在熱力/化工系統(tǒng)循環(huán)中，物質的能量在整個過程中不斷變化，且系統(tǒng)與外界環(huán)境發(fā)生物質或能量交換。以燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)為例，其工作過程是以氣體為工質的布雷頓循環(huán)：空氣在壓縮機中被壓縮升壓（能量次高位）；高壓空氣進入燃燒室中與燃料燃燒產生高溫高壓的燃氣（能量高位）；燃氣進入膨脹機中做功，帶動發(fā)電機發(fā)電；做功后的低溫低壓氣體排入大氣（能量低位）。
圖1 燃氣輪機—布雷頓循環(huán)
實際生產/生活中，產能裝置的可產能和用能設備的用能往往存在不匹配現象，比如波動的風電產能和用戶用能，又比如夜晚發(fā)電廠的可發(fā)電量和用戶用電量，因此需要在產能多時儲能，用能多時用儲存的能量，實現產能裝置的高效運行和充分利用。
那么儲能系統(tǒng)如何產生呢？根據熱力/化工循環(huán)中工質的能量低位和能量高位的差別，通過“切斷”循環(huán)，便可實現儲能的目的。由于循環(huán)過程被打斷，建立的儲能系統(tǒng)可利用“非同時進行”循環(huán)過程中與外界的能量交換實現能量在時間上的平移，而“切斷”產生的儲存點應該具備可儲存、高能量密度和性能穩(wěn)定的特征。
例如，太陽能熱化學儲能系統(tǒng)針對典型熱化學循環(huán)過程進行循環(huán)的切斷，實現了能量的時間平移，在能多時，利用熱化學原理，吸收太陽能并將其轉化為穩(wěn)定合成氣的化學能進行儲存，能少時，通過儲存合成氣的氧化/分解等反應釋放其化學能。
除了“切斷”熱力/化工循環(huán)可產生儲能系統(tǒng)外，儲能系統(tǒng)還可由一般自發(fā)動力/傳熱/化學等過程和其逆過程的結合而來，以抽水蓄能系統(tǒng)為例，其正向工作過程為自發(fā)的水利發(fā)電過程，逆向過程為通過抽水泵將低位水抽向高位蓄水庫的過程，這種將產能過程和其逆過程合并形成儲能系統(tǒng)是儲能系統(tǒng)的另一種組織形式。
在目前的大規(guī)模儲能技術中，以上所述的抽水蓄能系統(tǒng)是技術最為成熟，裝機占比最高的儲能系統(tǒng)，但其具有能量密度低、地理限制（由于對水資源、地勢差的要求，中國抽水蓄能電站主要分布于中東部地區(qū)）等缺點。面向未來風/光發(fā)電量與用電負荷之間的電力不平衡對儲能系統(tǒng)的巨大需求，以及我國風/光能源地理分布上的“三北”特征（主要分布于正北、西北、東北區(qū)域），需要發(fā)展能量密度更高、地理適應性更強的儲能系統(tǒng)。而具有規(guī)模大、適用性強、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術之一。
圖2 太陽能熱化學儲能系統(tǒng)
圖3 抽水蓄能系統(tǒng)
壓縮空氣儲能系統(tǒng)
壓縮空氣儲能系統(tǒng)是以高壓空氣壓力能作為能量儲存形式，并在需要時通過高壓空氣膨脹做功來發(fā)電的系統(tǒng)，其技術原理發(fā)展自燃氣輪機。
燃氣輪機是由高速旋轉葉輪構成的，將燃料燃燒產生的熱能直接轉換成機械功對外輸出的回轉式動力機械。由于其具有功率密度大（體積小、重量輕）、起動速度快、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點，從1906年世界上第一臺燃氣輪機誕生至今，燃氣輪機技術已經進入航空、航海、電力、工業(yè)壓縮輸送等領域并得到了迅速的發(fā)展。
圖4 燃氣輪機技術在航空等領域的應用
現代燃氣輪機由壓縮機、燃燒室和膨脹機組成，壓縮機和膨脹機均為高速旋轉的葉輪機械，是氣流能量與機械功之間相互轉換的關鍵部件。其基本工作過程為環(huán)境空氣被壓縮機壓縮到高壓，然后壓縮空氣和燃料流入燃燒室進行燃燒，產生高壓高溫氣流，在膨脹機內膨脹產生軸功。
圖5 燃氣輪機組成及工作過程
由于壓縮機和膨脹機安裝在一根軸上，壓縮機消耗的能量由膨脹機提供（壓縮機是為了提升工質壓力，便于膨脹機做功），如果壓縮機和膨脹機安裝在不同的軸上，則壓縮過程和膨脹過程可以分開，這就形成了壓縮空氣儲能技術(壓縮空氣儲能系統(tǒng))的基本雛形。
