什么是压缩空气储能？

压缩空气储能，是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。形式主要有，传统压缩空气储能系统、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。

图片来源：国网湖北电力

压缩空气储能系统构成

压缩空气储能系统一般包括6个主要部件：

压缩机，一般为多级压缩机带级间冷却装置；膨胀机，一般为多级涡轮膨胀机带级间再热设备；燃烧室及换热器，用于燃料燃烧和回收余热等；储气装置，地下或者地上洞穴或压力容器；电动机/发电机，分别通过离合器和压缩机以及膨胀机联接；控制系统和辅助设备，包括控制系统、燃料罐、 机械传动系统、管路和配件等。

压缩空气储能的工作原理

压缩空气储能系统是以高压空气压力能作为能量储存形式，并在需要时通过高压空气膨胀做功来发电的系统。该系统的工作过程可分为储能和释能两个环节。

储能环节：压缩空气储能系统利用风/光电或低谷电能带动压缩机，将电能转化为空气压力能，随后高压空气被密封存储于报废的矿井、岩洞、废弃的油井或者人造的储气罐中；

释能环节：通过放出高压空气推动膨胀机，将存储的空气压力能再次转化为机械能或者电能，传统的压缩空气储能系统在释能阶段需要在燃烧室内燃烧化石燃料来加热空气，以实现利用空气发电的功能。

压缩空气储能的储存形式

压缩空气储能主要以两种形式储存：压缩空气蓄能罐和地下储气库。

压缩空气蓄能罐

压缩空气蓄能罐是将压缩空气储存在大型的气体容器内。这种储存方式需要考虑储罐的大小和压力，以保证罐内的空气能够有效地驱动发电机。

压缩空气蓄能罐一般分为两种类型：钢制储气罐和混凝土储气罐。钢制储气罐可以容纳更高的压力，更适合进行高强度的储存，但成本较高。而混凝土储气罐成本较低，但需要更大的体积才能储存同样的压缩空气。

地下储气库

地下储气库是将压缩空气储存在地下洞穴或盐穴中。这种储存方式具有较高的储存能力和安全性，但需要考虑储存洞穴或盐穴的地质特征和环境影响等问题。

地下储气库有两种类型：注入式和抽放式。注入式储气库是将压缩空气通过管道注入洞穴或盐穴中，而抽放式储气库则是通过井或管道将压缩空气抽放到储存区域。

压缩空气储能的分类

一般来说，压缩空气储能可分为以下几种类型:

机械压缩式储能系统：该系统通过机械设备将空气压缩储存，再通过发电机将储存的能量转化为电能。

热力压缩式储能系统：该系统通过利用地热或太阳能等热源产生高温气体，再将高温气体压缩储存，最后利用储存的能量产生电能。

液态空气储能系统：该系统将空气压缩成液态，储存在储罐中，需要时通过加热将液态空气转化为气态，再通过涡轮发电机将储存的能量转化为电能。

吸附式空气储能系统：该系统通过利用物理或化学吸附材料将空气压缩储存，需要时通过热力或减压将储存的能量释放出来。

压缩空气储能的技术路径

目前最主要的新型压缩空气储能系统主要有三个新的技术路径：蓄热式压缩空气储能（TS-CAES）、液态压缩空气储能系统（LAES）、超临界压缩空气储能系统（SC-CAES）。

蓄热式压缩空气储能（TS-CAES）：空气压缩过程会产生压缩热，在传统压缩空气储能中，这部分热量通常被冷却水带走，最终耗散掉，而蓄热式压缩空气储能则将这部分热量在储能时储存起来，而在释能时用这部分热量加热膨胀机入口空气，实现能量的回收利用，提高了系统效率。同时由于膨胀机前有压缩热的加热，可以取消燃烧室，即该系统也摆脱了对化石燃料的依赖。

液态压缩空气储能系统（LAES）：借助于空气降温液化技术，通过添加流程使空气以液态形式储存。储能时，经过压缩机的高压空气进入回热器降温和降压设备进行液化，被液化的常压低温液态空气储存在储液罐中；释能时，液态空气经过低温泵升压、回热器升温，然后进入燃烧室，与燃料混合燃烧后进入膨胀机膨胀做功。

超临界压缩空气储能系统（SC-CAES）：利用空气的超临界特性，在蓄热/冷过程中高效传热/冷，并将空气以液态形式储存，实现系统高效和高能量密度的优点，系统兼具蓄热式和液态压缩空气储能的特点，同时摆脱了依赖大型储气室和化石燃料的问题。

压缩空气储能有哪些优势

压缩空气储能具有容量大、储能时间长、安全性较高等优点，具体如下：

规模上仅次于抽水蓄能，适合大规模储能。压缩空气储能系统可以持续工作数小时乃至数天；

项目建设选址限制少。虽然将压缩空气储存在合适的地下矿井或岩穴中是最经济的方式，但也可以用地面高压储气罐取代地下洞穴；

系统使用寿命长。通过恰当维护可以达到40～50年，接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以达到60%以上，接近抽水蓄能电站；

