壓縮空氣儲能
關注創建者：匿名 創建時間：2022-08-04
壓縮空氣儲能的視頻教程
ABAQUS-壓縮空氣對物體沖擊模擬（CEL）
該案例基于ABAQUS/Explicit，利用CEL技術模擬了腔體內空氣在活塞壓縮過程，將一個蓋子沖出的過程。定義了空氣理想氣體模型，腔體和活塞采用離散剛體，輸出EVF和SVAVG，查看pressure云圖，可以看到隨空氣壓縮，腔體內壓力增加，直至將頂部蓋子沖出。
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基于EVENTS、TUI和動網格的柱塞式空氣壓縮機Fluent仿真
柱塞式空氣壓縮機Fluent仿真，流體與傳熱相關的模擬。涉及到的知識點有：1.設置events事件，實現計算過程中條件的改變 ；2.利用TUI命令改變邊界類型 ；3.利用動網格方法實現柱塞往復運動；4.幾個常見問題的調試。
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壓縮空氣儲能的實例教程
和一般熱力系統一樣，評價壓縮空氣儲能系統的重要指標之一為系統效率，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，其為系統儲存的能量和儲存體積的比值，用于判斷系統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評價指標，基于此，目前發展了幾種零碳輸入的先進壓縮空氣儲能系統。
壓縮空氣儲能技術應用及發展現狀
壓縮空氣儲能技術是從上世紀50 年代發展起來的，目前世界上有兩個商業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壓縮空氣儲能系統。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電機發電。
圖7 德國Huntorf電站
可以看出，傳統壓縮空氣儲能系統依賴于化石燃料和大型儲氣室，且系統效率較低（較高的美國Mcintosh電站能量效率約54%），其發展和應用受到限制。基于此，國內外學者在傳統壓縮空氣儲能的基礎上，通過采用優化熱力循環、改變工質或其狀態、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，使其得到迅速發展，并得到產業界的廣泛關注。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（TS-CAES）
空氣壓縮過程會產生壓縮熱，在傳統壓縮空氣儲能中，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，即該系統也擺脫了對化石燃料的依賴。
展開 此前，國家電投集團科學技術研究院有限公司儲能技術研究所所長王含在電力行業儲能技術與應用研討2021年會中介紹，為推動技術產業化，國家電投鐵-鉻液流電池儲能產業園已于2020年簽約落地山東濰坊高新區，遠期建設目標是3GW。
同時，還在內蒙古霍林河啟動全球首個兆瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范項目建設，預計2022年年底投產。
壓縮空氣儲能：對標抽蓄
壓縮空氣儲能技術在用電低谷時段利用電能，將空氣壓縮至高壓狀態并存于洞穴或壓力容器中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來，在用電高峰時段將高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室燃燒利用燃料燃燒加熱升溫后，驅動渦輪機發電。
壓縮空氣屬于大規模機械儲能技術，單機規模可到100MW級，儲能時間可達4-10小時，壽命在30-50年。
壓縮空氣儲能與抽水蓄能一樣，易受地理條件約束，建造壓縮空氣系統，需要特殊的地理條件來作為大型儲氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等。此外，示范項目系統效率最高約61%，相比抽水蓄能的80%，效率較低。
近一年來，電力央企在壓縮空氣儲能領域進展頗多。
2021年9月30日，中國華能集團有限公司建設、調試和運維的世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站——江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗示范項目并網試驗成功。該項目于2017年獲國家能源局立項，由中鹽集團、中國華能和清華大學共同開發，一期工程發電裝機60兆瓦，儲能容量300兆瓦時，遠期建設規模1000兆瓦。