儲能時段，壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用風/光電或低谷電能帶動壓縮機，將電能轉化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲于報廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或者人造的儲氣罐中；釋能時段，通過放出高壓空氣推動膨脹機，將存儲的空氣壓力能再次轉化為機械能或者電能。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)與燃氣輪機的不同之處在于燃氣輪機的壓縮機和膨脹機是同時處于工作狀態(tài)，而壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的壓縮過程和膨脹過程卻是分時進行工作。
圖6 壓縮空氣儲能系統(tǒng)
那么壓縮空氣能儲存多少能量呢？根據熱力學第二定律，區(qū)別于環(huán)境壓力和溫度的空氣具有做功能力，單位質量做功能力（可轉換的功）為e=u-u0-T0(s-s0)（u為內能，T為溫度，s為熵，下標0代表環(huán)境條件），可見溫度越高，內能u越大，熵s也越大，但是u-T0s仍是增大的；壓力越大，熵s越小，但內能基本不變，因此溫度和壓力升高均會使單位質量空氣的做功能力增大。當壓縮空氣壓力為100倍大氣壓、溫度為環(huán)境溫度時，1立方米空氣內部的能量（可轉化為電能）為12.9度電；當壓力增至200倍大氣壓時，1立方米空氣儲存電能為28.3度，進一步將空氣加熱至300攝氏度，可釋放的電能變?yōu)?4.4度。同時根據上述公式，可知溫度極低時空氣的做功能力也會急劇增大，如1立方米常壓液態(tài)空氣內部的可用能為201度電，可見最普通的空氣也可蘊含巨大的能量。
和一般熱力系統(tǒng)一樣，評價壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要指標之一為系統(tǒng)效率，是輸出能量和輸入能量的比值，其代表能量利用的熱力學完善程度，目前先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的理論計算效率可突破70%。另一個重要指標為能量密度，其為系統(tǒng)儲存的能量和儲存體積的比值，用于判斷系統(tǒng)是否能用較少的占地面積/體積產生較大的能量。除此之外，污染物和碳排放也是壓縮空氣儲能系統(tǒng)評價指標，基于此，目前發(fā)展了幾種零碳輸入的先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
壓縮空氣儲能技術應用及發(fā)展現狀
壓縮空氣儲能技術是從上世紀50 年代發(fā)展起來的，目前世界上有兩個商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站，分別是德國的Huntorf電站、美國Mcintosh電站，它們均為帶有燃燒室和洞穴儲氣室的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)。用電低谷時，多余的電帶動電動機和壓縮機將空氣壓入地下儲存室，用電高峰時，壓縮空氣進入燃燒室與燃料混合燃燒產生高溫高壓燃氣帶動膨脹機和發(fā)電機發(fā)電。
圖7 德國Huntorf電站
可以看出，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)依賴于化石燃料和大型儲氣室，且系統(tǒng)效率較低（較高的美國Mcintosh電站能量效率約54%），其發(fā)展和應用受到限制?；诖?，國內外學者在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的基礎上，通過采用優(yōu)化熱力循環(huán)、改變工質或其狀態(tài)、與其他技術(包括儲能技術)互補等方法，開拓出了多種新型的壓縮空氣儲能技術，使其得到迅速發(fā)展，并得到產業(yè)界的廣泛關注。目前主要的壓縮空氣儲能技術包括：
蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)（TS-CAES）空氣壓縮過程會產生壓縮熱，在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能中，這部分熱量通常被冷卻水帶走，最終耗散掉，而TS-CAES則將這部分熱量在儲能時儲存起來，而在釋能時用這部分熱量加熱膨脹機入口空氣，實現能量的回收利用，提高了系統(tǒng)效率。同時由于膨脹機前有壓縮熱的加熱，可以取消燃燒室，即該系統(tǒng)也擺脫了對化石燃料的依賴。當存在太陽能熱、工業(yè)余熱等外界熱源時，膨脹機入口空氣還可進一步地被加熱，提高系統(tǒng)效率和能量密度。加之該系統(tǒng)工作流程簡單，目前受到了較多國內外學者的關注和研究。而該系統(tǒng)缺點在于增加了多級換熱及儲熱，系統(tǒng)占地面積和投資有所增加。
圖8 一種TS-CAES系統(tǒng)原理圖
等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)（I-CAES）顧名思義，I-CAES為等溫壓縮和等溫膨脹過程實現儲能和釋能。該系統(tǒng)采用一定措施（如活塞、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，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，從而提高系統(tǒng)效率，同時也取消了蓄熱系統(tǒng)（相對于TS-CAES），系統(tǒng)部件減少。而等溫過程的實現比較困難，原因是其需要較好的強化傳熱技術，目前仍存在技術難題。同時，雖然等溫使壓縮機耗功減少，但也意味著壓縮機和膨脹機與外界交換的功量減少，這與儲能系統(tǒng)需要吸收更多的能量（更高的能量密度）相沖突，因此當儲能壓力不夠高時，I-CAES的能量密度較低。
圖9 一種I-CAES系統(tǒng)原理圖
水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)（UW-CAES）當空氣以氣態(tài)形式儲存在地下洞穴或人造容腔內時，隨著儲能（充氣）或釋能（放氣）過程的進行，儲氣室內的壓力不斷變化，且空氣不能被完全釋放(需要大量墊底氣)，否則洞穴坍塌或壓縮機出口/膨脹機入口壓力過低無法運行，以上因素造成壓縮機和膨脹機處于變工況運行，效率不能持續(xù)處于高位，同時系統(tǒng)能量密度不高。針對以上問題，UW-CAES通過將儲氣裝置放置在深水（海洋或湖泊）中，利用水壓的恒定實現儲能和釋能過程中壓縮機組出口和膨脹機組入口壓力恒定，使壓縮機和膨脹機一直工作在最佳運行點，且釋能時儲氣裝置中的空氣可以近乎完全釋放。因此UW-CAES具有高效率（~71%）和高能量密度的優(yōu)點，其適用于海岸線/深海區(qū)域的儲能。但該系統(tǒng)的儲氣裝置存在制造困難的問題，如需特殊的耐腐蝕材料、需將其固定在海底等。
圖10 一種UW-CAES系統(tǒng)原理圖
液態(tài)壓縮空氣儲能系統(tǒng)（LAES）借助于空氣降溫液化技術，LAES系統(tǒng)通過添加流程使空氣以液態(tài)形式儲存，如圖為一種LAES系統(tǒng)的流程圖，儲能時，經過壓縮機的高壓空氣進入回熱器降溫和降壓設備進行液化，被液化的常壓低溫液態(tài)空氣儲存在儲液罐中；釋能時，液態(tài)空氣經過低溫泵升壓、回熱器升溫，然后進入燃燒室，與燃料混合燃燒后進入膨脹機膨脹做功。LAES系統(tǒng)中空氣以液態(tài)形式儲存，相對于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能，其具有不受地理環(huán)境限制、能量密度大的優(yōu)點。但是其依賴化石燃料輸入，系統(tǒng)性能受回熱器的影響較大。
圖11 一種LAES系統(tǒng)原理圖