安全性较高。压缩空气储能使用的原料是空气，不会燃烧，且不产生任何有毒有害气体。

当然，压缩空气储能缺点也比较明显，尤其是与电化学储能相比：

目前压缩空气储能的效率能达到60%以上，与效率较高的电池（90%以上）相比相对较低；

响应速度没有电化学储能快，负荷从0到100%的正常响应时间在分钟级，而电化学储能为秒级到毫秒级；

一般情况下不适合太小规模的应用场景，规模太小，系统效率会下降，单位成本也会增加。

压缩空气储能技术特点

压缩空气是实现压缩空气储能发电的核心能量载体，而压缩空气的长周期、大容量存储则需要借助储气装置实现。为支撑压缩空气储能系统实现安全高效的大容量、长周期储能运行，储气装置必须具备相应的技术特点：

耐高压，适用于 6~15兆帕工作压力压缩空气介质的存储，具备防超压、防泄漏、防渗透、防腐蚀能力；

抗冲击，适用于日循环周期性充放气工况，具备抗压力交变和抗温度交变能力；

易实施，技术成熟，生产加工工艺成熟，运行维护便利，退役报废成本低；

容量大，具备数千立方至数十万立方不等的有效可利用容积；

流量大，能够提供数千至数十万标立方每小时的充放气流量；

压损小，单个充放气循环的压力损失可控制在数公斤压力之内；

占地少，地表占地面积较小；

成本低，单位立方存储容积的造价经济合理。

压缩空气储能设计要点

在设计压缩空气储能系统时，需要对整个系统的危险区域进行详细评估，并提供相应的安全标识，包括但不限于接地标识、逃生指示、严禁烟火、当心触电等。同时，所有设备都应有防尘、防潮和防盐雾的设计，以确保设备的稳定运行。

压缩空气储能系统储气装置应根据气源条件、用气条件、储气罐材质及储气装置附近安全因素，地下高压储气库应进行地质勘察，并根据工程岩体分级开展区域构造稳定性评估，经综合分析和技术经济对比后，确定最终工艺方案。

压缩空气储能系统应考虑危险区域信息，并根据区域分级提供安全标识，应包括但不限于接地标识、逃生指示、严禁烟火、当心触电、禁止带电操作、压力容器、高温高转速设备等。事故突发情况下可指示操作人员及时正确地脱离危险场所。

压缩空气储能系统的生产车间、作业场所、辅助建筑、附属建筑、生活建筑和易燃易爆的危险场所以及地下建筑物设计应符合GB 50016的有关规定。

补燃型压缩空气储能系统应按GB 50016设置消防措施，管道系统法兰应加装跨接导体防止静电。

压缩空气储能系统所有设备应防尘、防潮和防盐雾，并防止昆虫和动物进入以免引起短路和设备损坏。

管道绝热材料、电缆材料和墙体密封材料应采用阻燃材料。

内部温度超过100 ℃的管道和容器应避免泄漏时人体直接接触。

储气装置应设置安全警示标识和报警系统。

压力容器和压力系统应设置安全阀和安全护栏。

储气装置应设置高压气源危险标识，宜在高点设置泄压放空设施以实现安全泄放。

压缩空气储能技术发展历程

压缩空气储能的技术进化，围绕更高效率、更灵活应用场景发展：

一、初级探索阶段（1940~1970年代）——这一阶段压缩空气储能技术的基本原理和概念得到了验证。理念在1949年被提出，利用地下洞穴储存压缩空气作为能量存储手段。

二、商业化应用阶段（1980年代至1990年代）——这一阶段，压缩空气储能技术进一步发展和应用。主要进步为：1）改进了地下洞穴或矿井作为储气库的技术，确保了储气库的安全性和稳定性。2）开发了高效涡轮机，使得系统的能量转换效率得以提升。

三、快速发展阶段（2000年代至今）——这一阶段在效率和应用场景上都有了显著进步。主要进步为：

1）先进热管理系统：包括绝热压缩技术，通过高效的热回收和再利用系统，提高了整体效率。典型代表是德国ADELE项目，该项目容量90 MW、储气容量约50万立方米的地下盐洞、效率70%。

2）储气介质多样化：研究和应用了多种储气介质，包括液态空气储能（LAES）等，提高了系统的灵活性和适应性。典型代表是英国Highview Power项目（试验中），项目容量5 MW储能时间可以在数小时至数天之间灵活调整、预计效率可以达到50% - 60%。

