壓縮空氣儲能在電力系統(tǒng)的應用前景一

壓縮空氣儲能在電力系統(tǒng)的應用前景一

1、大規(guī)模儲能的重要意義

眾所周知，能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質

基礎。隨著全球能源生產和消費的持續(xù)增長，化石能源

日益枯竭，能源危機已成為世界范圍內面臨的共同難

題，對人類的生存和發(fā)展構成了嚴重威脅。面對上述挑

戰(zhàn)，各國都在積極研究和發(fā)展新能源技術，特別是太陽

能、風能等可再生能源，以期用清潔能源全面取代化石

能源，最終建立安全、經濟、清潔的現代能源供應體系。

由于風電、光伏等新能源發(fā)電具有波動性、不確定

性，其大規(guī)模并網將對電網的安全和穩(wěn)定運行帶來諸多

挑戰(zhàn)，而儲能裝置具有對功率和能量的時間遷移能力，

可以有效解決大規(guī)模風電、光伏等新能源發(fā)電并網問

題；同時一，通過大規(guī)模儲能技術可以實現電網的“削峰

填谷”，增強電網運行的經濟性。美國能源部前部長、

諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文指出：將儲能技術與太陽

能技術相結合，其在配電和發(fā)電領域的影響或可與當年

互聯(lián)網所造成的顛覆性沖擊相媲美。由此可見儲能技術

對于未來電力和能源系統(tǒng)的重要意義。

壓縮空氣儲能（compressedairenergystorage，

CAES）對地理條件無特殊要求，建造成本和響應速度與

抽水蓄能電站相當，使用壽命長，儲能容量大，是一種

具有推廣應用前景的大規(guī)模儲能技術。國外已有兩座大

型CAES電站分別在美國和德國（如圖1所示）投入商

業(yè)運行，多座電站正在建設之中。此外，多家研究機構

及公司開展了該方面的研究，提出了許多創(chuàng)新性的

CAES系統(tǒng)技術方案。

圖1德國HuntorfCAES電站（左）和美國McIntoshCAES電站（右）

2、壓縮空氣儲能基本原理

壓縮空氣儲能系統(tǒng)可利用低谷電、棄風電、棄光電

等對空氣進行壓縮，并將高壓空氣密封在地下鹽穴、地

下礦洞、過期油氣井或新建儲氣室中，在電網負荷高峰

期釋放壓縮空氣推動透平機（氣輪機、渦輪機等）發(fā)電。

按照運行原理，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以分為補燃式和非

補燃式兩類。

補燃式CAES需要借助燃料的補燃，以實現系統(tǒng)的

循環(huán)運行，系統(tǒng)流程如圖2(a)所示。儲能時，電機

驅動壓縮機將空氣壓縮至高壓并存儲在儲氣室中；釋能

時，儲氣室中的高壓空氣進入燃氣輪機，在燃燒室中與

燃料混合燃燒，驅動燃氣輪機做功，從而帶動發(fā)電機對

外輸出電能。補燃式CAES由于米用燃料補燃，存在污

染排放問題，同時存在對天然氣等燃料的依賴。非補燃

式CAES基于常規(guī)的補燃式CAES發(fā)展而來，通過采用

回熱技術，將儲能時壓縮過程中所產生的壓縮熱收集并

存儲，待系統(tǒng)釋能時加熱進入透平的高壓空氣，系統(tǒng)流

程如圖2(b)所示。非補燃式CAES不僅消除了對燃

料的依賴，實現了有害氣體零排放，同時還可以利用壓

縮熱和透平的低溫排氣對外供暖和供冷，進而實現冷熱

電三聯(lián)供，實現了能量的綜合利用，系統(tǒng)綜合效率較高。

鑒于非補燃式CAES在環(huán)保、能量綜合利用等方面的優(yōu)

