空气“充电宝”进入储能头部

power001

这期要着重探究一下为什么压气储能的转换效率不高，又该如何提升。

能量转换效率指的是，在能量储存和释放过程中实际可用的能量与输入能量的比值，这一指标对于评估储能技术的性能至关重要，因为它直接关系到系统在实际应用中的经济性和可行性。

一般来说整个储能系统综合效率越高、收益就越高，以抽水蓄电站为例，若效率正好是75%，则在抽、发电上成本收益持平。

当然，综合效率不仅仅包括能量转换效率，还包括自放电率、循环效率等等，自放电率反映了储能系统在静置状态下能量的自然损失，循环效率则考虑了储能系统在多次充放电循环过程中的能量损失。   

而压气储能电站的综合效率其实就是取决于能量转换效率。按照压气储能的工作流程，空气要先被压缩，这个阶段温度会升高并释放热量，这部分热能本身其实就是电能的一部分，所以能不能好好处理这部分热能，直接关系着整个压气储能系统的能量转换效率。

世界上首座投入商业运营的德国亨托夫（Huntorf）压气储能电站

传统压气储能会将我们上面提到的热能散去，这就直接造成了能源的损失，转换效率也低，比如1978年在德国最早投入运行的亨托夫（Huntorf）压气储能电站，它就不带储能系统，公开的转换效率在40%左右、实际运行效率大概在29%左右。同时，在放能过程中，储存于地下盐穴的高压空气通过透平（涡轮）向外做功，以前为了提高效率，还会使用天然气加热空气，这也不符合现在“双碳”目标的实现。

不过，对于怎么利用这部分热能已经有了明确的方式。

02

不断提高转换效率

现代压气储能系统大多都是带储热系统的，根据对热能利用方式的不同，压气储能大致分为三条技术路线：非绝热压缩空气储能（D-CAES）、绝热压缩空气储能（A-CAES）、等温非绝热压缩空气储能（I-CAES）。   

D-CAES是比较传统的技术路线，就像上面提到的德国亨托夫压气储能电站一样，D-CAES的压缩系统会配备冷却器，将空气压缩产生的过多热量作为废热释放到大气中，基本浪费了用于执行压缩功的能量；压缩空气从储气室进入燃烧室后，也要利用天然气等燃料进一步提高温度，从而提升压缩空气的焓值并提高其做功能力，以达到提高循环效率的目的，也称之为补燃式压气储能。

如上所述，这种技术路线的能量转换效率并不高，但优势在于能提供更长的储能时间——几乎和抽水蓄能的时长相当，更容易满足电力系统削峰填谷的需求，所以现在部分大规模储能项目还是会考虑D-CAES技术。

截至2022年我国各类型储能累计装机量占比

而A-CAES应该是目前技术相对成熟且工程应用最多的非补燃式压气储能系统，它的特点就是对压气热能的回收利用。在储能过程中，压缩空气产生的热能会被回收储存在某种比热容较大的介质中，比如油（最高温可以达到300℃）、熔盐溶液（最高温600℃）或者陶瓷等等；在发电过程中，再利用回收的热能来加热高压空气，形成高温高压空气来驱动透平膨胀机发电。   

理论上看，这种路线非常之理想：相对于传统的D-CAES循环过程，A-CAES的储存压力和储存温度对循环效率没有影响，实现了循环过程中的能量平衡，即无需再依赖外部输入燃料。甚至能将压缩空气储能的转换效率提升到65%-70%。

但是A-CAES是先压缩空气，再回收热能，这就要求其储热装置、换热装置、膨胀机等重要部件要长时间在高温条件下工作运行，对于机械的耐久性和稳定性要求较高，这就为其商业建设带来了较高的初始成本和运维成本。

03

最先进的技术路线发展如何？

更进一步的方式也有，即等温非绝热压缩空气储能（I-CAES）。I-CAES同样用比热容较大的介质储存热能，但和A-CAES不一样，它是即时回收，也就是一边压缩空气一边回收，这样不仅热能回收了，空气在压缩过程中温度其实还被控制在了一定范围内。

等温非绝热压缩空气储能（I-CAES）工作过程

再详细一点来说，I-CAES其实是强化了气水之间的换热：借助液体介质比热容大的特点，使气体和液体接触进行充分的热质交换，将气体在压缩或者膨胀时温度的变化控制在一个较小的范围内，因此大大降低了空气在运行过程中的温度变化，同时也减少了额外能量损失，使高发电效率成为可能。

相关论文中也提到过转换效率与温度的关系。按照热力学理论，等温压缩过程中消耗的压缩功最小、等温膨胀过程中产生的膨胀功最大。换句话说，I-CAES系统如果采用多级压缩筒和膨胀筒以加强热交换，保持系统运行过程中的等温特性，那么整个系统几乎不会有热量散失，转换效率可以高达95%。   

当然，理论或实验室的结果，在真正工程落地过程中一般都会打折，等温压气储能系统也不例外，最瞩目的就是技术和成本问题。

首先，作为先进压气储能技术的I-CAES，其大规模的等温控制技术尚不成熟。比如要维持工作温度，那么在储能过程的往复式压缩机中，就要通过使用带翅片的活塞和低循环速度来实现，也就意味着I-CAES仅适用于仅适用于低功率水平或者说小容量的储能场景，距离替代抽水蓄能还有一定距离。

考虑到如今在发电侧，风电、光伏等可再生能源的大发展，使得电力系统波动性增强；在电能替代传统能源消费的驱使下，用电侧的居民用电峰谷差距持续拉大……新型电力系统的构建对灵活性资源的需求迫切，这也意味着，空气压缩储能系统尽管还需要突破技术与成本的束缚，但未来发展的市场空间只会越来越大。