3）智能控制系统：引入了控制和监测系统，提高了系统的运行效率和安全性，能够更好地与现代电网兼容。

压缩空气储能产业链

上游——设备、资源供应：核心设备包括空气压缩机、透平膨胀机、蓄热换热系统等，此外还需要储气盐穴资源等。

中游——技术提供与项目建设：目前国内压缩空气储能的技术积累与项目建设已做到全球领先。主要的技术提供方是中科院热物理研究所下属的中储国能，以及清华大学等高校。

下游——电网系统：压缩空气储能电站接入电网系统，服务于工业用电、商业用电、居民用电等部门，起到调峰、填谷、调频、调相、储能、事故备用等关键作用。

代表企业

中能建数字科技集团有限公司

中能建数字科技集团有限公司成立于2022年1月，注册资本金50亿元，为中国能源建设股份有限公司的全资子公司。数科集团是中国能建数字化转型和科技强企的主要载体，2023年入选国务院国资委创建世界一流和专精特新“双示范”企业。数科集团拥有自主知识产权的“300MW级压缩空气储能电站系统解决方案”，采用人工硐室、地下盐穴储气技术推动工程实践，在建项目单机容量、储能规模均处于世界领先水平。

河北建投储能技术有限公司

河北建投储能技术有限公司成立于2023年3月31日，注册资本20000万元，荣获“河北省科技型中小企业”称号，由河北建投能源控股60%，河北建投国融参股40%，属于河北建设投资集团有限责任公司子企业。建投储能是集团公司响应国家构建新型电力系统规划、贯彻河北省委省政府建设新型能源强省要求、加快布局储能氢能等新赛道、打造储能领域原创技术策源地、培育储能技术和产业而成立的新公司。建投储能致力于培育储能技术、开发关键装备、集成储能系统、提供储能系统解决方案和全过程服务、以及投资运营储能项目。建投储能将依托集团公司内部产业，推动建设国内液态空气储能与火电耦合深度调峰和LNG耦合的示范项目，并建设、运营商业化独立储能电站，成长为具有完全自主知识产权的市场化储能公司。

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司

哈电集团哈尔滨汽轮机厂有限责任公司（以下简称“公司”）是我国“一五”期间156 项重点建设工程项目中的2项——电站汽轮机和JC主动力装置的生产基地，是以设计制造高效、环保、清洁能源为主的大型煤电汽轮机、核电汽轮机、JC主动力装置、重型燃气轮机及30MW 燃压机组、工业汽轮机、太阳能发电系统设备、储能设备、控制保护系统设备、辅机设备等系列主导产品和服务的国有大型发电设备制造骨干企业，产品性能居行业领先水平。

东方电气集团东方汽轮机有限公司

东方汽轮机为东方汽轮机厂的承续公司，隶属于中国东方电气集团有限公司，是我国研究、设计、制造大型发电设备的高新技术国有企业，是大型船舰用动力主、辅机定点生产企业，也是全国机械工业100强企业和我国三大汽轮机制造基地之一。产品涵盖气电、清洁高效煤电核电、工业透平、电站服务、新能源工程、储能业务、特种装备、新兴产业等多个领域。

中储国能(北京)技术有限公司

中储国能（北京）技术有限公司成立于2018年，是中国科学院工程热物理研究所百兆瓦级先进压缩空气储能技术的产业化公司，先进压缩空气储能系统的开拓者和引领者。中储国能控股子公司华科超能是国家高新技术企业、北京市专精特新企业、中关村前沿技术企业，具备百兆瓦级先进压缩空气储能系统研发、设计，核心装备制造、工程实施，以及电站投资和运营全套能力。

中绿中科储能技术有限公司

中绿中科储能技术有限公司由中国绿发和中国科学院理化所于2023年联合成立，以液态空气储能技术为中心，集储能核心设备研发与集成、储能电站EPC、投资运营于一体，致力于打造成为世界级液态空气储能产业平台。

陕鼓动力股份有限公司

陕鼓动力成立于1999年，是以陕西鼓风机（集团）有限公司（1968年建厂）生产经营主体和精良资产为依托发起设立的股份公司，陕鼓动力已取得全球首台套300MW级压缩空气储能电站示范工程项目，助力项目实现非补燃压缩空气储能领域单机功率世界领先、储能规模世界领先、转换效率世界领先。并相继取得全球首台套300MW人工硐室压缩空气储能项目、全球最大规模350MW盐穴压缩空气储能等项目突破，实现储能业绩世界领先。

沈鼓集团股份有限公司

沈鼓集团是中国重大技术装备行业的支柱型、战略型、领军型企业，始建于1952年。主要从事大型离心压缩机、大型轴流压缩机、大型往复式压缩机、大型泵以及工业汽轮机等被喻为“工业心脏”的高端装备研发、设计、制造和全生命周期服务业务。担负着我国能源、化工、冶金、电力、环保、空分、国防、科研等关系国计民生的重大工程项目提供国产装备的任务，关系到国家经济安全，被誉为“国家砝码”“大国重器”。