超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)（SC-CAES）SC-CAES系統(tǒng)為陳海生研究員提出，其利用空氣的超臨界特性，在蓄熱/冷過程中高效傳熱/冷，并將空氣以液態(tài)形式儲存，實現系統(tǒng)高效和高能量密度的優(yōu)點，系統(tǒng)兼具 TS-CAES和LAES的特點，同時擺脫了依賴大型儲氣室和化石燃料的問題。如圖為一種SC-壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理圖，其工作原理為：在用電低谷，空氣被壓縮到超臨界狀態(tài)（T>132K，P>37.9bar），并在蓄熱/換熱器中冷卻至常溫后，利用存儲的冷能將其等壓冷卻液化，經節(jié)流/膨脹降壓后常壓存儲于低溫儲罐中，同時空氣經壓縮機的壓縮熱被回收并存儲于蓄熱/換熱器中；在用電高峰，液態(tài)空氣經低溫泵加壓至超臨界壓力后，輸送至蓄冷/換熱器被加熱至常溫，再吸收儲能過程中的壓縮熱后經膨脹機膨脹做功，同時液態(tài)空氣中的冷能被回收并存儲于蓄冷/換熱器中。
圖12 一種SC-CAES系統(tǒng)原理圖
綜上，各類壓縮空氣儲能技術均具有其自身優(yōu)勢和一定的局限性，但整體來看，蓄熱式壓縮空儲能系統(tǒng)效率較高，具備較為成熟的技術，加之我國有大量的鹽洞、廢棄礦洞，利用已有洞穴建設低成本的壓縮空氣儲能系統(tǒng)非常有發(fā)展前景，因此TS-CAES系統(tǒng)有望在未來幾年得到廣泛關注和應用。
LAES系統(tǒng)和SC-CAES系統(tǒng)由于具有較高的能量密度，占地面積小，將在無天然洞穴地區(qū)受到越來越多的青睞，特別是SC-CAES系統(tǒng)還具有較高效率的優(yōu)點，其吸引力將更大，但目前仍需進行進一步的技術突破，提高系統(tǒng)效率。UW-CAES系統(tǒng)由于其工作環(huán)境，有望在海洋中得到一定應用，未來水下儲氣裝置技術成熟后，可在海洋環(huán)境如海上風電儲存方面得到一定應用。
I-CAES系統(tǒng)由于無蓄熱裝置，待等溫技術成熟后，系統(tǒng)可兼具流程簡單和效率高的優(yōu)點，但系統(tǒng)能量密度較低，使其在大規(guī)模儲能領域受限。同時未來，考慮到產能方式及用能方式的多樣性，壓縮空氣儲能可與其他熱力系統(tǒng)耦合，充分發(fā)揮其在促進耦合系統(tǒng)變工況運行上的優(yōu)勢。
除了技術方面的改進，經過多年的應用研究，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的應用場景也得到了極大的拓寬。大規(guī)模時，其可用于電力系統(tǒng)削峰填谷、可再生能源平滑波動、可再生能源/工業(yè)余熱耦合利用、火電廠/核電廠變工況輔助運行等，中小規(guī)模時，可用于分布式能源系統(tǒng)、分布式微電網、壓縮空氣儲能汽車、無人機彈射技術等方面。
在產業(yè)化方面，相對于歐美國家，我國的壓縮空氣儲能產業(yè)整體起步較晚，但發(fā)展很快。2011年，中國科學院工程熱物理研究所率先建成了國際首個超臨界壓縮空氣儲能實驗平臺（15KW）；基于該技術及持續(xù)的研究工作，2013年，工程熱物理所就在河北廊坊建成了MW級的先進壓縮空氣儲能（集成超臨界和蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)）示范項目，系統(tǒng)效率達到52.1%；進一步，又于2016年底在貴州畢節(jié)建成10MW的先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)效率進一步提升至60%；而目前正在河北張家口建設的100MW 先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)，預計2021年底建成，其系統(tǒng)目標效率將達到70%，單位裝機成本降低至450-750美元/kW，已接近抽水蓄能電站的效率及單位裝機成本，該系統(tǒng)有望在未來得到廣泛應用。
未來碳中和背景下可再生能源發(fā)電占比的提升將進一步拉動儲能需求，同時壓縮空氣儲能技術進步帶來的規(guī)模、效率的提升也將推動壓縮空氣儲能成本的不斷下降，拓寬壓縮空氣儲能的應用場景。而國家碳交易市場的建立將進一步帶動能源市場環(huán)保性、經濟性要求，也會推動壓縮空氣儲能系統(tǒng)的商業(yè)應用。