勢，目前已成為CAES的主流研究方向。

壓縮機

儲

換熱

氣

室

低介

高介

溫

溫

質罐

罐

質儲

儲

熱用戶

砂

換熱器3

圖2(b)非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)流程圖

3、典型應用場景

壓縮空氣儲能技術在電力系統(tǒng)中應用前景廣闊，典

型應用場景包括如下幾個方面。

1)削峰填谷。集中式的大型CAES電站的單機容量

可達百兆瓦量級，發(fā)電時間可達數小時，可在電力系統(tǒng)

負荷低谷時消納富余電力，在負荷高峰時向電網饋電，

起到“削峰填谷”的作用，從而促進電力系統(tǒng)的經濟運

行。

2）消納新能源。分散式CAES電站的容量配置為幾

兆瓦到幾十兆瓦，可與光伏電站、風電場、小水電站等

配套建設，將間歇性的可再生能源儲存起來，在用電高

峰期釋放，緩解當前的棄風、棄光和棄水困局。

3）構建獨立電力系統(tǒng)。CAES還可用于沙漠、山區(qū)、

海島等特殊場合的電力系統(tǒng)。該類地區(qū)對儲能系統(tǒng)的壽

命、環(huán)保等方面有特殊需求。在此情況下，若配合風力

發(fā)電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等清潔能源，結合非補燃

CAES的冷熱電聯(lián)供特點，則有望構建低碳環(huán)保的冷熱

電三聯(lián)供獨立電力系統(tǒng)。

4）緊急備用電源。由于非補燃CAES技術不受外界

電網、燃料供應等條件的限制，對于電網出現突發(fā)情況

如冰災造成的斷網等，該技術的應用將能確保重要負荷

單位如政府機關、軍事設施、醫(yī)院等的正常運行。

5）輔助功能。壓縮空氣儲能具有功率和電壓均可調

節(jié)的同步發(fā)電系統(tǒng)，且響應迅速，其大量應用可以增加

整個電力系統(tǒng)的旋轉備用和無功支撐能力，提高系統(tǒng)電

能品質和安全穩(wěn)定水平。

4、清華大學研究進展

2012年，在國家電網公司的資助下，清華大學作為

項目負責單位聯(lián)合中科院理化所、中國電科院等單位開

展了基于壓縮熱回饋的非補燃CAES研究，并于2014

年底建成了世界第一個500kW非補燃CAES動態(tài)模擬

系統(tǒng)（如圖3和圖4所不）并成功實現了儲能發(fā)電。該

系統(tǒng)基于多溫區(qū)高效回熱技術儲存壓縮熱并用其加熱

透平進口高壓空氣，從而摒棄了歐美現有CAES商業(yè)電

站天然氣補燃的技術路線，實現儲能發(fā)電全過程的高效

轉換和零排放。該系統(tǒng)電換電實驗效率高達40%o此

外，若考慮利用壓縮熱對外供熱（80℃）以及透平的低

溫排氣供冷（3C）,其冷熱電綜合利用效率將達72%。

未來若采用高溫的蓄熱介質提高回熱溫度，系統(tǒng)的能量

綜合利用效率有望達到80%以上，其中電換電效率超

過50%o

圖3TICU500壓縮空氣儲能電站效果圖

圖4TICU500壓縮空氣儲能電站現場照片

此外，為了進一步提升系統(tǒng)儲能效率、降低系統(tǒng)建

設成本，使CAES滿足不同應用場景的需求。近年來，

清華大學在TICC-500的基礎上，進一步開展了基于鹽

穴儲氣和壓力容器儲氣的CAES電站工程設計研究、微

型CAES系統(tǒng)研制、太陽能光熱復合利用的非補燃

CAES研究等工作，以期不斷推動CAES技術的發(fā)展和

工程應用。

5、結論和展望

CAES發(fā)電系統(tǒng)尤其是非補燃式CAES發(fā)電系統(tǒng)具有

儲能容量大、環(huán)境友好、綜合效率高等特