成本對(duì)比

由表3 可以看出，目前300 MW 級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能度電成本已能夠超越同規(guī)模抽水蓄能。而壓縮CO2儲(chǔ)能和液態(tài)空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目在0.4 元/（kW·h）充電電價(jià)下，全生命期度電成本超過1.2元/（kW·h），目前國內(nèi)大工業(yè)用電峰谷差價(jià)平均約0.78 元/（kW·h），可見在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境下難以獲得合理投資回報(bào)。即使在“沙戈荒”地區(qū)利用風(fēng)光棄電，不考慮充電電價(jià)的情況下，全生命期度電成本也接近0.7 元/（kW·h）。

此外，從表3 也可看出，不考慮充電電價(jià)和考慮充電電價(jià)下，壓縮CO2儲(chǔ)能和液態(tài)空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目度電成本相對(duì)抽水蓄能價(jià)差更大，主要原因是在不考慮充電電價(jià)的情況下，各儲(chǔ)能技術(shù)的度電成本與循環(huán)效率無關(guān)，只與初始投資成本和運(yùn)維成本相關(guān)。這表明循環(huán)效率低的儲(chǔ)能技術(shù)需有較低的初始投資和運(yùn)維成本才可以和效率高的儲(chǔ)能技術(shù)有相當(dāng)?shù)娜诙入姵杀?。因此，進(jìn)一步降低投資、提升能效是壓縮CO2儲(chǔ)能和液態(tài)儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵。

壓縮氣體儲(chǔ)能電站的運(yùn)營(yíng)模式主要有3 種：一是可再生能源+儲(chǔ)能，風(fēng)光儲(chǔ)一體模式，如張家口300 MW 風(fēng)電和500 MW 光伏配套100 MW 壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目；二是電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能，類似抽水蓄能，響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度；三是用戶側(cè)儲(chǔ)能。目前，中國還沒有出臺(tái)專門針對(duì)壓縮氣體儲(chǔ)能電站的電價(jià)支持政策。若能采用目前抽水蓄能的兩部制電價(jià)政策，將有助于項(xiàng)目效益提升和示范項(xiàng)目建設(shè)。

4 壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)上述分析可以得出以下初步研判：

1）壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展主流為先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，隨著其關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)集成技術(shù)日趨成熟，100 MW 級(jí)以上系統(tǒng)效率已逐漸逼近抽水蓄能，單位投資成本和全生命期度電成本已開始超越同規(guī)模抽水蓄能，經(jīng)濟(jì)性已逐漸顯現(xiàn)。

2）未來先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能有望進(jìn)入快速發(fā)展通道，將進(jìn)一步朝著規(guī)?；?、高能效方向發(fā)展。在系統(tǒng)集成上逐漸形成系列化產(chǎn)品，從而進(jìn)一步降低單位投資水平。在儲(chǔ)氣設(shè)施上將進(jìn)一步加大枯竭氣藏、含水層等地下大型儲(chǔ)氣資源的開發(fā)利用，以滿足不同地域、不同場(chǎng)景的需要。

3）10 MW 級(jí)壓縮CO2儲(chǔ)能將進(jìn)入商業(yè)示范期，通過進(jìn)一步系統(tǒng)優(yōu)化和示范驗(yàn)證，有望發(fā)展出相對(duì)定型的技術(shù)路線和產(chǎn)品系列，循環(huán)效率將快速提升至70%以上，與大型壓縮空氣儲(chǔ)能效率相當(dāng)，同時(shí)投資成本得到大幅下降。

4）液態(tài)空氣儲(chǔ)能和液態(tài)CO2儲(chǔ)能可能朝著多樣化發(fā)展，與光熱、地?zé)帷NG 冷能、ORC（有機(jī)朗肯循環(huán)）等其他系統(tǒng)冷熱電耦合集成，最大化提升系統(tǒng)循環(huán)效率和能源利用綜合效率。

5）高溫空氣壓縮機(jī)和CO2壓縮機(jī)技術(shù)、高效蓄熱蓄冷和換熱技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展。

6）為適應(yīng)“沙戈荒”新能源大基地建設(shè)，需要進(jìn)一步研究提升壓縮氣體儲(chǔ)能變工況設(shè)計(jì)技術(shù)，以匹配波動(dòng)的可再生電力。

5 結(jié)束語

壓縮氣體儲(chǔ)能是一種規(guī)模大、效率較高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好的新型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方式，在中國具有良好的發(fā)展條件和廣闊的發(fā)展前景。目前壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的主流技術(shù)路線為先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能，其技術(shù)已趨于成熟，正向商業(yè)化邁進(jìn)，建議加強(qiáng)政策支撐，進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)配套，形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。壓縮CO2儲(chǔ)能、液態(tài)空氣和液態(tài)CO2儲(chǔ)能技術(shù)還不完全成熟，投資成本和度電成本較高，但發(fā)展?jié)摿^大，建議一方面加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，盡快提升技術(shù)成熟度，另一方面加強(qiáng)政策扶持和引導(dǎo)，給予一定電價(jià)政策和并網(wǎng)政策，以促進(jìn)示范項(xiàng)目建設(shè)。