2022年4月，山東公布2022年度儲能示范項目，其中包括兩個壓縮空氣儲能項目，分別是由華能作為投資方之一投資的肥城壓縮空氣儲能300MW/1800MWh調峰電站，以及國家能源集團投資的國華蘭陵壓縮空氣儲能電站示范項目。
對外宣布項目最多的是中國能建集團剛剛組建的數字科技集團。
展開 2.2、壓縮空氣儲能：效率提升下，極具前景的大規模儲能技術
2.2.1、原理：依靠高壓氣體作為介質儲能
壓縮空氣儲能系統是一種能夠實現大容量、長時間電能儲蓄的電力儲能系統。通 過壓縮空氣存儲多余的電能，在需要時，將高壓氣體釋放到膨脹機做功發電。傳 統壓縮空氣儲能技術原理脫胎于燃氣輪機，其工作流程為：壓縮、儲存、加熱、 膨脹、冷卻。當前壓縮空氣技術以中溫蓄熱式壓縮空氣儲能為主。中溫技術將壓縮空氣加熱到 200-300℃，溫度越高，轉換效率就越高，最新壓縮空氣儲能的電轉換效率可以 達到 60-70%。但高溫對壓縮機等設備材料的要求更高，當前產業化方向以中溫 為主。
2.2.2、優劣勢：已擺脫地理約束，但當前效率相對較低
優勢 1：隨著技術的進步，可以通過儲氣罐的形式存儲壓縮氣體，從而擺脫了地 理約束，可以大規模上量。傳統的壓縮空氣儲能需要借助特定的地理條件建造大 型儲氣室，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，從而大大限制了壓縮空氣儲能系統 的應用范圍。當前隨著技術的進步，可以通過建設大型儲氣罐來進行存儲。優勢 2：單位成本相對較低。設備成本占系統成本的大部分，存在著隨著大規模 應用快速降本的可能。劣勢：整個系統的效率相對來說仍在較低的水平。當前涉及運行的項目效率在 50%-70%之間，較成熟的抽水蓄能的 76%左右還有一定的差距，這一定程度上 影響了整個項目的經濟性。
2.2.3、產業鏈：壓縮機、膨脹機為核心部件
壓縮機是壓縮空氣儲能系統中最核心的部件之一，其性能對整個系統起決定性影 響。大型壓縮空氣儲能電站的壓縮機多為軸流與離心壓縮機結合機組的結構，壓 縮機壓比需達到 40-80，甚至更高。根據美國電力研究協會報告，按 2002 年美 元計價下，Huntorf 電站裝配的壓縮機成本大約在 170 美元/KW。膨脹機同樣是壓縮空氣儲能系統中的核心部件。
展開 儲能領域對能量密度要求不高，成本低、壽命長的磷酸鐵鋰電池更受青睞。
電池作為整個儲能系統中核心組成部分，成本占到整個儲能系統成本的50%，是儲能系統后續降本的重要渠道。2021年我國磷酸鐵鋰電池儲能中標價格大多集中在1.2-1.7元/Wh。而根據彭博新能源財經（BNEF）測算，2022年全球電化學儲能EPC成本約為261美元/kWh（折合人民幣約1.66元/Wh），預計2025年將降至203美元/kWh（折合人民幣約1.29元/Wh）。2021年以來大量EPC中標價格1.3-1.7元/kWh之間。
2021 年部分磷酸鐵鋰電池儲能電站 EPC 招標情況
03 壓縮空氣儲能
國內壓縮空氣儲能技術不斷進步，壓縮空氣儲能（CAES）、先進絕熱壓縮空氣儲能（AA-CAES）、超臨界壓縮空氣儲能系統（SC-CAES）、液態壓縮空氣（LAES）等都有研究覆蓋，500kW容量等級、1.5MW容量等級及10MW容量等級的壓縮空氣儲能示范工程均已建成。
國際上1978年建成德國漢特福海與1991年建成的美國阿拉巴馬商業化壓縮空氣儲能電站為商業化電站。國內陸續進行了壓縮空氣、超臨界壓縮空氣、液態壓縮空氣儲能項目的研發與建設。
其中張家口國際首套100MW先進壓縮空氣儲能示范項目于2021年底順利并網，整體研發進程及系統性能均處于國際領先水平。
海內外部分壓縮空氣項目情況
2022 年立項的大型空氣壓縮儲能項目
壓縮空氣儲能成本分析
系統效率的提升以及成本的下降，是壓縮空氣儲能商業化發展的基礎。
展開 2023
氫能和儲能的共性關鍵技術
抽水蓄能、壓縮空氣儲能（包括液化空氣儲能）以及氫儲能是具備大規模儲能能力的儲能技術。抽水蓄能電站受到地理條件的限制較為苛刻，并且我國可再生能源資源集中的地區往往其水資源也比較有限，無法滿足抽水蓄能電站的建設需求，因此，我國抽水蓄能的發展潛力將不斷減小。壓縮空氣儲能與氫儲能的儲能容量大、壽命長，隨著其技術的進步和完善，具有強大的發展潛力[15-16]。現階段，壓縮空氣儲能的技術較為成熟，我國壓縮空氣儲能的示范項目也正在不斷布局。氫儲能，尤其氫液化工藝與壓縮空氣儲能（包括液化空氣儲能）工藝具有較好的耦合性，耦合工藝可以進行能量的梯次利用以提高聯合工藝的整體能效，如圖 5 所示。此外，這兩類儲能技術具有相同的關鍵設備，如壓縮機、膨脹機、換熱器等，如表 3 所示。因此可以進行協同研發攻關，形成互相促進的產業格局
