超臨界壓縮空氣儲能

2009 年，中科院工程熱物理所在國際上原創性地提出超臨界壓縮空氣儲能技術。該技術利用超臨界狀態下的流體兼有液體和氣體的雙重優點，比如接近液體的較高的密度、比熱容和溶解度，良好的傳熱傳質特性;同時也具有類似氣體的粘度小、擴散系數大、滲透性好、互溶性強等優點。

其工作原理是：1)儲能過程，利用富余電能通過壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態，通過儲熱系統回收壓縮熱后，利用儲冷系統存儲的冷能將空氣冷卻液化，并儲于低溫儲罐中;2)釋能過程，液態空氣加壓后，通過儲冷系統將冷量儲存，空氣吸熱至超臨界狀態，并吸收儲熱系統儲存的壓縮熱使空氣進一步升溫，通過膨脹機驅動電機發電。

目前，該技術為中科院工程熱物理所的專利技術。中科院工程熱物理所于2011 年在北京建成15kW 原理樣機，并于2013 年在廊坊建成1.5MW 示范系統，系統效率達52.1%。目前，10MW 級示范項目正在建設中。

水下壓縮空氣儲能

水下壓縮空氣儲能屬于等壓壓縮空氣儲能的一種，該技術將壓縮空氣存儲在水下(如海底和湖底)，利用水的靜壓特性保持儲氣的壓力恒定，保證壓縮機出口及膨脹機入口壓力恒定，從而使壓縮機和膨脹機始終工作在額定工況附近，不需要通過減壓閥進行壓力調整，減少能量損耗，提高系統效率。該系統不需要在儲氣空間保持一定的最小氣壓，使得空氣壓縮能可利用比率更高。此外，該系統安全性相對較高，即使發生失效事故，造成的破壞與危害也較小。

加拿大Hydrostor 公司于2015 年建成660kW 實驗系統。英國諾丁漢大學研制了1.8 米和直徑5 米的儲氣包，并進行了實驗研究。其余如美國加州大學、佛羅里達大學、北卡羅來納大學、麻省理工大學、我國的中科院工程熱物理所、華北電力大學都進行了理論及實驗研究，目前尚無大規模示范項目建成。

外部熱源補熱類壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能系統可以利用外界熱源來提升空氣做功發電能力，提高系統整體效率。其可利用的熱源包括太陽能熱利用，工業企業如冶金、化工、水泥、玻璃等行業的余熱廢熱，核電等發電廠的余熱，生物質制取的沼氣、合成氣等。

目前，應用較廣泛的是太陽能補熱型壓縮空氣儲能系統，該系統是利用太陽集熱裝置聚光形成溫度可達500℃以上的高溫熱源對壓縮空氣進行補熱升溫后，再推動透平膨脹做功，從而提高系統運行效率的儲能系統。

美國普渡大學、英國華威大學、英國諾丁漢大學、伊朗德黑蘭大學、中科院工程熱物理所、清華大學、華南理工大學等機構也開展了相關研究。

主要應用領域

壓縮空氣儲能技術最早主要用于電力系統的調峰和調頻，但隨著技術不斷發展和微小型壓縮空氣儲能技術的出現，其應用越來越廣泛，在可再生能源、分布式能源、汽車動力系統、UPS 電源等方面都得到了應用。

電力系統調峰

目前，每日的用電負荷是波動變化的，且峰谷差日趨增大。為了滿足要求，當前的發電裝機容量與電網容量需按最大需求建設，導致用電低谷時發電機組停機或低負荷運行，以及電網容量的浪費。壓縮空氣儲能作為大規模容量型儲能技術，可將用電低谷多發出的電能儲存，在用電高峰釋放，實現電力系統削峰填谷，減少發電裝機及電網容量，提升電力系統效率和經濟性。

