压缩空气储能技术及应用场景.docx

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1、压缩空气储能技术及应用场景综述压缩机杂志原创文章能源是国民经济赖以进展的物质基础，依据可再生能源进展“十三五”规划设定的进展目标，非化石能源占一次能源消费比重在2022年与2030年将分别达到15%与20%,至2022年全国可再生能源发电装机容量将达到6.8亿千瓦，可再生能源发电电量将占据发电总量的27%o具备波动性及间歇性特点的可再生能源电能大规模并网，对电力系统平安稳定运行水平提出了更高要求。作为智能电网的重要组成部分，储能技术能够为电网运行供应调峰、调频及黑启动等多种服务，能够显著提高电力系统的敏捷性及平安性。压缩空气储能技术是一种可以大容量推广的物理储能技术，为促进压缩空气储能技术进展

2、，北京市科学技术委员会、广东省自然科学基金、“十二五”我国科技方案先进能源技术领域2022年度项目指南及我国重点研发方案高新领域2022年度项目指南等科技渠道均对先进压缩空气储能技术进行了资助。我国发改委及我国能源局等多部委联合于2022年9月发布的关于促进储能技术与产业进展的指导意见(发改能源(2022)1701号)明确提出开展10MW100MWh级超临界压缩空气储能系统研发及示范，于2022年6月进一步发布的贯彻落实关于促进储能技术与产业进展的指导意见2022-2022年行动方案提出重点推动大容量压缩空气储能等重大先进技术项目建设，推动百兆瓦压缩空气储能项目实现验证示范。本文针对关于促进储

3、能技术与产业进展的指导意见中涉及的压缩空气储能技术进行综述，梳理了国内致力于压缩空气储能技术工程示范的研发团队及其技术。在此基础上介绍了全球两座大容量商业化压缩空气储能电站的运行状况，跟踪国内外新型压缩空气储能技术的工程示范最新进展，以较全面的视角对已投运多年的商业化储能站运行阅历及近年来压缩空气储能技术的进展状况进行综述，同时以电源侧储能站场景、电网侧储能站场景及用户侧储能站场景为切入点开展了压缩空气储能技术的商业场景适用性分析，为压缩空气储能技术进展供应借鉴。1储能市场及储能技术依据储能产业讨论白皮书2022公布的储能猜测数据，至2025年我们我国的抽水蓄能累计装机容量将达到90GW,至2

4、023年我们我国的电化学储能累计装机容量将达到20GWo截至2022年底，我们我国的储能装机累计容量已经达到31.3GW,其中抽水蓄能电站累计容量为29.99G肌电化学储能电站的累计装机容量为1072.7MW,电化学储能电站中的锂离子电池储能累计装机容量最高，锂离子电池储能累计装机容量为758.8M肌相对于装机容量快速增长的电化学储能站，可大容量推广的压缩空气储能技术近年来处于快速进展状态，国内已建成500kW容量等级，L5MW容量等级及10MW容量等级等多种容量规模的压缩空气储能示范电站，完成了多容量等级的技术验证工作。储能技术包括机械储能及电化学储能两大类，其中大容量的机械储能技术主要包括

5、抽水蓄能及压缩空气储能；大容量的电化学储能技术主要包括锂离子电池及铅炭电池等；典型的能量型储能技术及其优缺点详见表1。表1典型的能型储能技术类型机械储能电化学储能效率抽水番能70-75%压第空F8能70%锂离子电池85-98%全饮液流电池75-85%纳硫iffi75-90%铅破电池70-90%抽水器能吟0年压络空气储能力陪锂离子电池5-10年全机液流电池5-15年哪I电池10-15年等级铅破电池3-师锂离子电池：数十兆瓦时抽水补能：数百兆瓦时全机液流电池：数十兆瓦时压缩空气储能：百兆瓦时纳硫电池：数十兆瓦时铅碳电池：百兆瓦时抽水备能：寿命长,牲压结空储能：寿总长.杵能稳定锂离子电池：能隙度大全