壓縮空氣儲能與氫儲能（地下儲氫）的建設條件也具有高度相似之處。壓縮空氣儲能是利用電能將空氣壓縮至高壓并存儲在地下洞穴（高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等）或壓力容器中[17]。國外也已開展利用地下洞穴進行氫氣儲存的研究，壓縮空氣儲能技術相對成熟，其在地質勘探、洞穴密封性、環境保護等方面可作為發展地下儲氫的重要借鑒[18-19]。
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壓縮空氣儲能的最新內容
尤其在能源領域，火力發電所使用的汽輪機，壓縮空氣儲能系統的膨脹機都是的大尺寸的高速葉輪機組，負責幾百兆瓦的能量輸出。
該電機采用一體化設計，支持電動與發電雙工況運行，節省占地40%以上，可提升可再生能源并網比例15%-20%，年減排二氧化碳達50萬噸，成為壓縮空氣儲能系統的核心裝備。</p><p>4）. 全球最小線性振動電機量產</p><p>2025年，四川安和精密電子電器股份有限公司實現全球最小智能穿戴專用線性振動電機量產。
該電機由臥龍與中儲國能聯合研制，具有完全自主知識產權，總體技術達到國際先進水平，填補了國內百兆瓦級雙工況電機領域的空白，為大規模壓縮空氣儲能產業發展提供了關鍵技術支撐。“儲龍105”電機直徑3米，重量超200噸，核心難點在于高度系統集成，需在同一設備內實現動力引擎與發電心臟的協同。項目攻克了15.75千伏防電暈、全海拔絕緣等技術難題，采用單根線棒絕緣技術與柔性支撐結構，確保冷熱交替下的穩定運行。
在壓縮空氣的含油量檢測中，國際標準指出，油-大氣中通常含有0.05至0.5mg/m3的油蒸氣。環境空氣中的油主要來源于車輛和工業過程的排放。為了監測主要污染物，包括顆粒、水和油（PWO），壓縮空氣與氣體研究所（CAGI）和國際標準化組織（ISO）等權威機構達成了共識。ISO 8573-1：2010針對PWO設定了從純凈[1：1：1]到車間空氣[6：7：X]的各種純度等級。這些標準與消防員和潛水員使用的呼吸空氣的空氣質量規范存在顯著差異
相比抽水蓄能的地勢要求，電池蓄能的環境挑戰，壓縮空氣儲能在有鹽穴的地方可以利用鹽穴，沒有鹽穴的地方依靠人工造穴，地質限制小，具備大規模建設的基礎，另外還有規模大、啟動快的優點[1]。由于儲氣庫系統可能受腐蝕、誤操作、鹽巖蠕變等危害因素的不良影響，造成儲氣庫穩定性和安全可靠性降低，甚至引發災難性的事故，如氣體泄漏、溶腔失穩和庫區地表沉陷等，地下儲氣庫的安全問題不容忽視。
壓縮空氣儲能方面，2022年10月，ARENA有條件的批準4500萬澳元的資金支持Hydrostor公司建設200兆瓦/1600兆瓦時先進壓縮空氣儲能項目。
DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0341
摘 要
發展壓縮空氣儲能技術是解決可再生能源大規模接入電網的有效途徑，也是實現“碳達峰，碳中和”目標的重要技術手段之一。軸流壓縮機是壓縮空氣儲能(CAES)系統的重要部件之一，需要有寬工況、大流量、高壓比等特點。
以透平機械為例，隨著風電光伏發電量提升，電網負載的動態平衡日益成為迫切的課題，削峰填谷的電網級儲能未來將有廣闊發展前景，在電化學技術路線之外，無論是當前主流的抽水蓄能，還是新興的壓縮空氣儲能（CAES），都需要高效的透平機械以減少損耗，實現儲能效率，也為相應場景下透平機械設計帶來新的約束條件，更高精度、更高效率的 CFD 軟件平臺，無疑可以幫助透平機械廠商更快更好地捕捉新興市場機會，實現轉型升級發展
Liu等采用有限元分析軟件對壓縮空氣儲能用渦旋膨脹機的工作過程進行了數值模擬，研究了渦旋膨脹機非穩態工作時性能的影響規律以及渦旋膨脹機不同進氣溫度對工作腔內流場的分布特性，該研究對壓縮空氣儲能用渦旋壓縮機流場特性的研究具有重要意義。
壓縮空氣儲能與氫儲能的儲能容量大、壽命長，隨著其技術的進步和完善，具有強大的發展潛力[15-16]。現階段，壓縮空氣儲能的技術較為成熟，我國壓縮空氣儲能的示范項目也正在不斷布局。氫儲能，尤其氫液化工藝與壓縮空氣儲能（包括液化空氣儲能）工藝具有較好的耦合性，耦合工藝可以進行能量的梯次利用以提高聯合工藝的整體能效，如圖 5 所示。