百穰新能源科技（深圳）有限公司

百穰新能源是一家专注于安全、长时、绿色、可持续储能技术，并为全球用户提供储能系统定制化方案和产品的高新技术绿色能源企业。百穰长时大容量二氧化碳储能系统，具有“高效率、低成本、高安全、无污染、长寿命、智能化”等多项优势；系统具备独特的余热利用能力，能够挖掘中国工业余热的巨大潜在价值；系统具有极好的普适性，可在各种地理环境和气候条件下使用，可广泛应用于新能源发电配套储能、用户侧储能、电网侧调峰调频储能等不同应用场景。

开山集团股份有限公司

开山集团股份有限公司隶属于开山控股集团股份有限公司全资子公司，1956年成立于浙江省衢州市，是一家拥有60余年历史的公司，开山拥有世界一流的压缩机核心技术。采用世界知名压缩机专家汤炎博士的"Y"系列型线的高效率压缩机主机，大大提高了空气压缩机和制冷压缩机的能源使用效率，减少了二氧化碳的排放量。螺杆膨胀发电技术，包括余压直接膨胀和ORC有机朗肯循环膨胀发电技术，能充分利用生产中产生余热余压等低品位热能进行发电，也减少了能源的浪费，有效的降低二氧化碳的排放。螺杆膨胀发电技术还能应用到地热、光热和生物能等新能源和可再生能源领域，减少对化石能源的依赖。这些为中国乃至世界的节能减排作出了巨大的贡献。

江苏苏井神盐化股份有限公司

苏盐井神公司是苏盐集团控股子公司，是集科研、生产、销售于一体的全国大型盐矿资源综合开发利用企业。公司坚持“创新、协调、绿色、开放、共享”新发展理念，依托国家企业技术中心、江苏（井神）盐化工循环经济技术研究院等6个省级研发平台，加强技术创新，推动产业升级，先后承担各类科技研发项目300余项，其中13项重点项目获得国家、省级立项；申请专利138件，获得授权专利91件。自主研发的“井下循环制碱工艺”“连通井建造大型储气库关键技术”“岩盐水溶法充填开采技术”，成为国内井矿盐行业原创性核心技术。2021年，被评为“首届江苏省科技创新发展奖优秀企业”。

安徽佑赛科技股份有限公司

安徽佑赛科技股份有限公司成立于2011年，以压缩空气储能为主营业务，专注于压缩空气储能技术研发、核心装备研制与总成，同时开展覆盖上游电源装备、中游新能源电站开发建设、下游物联网运维的全链条关键产品研发、生产与销售业务。获评国家级“专精特新小巨人”企业、国家级高新技术企业。

压缩空气储能应用场景

压缩空气储能技术因其高效能和灵活性，被广泛应用于多个领域，主要包括：

电源侧：

压缩空气储能系统与风电、光伏等新能源发电系统集成，有效提升新能源的电能质量和可控性。

通过构建风储或光储一体化系统，提高新能源发电的稳定性和效率。

电网侧：

可以直接接入输电网或配电网，并接受电力调度机构的统一调度。

提供调峰、调频、调相、备用、黑启动等技术服务，有助于缓解输配电阻塞，提高供电可靠性。

负荷侧：

与光热、地热、工业余热等能源相耦合，应用于工业园区、公共建筑等，提高系统布置的灵活性和利用效率。

压缩空气储能收益模式

第一种，可再生能源+储能，风光储一体。

第二种，电网侧储能，类似抽水蓄能，响应电网调度，依靠容量电价和电量电价，以示范项目的形式是可能的。电网特别需要长时储能，抽水蓄能虽然开工了很多，但是建成投用一般都是7年以后的事了。

第三种就是用户侧，比较成功的就是山东的共享储能模式，用户能够租赁、购买服务，共享储能是个比较好的商业模式，山东储能收益主要靠共享储能，容量电价很少。

第四种，发电企业或者用户自己装配，峰谷差套利省钱，电能质量管理，极端情况下保电，提高电力保障可靠性。

压缩空气储能前景展望

压缩空气储能技术在高比例间歇性可再生能源发电并网的背景下具有前瞻性的战略意义。有储热的空气绝热压缩储能系统不仅综合储能效率可高达70%，而且无需热源供热。相比有热源的非绝热压缩空气储能、有储热的空气绝热压缩储能系统无需燃烧燃料供热，因此更加容易实现二氧化碳减排。

总之，在“双碳”目标和可再生能源使用比例逐步提高的背景下，带有储热的绝热空气压缩储能技术与可再生能源耦合系统很有发展前景。

内容资料来源：中国电建北京院、百度百科、新安道、百度文库、永诚电能观、等风来时、电力知识图谱、天风证券、压缩机杂志等