6、fl液流电池：安全性好纳硫电池：响应快碳电池：性价比高.技术成熟缺点抽水蕾能：选址困港.建设周期长锂离子电池：成本；8、安全风险全机液流电池：能密度任压第空储能：大型储纳及电泡：需较昌温度下运行.安全风险气洞穴选址困睚钳碳电池：用的5.污染问题内压缩空气储能研发团队及其技术1.1 1中科院工程热物理讨论所储能团队中科院工程热物理讨论所设立了储能研发中心，由陈海生讨论员担当储能研发中心主任，担当了包括我国重点研发方案项目“10例级先进压缩空气储能技术研发与示范”及北京市科技方案项目“大规模先进压缩空气储能系统研发与示范”等在内的多项压缩空气储能讨论项目，已建成1.5MW级压缩空气储能示范项目1座

7、（系统效率52%）及10MW级压缩空气储能系统示范项目1座（系统效率60.2%）,储能团队代表性专利之一为“超临界压缩空气储能系统”。1.2 南网科研院新能源与综合能源团队南方电网科学讨论院新能源与综合能源团队在海上风电、储能、微电网及综合能源等领域具有技术积累。新能源与综合能源团队成员郭祚刚博士在压缩空气储能领域具有多年研发经受，现为南方电网公司大容量储能重大科研团队成员。郭祚刚博士自2022年开头研发新型压缩空气储能技术，完成了新型压缩空气储能博士后课题，同时担当了包括广东省自然科学基金在内的多项压缩空气储能课题，从市场需求及商业推广角度研发新型压缩空气储能技术。在新型压缩空气储能技术研发

8、过程中，通过引入喷射调压系统克服了降压阀调压存在较大压力能损失的技术缺陷，较大幅度提升储能系统性能，代表性专利之一为“压缩空气储能系统”。1.3 清华高校电机系储能团队清华高校电机系压缩空气储能团队由梅生伟教授担当负责人，参加了安徽芜湖高新区的“500kW压缩空气储能系统示范项目”课题，项目所需的3000万资金由我国电网投资，项目于2022年11月首次发电胜利。据报道，500kW压缩空气储能系统示范项目”的最大发电功率达到了420kW,单次循环发电量为360kWh,储能效率为33%。清华高校电机系储能团队的代表性专利之一为“一种50MW绝热压缩空气储能方法”。1.4 中科院过程工程讨论所储能团

9、队丁玉龙教授曾担当利兹高校-中科院过程工程讨论所联合储能技术讨论中心首任主任，现为英国伯明翰高校-我国电网全球能源互联网欧洲讨论院联合试验室共同（创建）主任。丁玉龙教授储能团队采用液态空气具有密度大且易于储存的特点，研发液态空气储能技术，储能团队代表性专利之一为“液态空气储能系统能效提升装置及方法1.5 国网全球能源互联网讨论院储能团队我国电网的全球能源互联网讨论院储能团队致力于液态压缩空气储能技术的研发，储能团队在压缩空气储能领域已取得多项创造专利授权，代表性专利之一为“一种储罐增压型的深冷液态空气储能系统”。另据报道，全球能源互联网讨论院压缩空气储能团队在江苏吴江区同里镇开展500kWh的

10、液态压缩空气储能示范工程建设。3商业化压缩空气储能电站3.1 德国汉特福商业化压缩空气储能电站德国汉特福（Hmtorf）压缩空气储能电站是全球首座投入商业运行的压缩空气储能电站，该项目在1978年服役。FritzCrotogino等人在2001年美国Florida州举办的春季会议上共享了德国汉特福电站自1978年至2001年的20余年间运行阅历，同时供应了汉特福储能电站的配置参数。图1为汉特福储能电站流程示意图，图2为汉特福储能电站的航拍实景照片。储能电站包括两处地下储气地窖，在电能储存时空气压缩机组消耗电能制备高压力的空气并注入两处地下储气地窖中；在电能输出时，地下储气地窖内高压力空气经过阀

