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压缩空气储能，简称CAES( Compressed-Air Energy Storage )。

压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的多余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，也可以是报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井，当电力系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入轮气机作功发电。

CAES系统动态运行示意图

CAES系统主要包括发电机、压缩机、燃烧室、储气室、膨胀机和电动机等关键部件，分为储能与释能两个过程。储能过程，利用风电、光电等可再生能源电力驱动压缩机压缩空气，将高压空气存储于储气室中；释能过程，储气室中的高压空气驱动膨胀机做功进行发电。

1、模式一: 储能模式

压缩空气储能，在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，并将空气高压密封在，如图1所示:

图1 压缩空气储能模式

2、模式二：发电模式

在电网负荷高峰期，释放压缩空气，推动汽轮机发电，如图2所示

3、实际运行模式

在实际过程中，空气被压缩后，温度会升高并释放热量，所以实际使用中，需要对空气进行冷却，如图3所示

在实际的释能发电过程中，压缩空气膨胀做功过程中，温度会下降并需要吸收热量，所以实际使用中，需要对空气进行预加热或者通过燃烧室升温，如图4所示

4、压缩空气储能市场前景

全球CAES装机预测(DOE)

截至目前，世界上仅有德国Huntorf和美国McIntosh两座投产的商业化传统CAES电站，由于传统CAES系统存在依赖化石燃料、效率低、能量密度低等缺点，近年来形成了蓄热式压缩空气储能(TS-CAES)、等温压缩空气储能、液态空气储能、超临界压缩空气储能、水下压缩空气储能、湿空气透平压缩空气储能以及CAES耦合系统等多种新型CAES系统。

中国科学院工程热物理研究所研发的山东省泰安市肥城10 MW盐穴CAES电站于2021年9月并网发电成功、张家口市张北县的国际首套100 MW先进CAES国家示范项目已建设安装完成，并于2022年9月顺利实现发电并网。

来源： 整理自明哲工作室、储能科学等

传统压缩空气储能技术原理图

压缩空气储能具有储能容量大、储能周期长、比投资小等优点，被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。如图2所示，传统压缩空气储能技术的原理是在用电低谷或电力过剩时，消耗电力将空气压缩，并将高压空气存储于储气室中；在用电高峰或电力缺乏时，将高压空气从储气室中释放出来，进入燃烧室参与燃料的燃烧反应，燃烧后的高温气体带有较高的能量可以驱动透平膨胀机等发电装置进行发电并利用。传统压缩空气储能系统目前已在德国(Huntorf 290 MW压缩空气储能电站)和美国(McIntosh 110 MW压缩空气储能电站)得到了规模化商业应用(图3，日本、以色列、芬兰等国家也开展了有关研究。但传统压缩空气储能系统存在如下技术瓶颈：一是仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，特别不适合我国这类“缺油少气”的国家，同时燃烧化石燃料还会带来环境污染；二是需要特殊的地理条件建造大型储气室，如高气密性的岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等；三是系统效率较低，从而严重限制了压缩空气储能的应用和发展。

实现商业应用的两座传统压缩空气储能电站 (a)1978年投入商业运行的德国Huntorf电站；(b)1991年投入商业运行的美国McIntosh电站

近年来，先进压缩空气储能技术快速发展，目前国际上发展较快的主要包括以美国为代表的蓄热式压缩空气储能，以英国和日本为代表的液态空气储能。美国研发的兆瓦级蓄热式压缩空气储能系统，摆脱了化石燃料，但仍依赖大型储气洞穴。液态空气储能系统现已研制出兆瓦级系统，虽然摆脱了对储气洞穴的依赖，但系统效率低于25%。目前国外相关技术均未能同时解决传统压缩空气储能的三个主要技术瓶颈。中国科学院工程热物理研究所先后开展了蓄热式压缩空气储能系统、液态空气储能系统和超临界压缩空气储能系统等，通过空气的液态或高压储存，消除对大型储气洞穴的依赖；通过压缩热回收再利用，摆脱化石燃料依赖；通过高效压缩、膨胀、超临界蓄冷蓄热提高系统效率，从而同时解决了传统压缩空气储能系统的主要技术瓶颈。

(a)先进压缩空气储能系统流程图；(b)先进压缩空气储能系统效果图

如图所示，先进压缩空气储能系统利用电网低谷电或可再生能源的间歇式电能将空气压缩(同时存储压缩热)，并将空气高压或液化储存(储能)；在用电高峰或电力资源短缺时，高压/液态空气加压，并进一步吸收压缩热后通过透平膨胀机驱动电机发电(释能)，在此过程中一些废热可以被回收以提高系统效率。先进压缩空气储能系统具有很多优势：首先，由于空气的高压/液态存储，空气储罐的体积大大缩小，可以缩短建设周期，更重要的是可以不受地理条件限制，克服了传统压缩空气储能系统的一个主要瓶颈；第二，由于采用必要的储热储冷设备，将空气压缩过程的压缩热存储回收，从而不再需要燃烧燃料提供热源，解决了传统压缩空气储能系统的另一个主要瓶颈；第三，由于超临界传热/冷却过程中冷热源之间的温差可以做到很小，同时由于采用储热、储冷设备，系统储能和释能过程的热和冷均能很好地回收；第四，先进压缩空气储能系统不涉及化石燃料的燃烧，不排放任何有害物质，而且空气压缩过程中很容易去除其中的有害物质如CO2、SOx、NOx等，从而改善大气质量。

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