中國儲能網(wǎng)訊：壓縮空氣儲能已經邁入商業(yè)化發(fā)展初期階段，但圍繞該項技術的創(chuàng)新仍在繼續(xù)，其中從單一工作介質向復合工作介質研究成為一個新的突破口，國內外正有多個團隊在研究這樣一種摻水的新型氣液混合儲能技術。
1 給壓縮空氣儲能摻水？
“目前，壓縮空氣儲能在釋能過程中，主要以經過膨脹的高壓氣體驅動透平機做功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。但當前主流的壓縮空氣儲能系統(tǒng)基本都存在一個共同的缺陷，就是在空氣壓縮和膨脹過程中的熱量損失較大，運行效率降低?！敝须娙f網(wǎng)國際工程咨詢（北京）有限公司首席科學家黃貴雄指出。
考慮在新能源開發(fā)中配儲的需要，基于壓縮空氣儲能的基本原理，在結合抽水蓄能發(fā)電中“利用空氣壓油調節(jié)大型水輪機”的實踐后，黃貴雄技術團隊經過試驗后，發(fā)明了一種“氣液混合循環(huán)發(fā)電儲能系統(tǒng)”，并在2020年11月獲得了國家知識產權局的專利認證。
“這套系統(tǒng)的基本原理就是‘水壓氣、氣儲能、氣壓水、水發(fā)電’?！秉S貴雄表示。從本質上看，氣液混合循環(huán)發(fā)電儲能系統(tǒng)與壓縮空氣儲能的原理是一致的，只不過工作介質在原來的空氣基礎上又增加了水，由單一的空氣做功，變成了空氣+水聯(lián)合做功。在蓄能階段，由高壓水泵替代壓縮機，向壓力容器內泵水，借助水的不可壓縮性壓縮空氣；在釋能階段，高壓空氣驅動水流帶動水輪機發(fā)電，從而替代了以往壓縮空氣儲能中的透平機組發(fā)電，可以大大提高儲能系統(tǒng)的效率。
在對專利進行授權后，國網(wǎng)湖南電力對該技術進行了測試，完成了專有技術實證原型系統(tǒng)的開發(fā)，并于2023年發(fā)布了技術成果。結果表明，該系統(tǒng)具備占地面積小，無排放、無染污，不受水資源和地理條件限制，應用場景比較廣泛，同時系統(tǒng)涉及的水輪機、水泵等設備效率高，系統(tǒng)效率有保障等特點。
基本工作原理
黃貴雄補充道：“相比目前的壓縮空氣儲能，氣液混合循環(huán)發(fā)電儲能系統(tǒng)在相對封閉的壓力容器內可以做到往復循環(huán)，增加系統(tǒng)本身的節(jié)能量?！北热?，水從充水容器泵入充氣容器。當充氣容器中的水位上升時，它會像活塞一樣壓縮空氣。一旦氣壓足夠高，空氣就會被送去儲存，最初充滿空氣的容器現(xiàn)在充滿了水。另一方面，原來裝滿水的容器現(xiàn)在充滿了空氣。而后，水可以被泵送回第一個容器進行另一個壓縮循環(huán)。只要蓄水池中有多余的電力和空間，該過程就會重復。膨脹過程亦是如此。
壓縮空氣儲能的關鍵設備之一就是儲氣庫裝置。目前，鹽穴、人工硐室、人工罐體在壓縮空氣儲能項目中皆有應用。在人工罐體方面，就在今年7月，中集安瑞科旗下石家莊安瑞科氣體機械有限公司成功交付170臺4500m3壓縮空氣儲能儲氣庫標準化供氣單元，該批產品將服務于內蒙古自治區(qū)烏蘭察布市的三峽現(xiàn)代能源創(chuàng)新示范園“源網(wǎng)荷儲一體化”技術研發(fā)試驗基地，能夠確保壓縮空氣儲能在各種極端條件下的穩(wěn)定與安全運行。
“目前，我國已經掌握大容量罐體的制造工藝，這對實現(xiàn)氣液混合循環(huán)發(fā)電儲能系統(tǒng)的大規(guī)模開發(fā)建設十分有幫助?！秉S貴雄說，“而且，該系統(tǒng)設計工藝相對簡單，建設周期短，可將容器深埋地下，基本不占用地上面積。在同等規(guī)模下，相比鹽穴的設計，具有一定的經濟性?！?