11、门稳压实现压力稳定，在燃烧器内与自然气实现参混燃烧与温度提升后直接进入膨胀机做功。汉特福储能电站的两台膨胀机之前都设置了燃烧器，末级膨胀机的高温乏气直接通过烟囱排放。表2德国汉特福储能电站配置参数指标类别1足标数值一电能储存容60MW12h电能输出容290MW3压笫机组空气疝108kgs场机组空气流417kgs膨张机与压填机空气流比_约4:1地下储河穴3容积140,000mi地下嬉洞穴02容积170t000m3母穴深度（顶部-底8gj-650-850f洞穴最大内径一60m两个U穴气流出口间距一220m，穴运行压力区间43-70barF穴允许最大压障速率1I5barh表2为德国汉特福电站的配置参

12、数，储能电站依据电能输出与电能储存阶段空气质量流速比为4:1进行设计，储能电站可连续储能12小时，连续输出电能3小时。图3德国汉特福储能电站年度启动次图3给出了德国汉特福储能电站的压缩机组及膨胀机组每年的启动次数。在投运之初，该储能电站主要充当紧急备用电源角色，当电网内其他电源消失故障时，向电网供应有功输出支持，机组的平均启动牢靠性为97.6%,截止目前该储能电站仍在运营。在1978年首次投用时，储能电站的压缩机组就启动将近400次，膨胀发电机组启动次数也超过250次；到1979年，膨胀发电机组启动次数达到了450次左右。自1985年之后，汉特福压缩空气储能电站所在的电网接入了大容量的抽水蓄能

13、电站，电网削减了对压缩空气储能电站的调用频次。德国汉特福压缩空气储能电站在电能输出阶段，储气地窖内空气温度随着压缩空气以417kgs的质量流速持续释放而相应下降，温度总下降幅度约20,如图4。在储气地窖注入气流及流出气流过程中，压缩空气与地窖壁面1米厚度左右的岩石层存在热交换行为。3.2 美国阿拉巴马商业化压缩空气储能电站全球投入商业运营的其次座压缩空气储能电站位于美国阿拉巴马州(Alabama),该储能电站在德国汉特福储能电站的基础上增加了膨胀机排气余热再采用系统，通过在膨胀机排气烟道上布置换热器将膨胀机排气携带热量传递给储气地窖释放的压缩空气气流，节省自然气耗量。图5为美国阿拉巴马州压缩空

14、气储能电站航拍照，图6为储能电站内景照片。阿拉巴马州储能电站于1991年投入商业运行，压缩机组功率为50MW,膨胀发电机组输出功率为110M队地下储气地窖总容积为560,000m3,储气地窖在地表以下450米，能够连续储能41小时，连续对外输出电能26小时。4国内外压缩空气储能示范工程及进展4.1 口本北海道压缩空气储能示范项目日本北海道空知郡在2001年建成了膨胀机输出功率为2MW的压缩空气储能示范工程，8MPa的压缩空气被储存在储气设施当中，储气设施的内腔安放了air-tight薄膜以防止空气泄露另据报道，北海道2MW压缩空气储能示范项目是日本正在开发的容量400MW机组的示范性中间机组，

15、400MW容量的大型储能电站将采用地表以下450米深处的煤矿地窖作为储气地窖。4.2 英国曼彻斯特液态空气储能示范项目图7英国曼彻斯特液态空气储能示范项目位于英国曼彻斯特的5MW15MWh规模的液态空气储能示范项目于2022年6月投入运行，该项目由英国HighviewPower公司与Viridor公司合作开发。该项目获得了800万英镑的英国政府资金支持，采用电网过剩电能制备液态空气（-196）,液态空气在隔热的真空储罐内进行储存备用，在电能释放阶段液态空气经过加压后气化，驱动膨胀机组输出电能。另据报道，英国液态空气储能开发商HighviewPower公司在近期签署了合同额约10亿欧元的项目合同，估计在英国选取两个地点进一步部署大容量的液