空氣儲(chǔ)能技術(shù)的未來發(fā)展方向，就是把液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合太陽能光熱、中低溫余熱統(tǒng)一的吸收到系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)可以靈活地選擇把電反饋到電網(wǎng)中，還是單純地把壓縮空氣氣化，提供壓縮空氣給工商業(yè)使用。

——中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所助理研究員季偉

8月7日-8日，由華北電力大學(xué)、中國可再生能源學(xué)會(huì)主辦的“第一屆中國儲(chǔ)能學(xué)術(shù)論壇暨風(fēng)光儲(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)大會(huì)”在北京召開。在8月8日分論壇三“機(jī)械儲(chǔ)能”中，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所助理研究員季偉作“大規(guī)?？諝鈨?chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望”報(bào)告。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所助理研究員季偉

各位老師，大家上午好!報(bào)告本來應(yīng)該周遠(yuǎn)院士作報(bào)告，但由我匯報(bào)。題目是《大規(guī)模空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望》。分三部分介紹，大規(guī)?？諝鈨?chǔ)能技術(shù)目前的現(xiàn)狀及未來的展望，理化所取得的進(jìn)展。

儲(chǔ)能主要解決的問題有三個(gè)，增強(qiáng)可再生能源的消納，提高電網(wǎng)性能，為現(xiàn)在能源互聯(lián)網(wǎng)提供研究基礎(chǔ)。

現(xiàn)在有各種各樣的儲(chǔ)能方式，我們可以把儲(chǔ)能方式為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能?？梢缘玫酱笠?guī)模應(yīng)用的就是抽水蓄能、電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。抽水蓄能在北方氣溫特別低的情況下，冬天可能會(huì)有結(jié)冰。電池儲(chǔ)能發(fā)展的很好，但面臨的難題就是安全性，壽命和環(huán)保最后受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們研究空氣儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能，它的優(yōu)點(diǎn)就是發(fā)電功率比較大，但缺點(diǎn)就是儲(chǔ)能的密度比較低，需要很大的地下的存儲(chǔ)空間。液態(tài)空氣儲(chǔ)能的技術(shù)，把空氣液化可以實(shí)現(xiàn)比較高的儲(chǔ)能密度，可以不受地理?xiàng)l件的限制。低溫長壓存儲(chǔ)，壓力穩(wěn)定。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的簡介，它的原理并不復(fù)雜，主要是在儲(chǔ)能階段利用間歇性的可再生能源驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，把空氣存儲(chǔ)到儲(chǔ)氣罐，高壓空氣通過不同的方式加熱，這些熱量可以是燃料補(bǔ)燃，太陽能光熱，可以是壓縮熱。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)多種多樣，主要把它劃為三種類型，外熱源型、絕熱、等溫。等溫是理想的形式，結(jié)合噴射水霧技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近等溫壓縮和膨脹。目前等溫型的技術(shù)不成熟，下面主要介紹外熱源型和絕熱型。

選取典型的案例回顧壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷程，20世紀(jì)40年代，最早是國外的學(xué)者提出了壓縮空氣儲(chǔ)能的概念，當(dāng)時(shí)儲(chǔ)能沒有那么大的需求，所以這個(gè)技術(shù)沒有得到快速的發(fā)展。20世紀(jì)60時(shí)代，很多國家開始研發(fā)這種技術(shù)。1978年德國Huntorf研發(fā)了，1991年美國Mcintosh研發(fā)了電站。2003年法國阿爾斯通公司為了避免化石燃料的使用，所以提出了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，完全綠色能源系統(tǒng)。通過壓縮存儲(chǔ)高溫的壓縮熱，把壓縮熱再用于發(fā)電。2010年美國ESPC公司提出燃?xì)廨啓C(jī)和壓縮空氣儲(chǔ)能聯(lián)合循環(huán)。2015年中科院理化所和清華大學(xué)聯(lián)合研制壓縮空氣儲(chǔ)能示范平臺(tái)。德國Huntorf電站，31萬立方米，地下有一個(gè)巨大的巖洞。美國Mcintosh的電站相比德國的電站最大的改進(jìn)在于透平進(jìn)氣。美國ESPC電力公司循環(huán)效率設(shè)計(jì)55%-60%，主要把燃?xì)廨啓C(jī)的微熱用來預(yù)熱透平進(jìn)氣，提高燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率，也提高了壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)能功率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的靈活調(diào)峰。歐洲阿爾斯通公司提出了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過兩級(jí)壓縮把空氣壓到65公斤，排氣溫度高達(dá)580，高于目前工業(yè)上普通的壓縮機(jī)的排氣溫度。如果溫度太高，可能會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的材料和壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)會(huì)存在非常大的挑戰(zhàn)。580度的熱量需要采取特殊的蓄熱器，蓄熱裝置目前不成熟，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。我們單位在2015年和清華大學(xué)一起共建的500千瓦的壓縮空氣儲(chǔ)能示范平臺(tái)，壓縮存儲(chǔ)溫度120度。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以快速響應(yīng)，小于5分鐘。