可再生能源

可再生能源如風能、太陽能均具有間歇性、不穩定性，直接發電并網對電網沖擊很大，故棄風、棄光現象嚴重。壓縮空氣儲能技術可將間斷、不穩定、不可控的可再生能源發電儲存起來，再按照需求平穩、可控的釋放，具有平滑波動、跟蹤調度輸出、調峰調頻等功能，實現可再生能源電力大規模并網，有效解決棄風、棄光問題。

分布式能源系統

分布式能源系統和微電網系統是未來高效、低碳、高安全性能源系統的主要發展趨勢之一。但分布式能源系統相較于大電網，具有負荷波動大、系統調節能力差、故障率高等缺點。壓縮空氣儲能可作為負荷平衡裝置及備用電源，有效解決上述問題，提高系統的供電可靠性、穩定性，并可實現黑啟動及孤網運行。由于壓縮空氣儲能技術過程中產生熱量，可以和制冷、制熱系統相結合，實現分布式能源系統的冷熱電聯產，具有很好的應用前景。

電力系統調頻

壓縮空氣儲能電站可以和其他如燃氣輪機電站、火電站或抽水蓄能電站一樣起到電力系統調頻的作用。當壓縮空氣儲能電站與其他儲能技術如超級電容、飛輪儲能、化學電池等相結合時，調頻速度會更快更有效。

其他應用

壓縮空氣儲能在其他領域也有較廣泛的應用，可以為汽車、高爾夫球車等移動設備提供動力;也可以作為不間斷電源(UPS)，為數據機房、精密儀器制造、醫療設施、國防設施等關鍵部件提供保障性電源;系統經膨脹機做功發電后釋放的空氣由于溫度低且經過了凈化，還可用于空調系統為建筑提供新風和冷量。

挑戰及機遇

技術性能需要進一步提升

雖然新型壓縮空氣儲能技術發展速度較快，但各項技術性能仍需進一步提升，尚不能完全滿足大規模推廣的要求。目前，新型壓縮空氣儲能最高效率為60% 左右， 距離高效電池儲能技術的效率(80% 以上) 還有一定差距;其系統最大規模為10MW， 尚未達到傳統壓縮空氣儲能百兆瓦規模; 其系統單位成本約為6000~10000 元/kW 暨1500~2500 元/kWh，仍有足夠的下降空間。

迫切需要開展大規模系統的技術攻關

大規模化是壓縮空氣儲能技術的發展趨勢，也是其降低成本和提升性能的主要途徑。現已實現應用的新型壓縮空氣儲能技術規模偏小(1-10MW)，還不能滿足對儲能規模和經濟性的要求。因此，迫切需要啟動更大規模(100MW 級)的新型壓縮空氣儲能技術研發。

研發力量尚顯不足

由于壓縮空氣儲能技術是一個多學科交叉的系統工程且單臺機組規模大，其技術研發門檻較高，需要組建大規模的研發團隊和大量的資金投入，故目前從事該技術研發的機構、團隊相對較少;由于系統內部件繁多，需要建設大量的部件及系統實驗平臺以完成關鍵技術攻關，目前全球范圍已建成的高水平研發平臺較少，未給予足夠的研發條件支撐。

示范和應用亟需加強

新型壓縮空氣儲能技術的示范系統數量少，規模小，不能滿足技術發展的示范需求，迫切需要各國政府、企業加強政策引導、加大資金支持。目前大部分國家尚未形成系統的電價補償和激勵政策，全球商業運行的電站較少，一定程度上影響了壓縮空氣儲能技術的推廣和應用。

隨著各國電價政策的逐漸完善，大規模壓縮空氣儲能示范項目的陸續建成，壓縮空氣儲能產業已經進入了發展的快車道。相信在良好的政策環境下，在產業鏈上下游的大力支持下，在科研機構持續不斷的技術革新下，壓縮空氣儲能技術一定會持續健康發展，快速實現大規模應用。

(該文研究獲得了國家重點研發計劃(2017YFB0903602)、國家自然科學基金(51676181)、中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-JSC023)、北京市科技計劃項目(D161100004616001 ;D161100004616002)的資助。)