此外，除了在儲存裝置方面，我國在水泵、水輪機制造方面工藝成熟。黃貴雄表示，按照水輪機在抽水蓄能中的應用來看，該系統(tǒng)一臺機組的理論裝機規(guī)?？梢宰龅?00萬千瓦，目前水輪機的技術是可以達到的。而且，相比膨脹透平發(fā)電機組，從制造精度、原材料等方面來看，水輪機的造價要更具經濟性。尤其在制造精度方面，兩者至少存在一個數(shù)量級的差別。同時，在接近室溫環(huán)境下運行的水輪機，會使該系統(tǒng)的維護成本也相對較低。
2 海內外更多團隊的研發(fā)嘗試
上述國網(wǎng)湖南電力在針對該系統(tǒng)進行驗證方面，并沒有公布具體的參數(shù)和結果，在效率和經濟性方面比較模糊。
把視角轉移至國外，以色列能源存儲公司Augwind Energy開發(fā)了一套名為“Air Battery”的儲能系統(tǒng)，其原理與上述儲能系統(tǒng)基本一致，使用閉環(huán)液體活塞機構在地下近等溫過程中壓縮和膨脹空氣?？蛇_到比一般壓縮空氣儲能更理想的儲放效率，大約為80%。
然而，在實際應用中，該公司在以色列南部以試點規(guī)模（250千瓦，1兆瓦時）安裝了Air Battery系統(tǒng)，往返效率（RTE）達到21%。2024年初，該系統(tǒng)重新調試，目前的試點容量為0.5MW/1MWh，RTE大于47%，充電效率大于64%，放電效率大于73%。該項目是Augwind空氣電池儲能技術的小規(guī)?？尚行匝菔?。Augwind現(xiàn)在準備進一步推動AirBattery走向商業(yè)化。
但他們的目標是實現(xiàn)完全商業(yè)化的Air Battery系統(tǒng)效率能夠達到60%以上。
Air Battery系統(tǒng)關鍵績效指標及模塊設計參考
來源：Augwind Energy官網(wǎng)
此外，西安交通大學技術團隊同樣根據(jù)壓縮空氣儲能原理研究開發(fā)了“新型抽水壓縮空氣儲能技術”，經多次實驗研究證明：該系統(tǒng)的運行效率可以達到65%，系統(tǒng)儲能過程中水氣共容腔體內可以實現(xiàn)近等溫壓縮，釋能過程可以實現(xiàn)近等溫膨脹。
為提升壓縮空氣儲能技術的響應速度，團隊又提出一種先進抽水壓縮空氣復合儲能技術，如下圖所示。
抽水壓縮空氣復合儲能系統(tǒng)示意圖
來源：《先進抽水壓縮空氣復合儲能技術》
該系統(tǒng)的儲能過程分為兩個階段:第一階段利用可再生能源驅動水泵工作，通將水氣共容艙內的空氣充入儲氣裝置中；第二階段改用可再生能源驅動壓氣機機組將空氣壓縮至高壓狀態(tài)，實現(xiàn)電能到壓力勢能的轉換。系統(tǒng)的釋能過程也分為兩個階段:第一個釋能階段系統(tǒng)的發(fā)電設備為水輪機機組;第二個釋能階段的發(fā)電設備為空氣透平機機組。在第一階段，儲存于儲氣洞穴內的高壓空氣經過節(jié)流閥后，進入水氣共容艙并推動水氣共容艙內的水進入水輪機，水輪機在額定工況下工作并對外供電；在第二階段，儲氣洞穴內和水氣共容艙內的高壓空氣經過節(jié)流閥后，與儲熱器釋放的高溫載熱介質進行熱量交換，高壓空氣升溫后進入空氣透平機對外做功輸出電能。研究顯示，該套系統(tǒng)可將電儲能成本降至0.2元/kWh。
在技術成果轉化及產業(yè)化示范工程方面，該團隊參與了華能驛城區(qū)抽水壓縮空氣復合儲能項目。據(jù)了解，2022年11月30日，河南省駐馬店驛城區(qū)人民政府與華能河南中原燃氣發(fā)電有限公司舉行抽水壓縮空氣復合儲能項目對接會，并于后期成功簽約，但目前關于該項目動態(tài)的可查信息較少。
2023年3月由寶牛集團有限公司參與建設的，位于江西省贛州市的無壩蓄水（復合）空氣儲能電站及配套項目也是采用類似技術原理的儲能技術。
3 關鍵技術：溫度控制
與空氣單一介質做功不同，上述“水+空氣”復合工作介質的壓縮空氣儲能均涉及到一個核心關鍵詞“等溫”。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)在壓縮過程中通常會導致氣體溫度大幅升高，這是由于壓縮時間一般很短，壓縮過程產生的熱量來不及散失，產生了一個近乎絕熱的過程，因此需要比等溫壓縮消耗更多的功。而當氣體長時間存儲在高壓儲氣罐中時，溫度降低，導致系統(tǒng)總體壓縮效率降低，尤其是在高壓比情況下，提高氣體與水和外界的傳熱性能，使實際過程接近等溫是提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)循環(huán)效率的關鍵之一。本文所講的系統(tǒng)便是等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)之一。
等溫技術的難點在于如何實現(xiàn)等溫壓縮膨脹過程，其核心關鍵即高效控溫技術。其特點為需要使熱量被快速導出，從而實現(xiàn)溫度的近似恒定。目前常見控溫方式主要是采用液體活塞技術、液體噴淋技術或者泡沫技術，利用水比熱容較大的特點，通過增強氣液兩相直接的接觸增加做功過程的熱量傳遞，減少氣體溫度變化，近似實現(xiàn)等溫過程。
對等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究最早出現(xiàn)在美國，其后逐漸出現(xiàn)在不同的國家技術團隊中，并取得相應的研究成果。在各路技術中，盡管實現(xiàn)近等溫的方式有所不同，但都能在一定程度上降低壓縮及膨脹過程中溫度變化的幅度。
現(xiàn)有等溫壓縮空氣儲能研究
總的來看，國內外關于這一技術的實際應用并不多，國內基本處于技術實驗和應用的前期階段，國外也無過多的先進經驗可供參考。