研究壓縮空氣很多年，其實(shí)很大的難題就是壓縮空氣的存儲(chǔ)技術(shù)。大功率和電網(wǎng)結(jié)合的時(shí)候，壓縮空氣的量是巨大的。壓縮空氣目前的主要存儲(chǔ)方式，其實(shí)主要是采用了地下的巖穴。巖穴的儲(chǔ)氣量大，但放氣體過程中氣體越來越低。目前的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在放氣的階段，需要保持恒定的壓力，然后才能旋轉(zhuǎn)發(fā)電。有的學(xué)者提出了這是恒壓的方式。很多學(xué)者提出低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)，林德液化循環(huán)和朗肯動(dòng)力循環(huán)的概念。儲(chǔ)氣占地面積是空氣儲(chǔ)能的1/15，對(duì)靈活性有很大的幫助。液態(tài)空氣儲(chǔ)能做最早的是英國的伯明罕大學(xué)，他們和一家公司合作，目前已經(jīng)完成了350千瓦的示范工程，他們現(xiàn)在在建的是5兆瓦時(shí)和15兆瓦時(shí)的示范工程。規(guī)劃在英國做250兆瓦時(shí)的系統(tǒng)。我們?cè)诶确粓@區(qū)新建了100千瓦、100千瓦時(shí)的液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。壓縮空氣儲(chǔ)能每一代都有各自的特點(diǎn)。幾家單位研究的主要都是第三代、第四代，基本上都不用化石燃料，主要是靠壓縮熱預(yù)熱。目前主要是清華大學(xué)中科院的熱物理所和理化所在壓縮空氣方面做比較多的研究。我們所主要想結(jié)合著風(fēng)電和光熱的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)能量地積極利用。

周遠(yuǎn)院士領(lǐng)銜，他是國家低溫學(xué)科的開拓者和奠基人。我們的學(xué)術(shù)帶頭人是王俊杰研究員，我們的研究隊(duì)伍有七八十人，做儲(chǔ)能有20多人，研究方向包括能源存儲(chǔ)。取得很多獎(jiǎng)勵(lì)，近五年獲得專利近百項(xiàng)。系統(tǒng)通過壓縮把壓縮空氣壓縮到兩個(gè)儲(chǔ)罐中，壓縮機(jī)的被壓是隨著儲(chǔ)罐的壓力升高逐漸升高的，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)壓縮系統(tǒng)。為了克服變壓比的工況，建立高效壓縮熱存儲(chǔ)利用系統(tǒng)，我們也建立了非穩(wěn)態(tài)透平發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)最早我們也考慮過磁懸浮軸承，但最后采取的技術(shù)路線還是利用滑動(dòng)軸承，最后的測(cè)試結(jié)果比較理想。我們進(jìn)行熱力學(xué)參數(shù)的匹配，包括高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)。透平發(fā)電機(jī)組的全貌，克服儲(chǔ)氣罐的壓力波動(dòng)對(duì)它進(jìn)行穩(wěn)壓的系統(tǒng)。最大發(fā)電功率是432千瓦。我們啟動(dòng)了新型風(fēng)光壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過結(jié)合風(fēng)電和太陽能的光熱，構(gòu)建了四個(gè)單元，風(fēng)電存儲(chǔ)單元、透平發(fā)電單元、ORC單元、光熱單元。廊坊示范裝置平臺(tái)，蓄冷效率90%，比國際上報(bào)道的都高。蓄冷效率對(duì)系統(tǒng)的影響最大，核算一下大概每1%的蓄冷效率都要影響系統(tǒng)效率4%-5%。液相蓄冷的優(yōu)點(diǎn)就是可以利用現(xiàn)在的板式換熱器技術(shù)，但有污染環(huán)境的問題，所以很難大規(guī)模的應(yīng)用。我們開展了固相蓄冷的技術(shù)，搭建了固相蓄冷的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，已經(jīng)取得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

空氣儲(chǔ)能技術(shù)的未來發(fā)展方向。液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)，結(jié)合太陽能光熱、中低溫余熱統(tǒng)一的吸收到系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)可以靈活地選擇把電反饋到電網(wǎng)中，還是單純地把壓縮空氣氣化，提供壓縮空氣給工商業(yè)使用。我們?cè)谇捌?00千瓦壓縮空氣儲(chǔ)能和100千瓦LAES的情況下，我們正在籌建10兆瓦、100兆瓦時(shí)的LAES。主要分四部分，流程優(yōu)化方面主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型的研究，梯級(jí)存儲(chǔ)的研究，雙向耦合蓄冷的研究和非穩(wěn)態(tài)傳熱的研究。針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究非對(duì)稱耦合傳熱的特性，結(jié)合風(fēng)電光熱的各種熱源進(jìn)行耦合的機(jī)制研究。壓縮膨脹系統(tǒng)方面，我們和全國的單位合作，主要想研究高效寬工況的機(jī)械，間歇運(yùn)行下如何保持穩(wěn)定是一個(gè)難點(diǎn)。最后是集成并網(wǎng)的系統(tǒng)。未來規(guī)劃一個(gè)百兆瓦時(shí)的液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，提供冷熱電的聯(lián)供。

各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，沒有哪家儲(chǔ)能完全可以解決現(xiàn)在電網(wǎng)的問題。我們也是希望未來各種儲(chǔ)能技術(shù)可以進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，尤其是空氣儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)大功率，可以與電池儲(chǔ)能快速響應(yīng)。功率密度大，可以與飛輪技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。

謝謝大家!

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