壓縮空氣儲能：探索能源循環之路

能源

近代經濟的快速發展，得益于化石能源如石油、天然氣、煤炭等的廣泛使用。然而據科學推算，化石能源將在21世紀上半葉迅速接近枯竭：石油儲量將在2050年左右耗盡，天然氣最多還可以用65年，煤的儲量多些，但最多也就再供應不足200年。化石能源的短缺和供給的中斷，必將深刻影響經濟的發展，影響世界局勢。事實上近10多年來，世界許多地區的沖突和戰爭都是因爭奪能源而引發的。

為了有效應對化石能源耗盡所帶來的能源危機，許多國家都在尋求化石能源的替代品，如風能、核能、太陽能以及生物燃料等。然而，不論是不可再生的還是可再生的能源，很大一部分都必須轉化為電能加以利用。因此從歷史發展的趨勢來看，特別是隨著化石能源的逐漸耗盡，未來能源最主要的形式將是電能。

然而電能卻有一個非常不利的缺點：不便儲存。在整個電網內，用戶消耗的電能任何時候都等于電網內發電廠在同一時刻生產的電能，發電廠的發電量要隨用戶用電量的變化而變化。由于用戶在用電高峰與用電低谷間的用電需求差別很大，往往會導致發電廠生產的電能，在用電高峰時不能滿足用戶的需求，而在用電低谷時大量的富余電量又不能得到有效利用。以上海近幾年的統計數據為例，為解決全市每年約200小時的高峰用電負荷，僅對電網一項的投資每年就超過200億元之多，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率卻不到2％，造成了很大的浪費。如果能建立起大容量的電力儲能裝置，將對電能的合理利用起到“削峰填谷”的作用。通過儲存電網夜間用電低谷時充足的富余電能，然后到白天用電高峰時反饋輸出進行平抑，這樣可以大大提高發電設備的利用效率，并節約巨額投資。

儲能

正是由于電力儲能裝置對提高能源利用率有著重要的意義，因此發達國家早就開始了針對儲能技術的研究。目前，世界上的儲能技術歸納起來主要有物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、化學儲能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等）和電磁儲能（如超導儲能、超級電容儲能等）這三大類。由于化學儲能存在成本高、容量小、且對環境有污染等問題，目前尚不適宜開展大規模的工業化應用；而電磁儲能開展研究的時間還不長，技術還不夠成熟。因此，物理儲能作為一種相對成熟也是實際應用較早的儲能方式，在工業應用領域占主導地位。

在各種物理儲能技術中，抽水蓄能在規模上最大（可達上千兆瓦）、技術上也最成熟，但是它對地勢有著特殊的要求：最好是在面積較小的范圍內有著較大的水位高度落差。抽水蓄能對地理條件要求苛刻，并且對水源、道路交通都有特定的要求，如果不能利用已有的自然條件加以改造，完全通過人工興建將得不償失。

一個典型的抽水蓄能電站占地上千畝，需要修建上下兩個水庫以及包括引水管、導流管、引水渠、盤山公路等在內的配套設施，還會面臨泥石流、山體滑坡、壩體開裂、管道破損等潛在的安全風險。即使在正常的使用過程中，也會面臨著水源的蒸發與流失，如果沒有合適的天然水源作為補充，將為此支付不菲的水資源成本。再加上水的粘度大，泵水所需耗費的功率高，因此抽水蓄能電站的能量轉換效率一般也就在70%左右。然而，盡管抽水蓄能存在著如此多的局限性，但其仍然憑借技術上的成熟性在全球范圍內得到了廣泛應用。

除了抽水蓄能外，能夠實現大規模工業應用的儲能方式就是壓縮空氣儲能（單機規模在百兆瓦級別）。壓縮空氣儲能是指在電網負荷低谷期將富余電能用于驅動空氣壓縮機壓縮空氣，將空氣高壓密封在山洞、報廢礦井、過期油氣井、沉降的海底儲氣罐或地面儲氣罐中，在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動燃汽輪機發電的儲能方式。1949年，壓縮空氣儲能的第一個專利在美國問世；1978年，第一臺商業運行的壓縮空氣儲能機組在德國誕生。目前國際上已有兩座長時間運行的壓縮空氣儲能電站，分別位于德國和美國。由于具有效率高、壽命長、響應速度快等特點，壓縮空氣儲能是目前最具發展潛力的儲能技術之　一。

壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能的兩大優勢使其能夠成為一種重要的儲能手段。首先，壓縮空氣儲能在裝機容量上可達上百兆瓦，規模僅次于抽水蓄能，便于開展大規模的商業化應用；其次，壓縮空氣儲能在技術上較為成熟，并且其技術發展前景也較為廣闊。

壓縮空氣儲能是一種基于燃氣輪機的儲能技術，其原理是將燃氣輪機的壓縮機和透平分開。在儲能時，用電能驅動壓縮機將空氣壓縮并存于儲氣容器內；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室助燃，燃氣膨脹驅動渦輪做功發電。壓縮空氣儲能的能源轉化效率較高，一般在75%左右，其中德國一座裝機容量為29萬千瓦的壓縮空氣儲能電站，其能源轉化效率高達77%，如果再采用一些先進的技術（如超導熱管技術等），其效率能進一步提升到80%以上。

由于技術成熟、規模較大，壓縮空氣儲能的成本較低。以興建一座200萬千瓦的電站為例，如果采用抽水蓄能的方式，其投資額約為70～100億元人民幣，而如果采用壓縮空氣儲能的方式，其投資額僅為50～60億元人民幣。即使與其他形式的儲能電站相比，壓縮空氣儲能仍然是成本最低的一種儲能方式。同時壓縮空氣儲能電站的建設周期也較短，一般僅需3到5年的時間，而建設一座同樣規格的抽水蓄能電站則需要5到8年。如果在使用的過程中注意維護，壓縮空氣儲能電站的壽命也可達四五十年，接近抽水蓄能的50年，是壽命最長的一種儲能方式。

除了自身的能源轉化效率較高、建設成本低之外，壓縮空氣儲能電站的經濟效益也十分明顯。一方面，通過壓縮空氣儲能電站的峰谷調節功能來滿足用電高峰時的需求，可避免興建火力發電站帶來的投資與浪費（這種火電站僅在用電高峰時開機而平時都處在停機狀態）。另一方面，以我國各地現有的“峰谷電價”來看，平均起來峰期電價是谷期電價的2到3倍。因此，如果在用電谷期將富余的電能通過壓縮空氣儲能的方式收集起來，在用電峰期的時候再釋放出去，即使其效率僅按75%來計算，相對于谷期電價來說仍有50%～100%的收益率。

壓縮空氣儲能的應用

除了將富余的電能儲存再利用，實現常規的“削峰平谷”之外，壓縮空氣儲能技術還特別適用于解決風力發電和太陽能發電的隨機性、間隙性和波動性等問題，可以實現其發電的平滑輸出。經測算，如果風力發電裝機占電網容量比例達20%以上時，則電網的調峰能力和安全運行將面臨巨大的挑戰。壓縮空氣儲能尤其適用于大規模風場，因為兩者有著天然的結合優勢：風能產生的機械功可以直接驅動壓縮機旋轉，減少了中間轉換成電的環節，從而提高效率，而且存儲的能量經過再次發電可以達到穩定的輸出，從而為風能的大規模并網發電找到了另一條途徑。

而隨著壓縮空氣儲能技術的不斷發展，其應用領域也在不斷的擴展，特別是伴隨著壓縮空氣儲能裝置的小型化，其在城市內的應用前景也不斷擴大。

首先，壓縮空氣儲能裝置可以作為樓宇大廈的應急電源。傳統的應急電源一般是采用柴油發電機或蓄電池的方式。前者需要一定的啟動時間，且設備容易老化損壞、可維護性差；而后者的容量有限，無法實現長時間的供電。隨著壓縮空氣儲能裝置的小型化發展，使其作為應急電源成為了一種可能。相對于前兩者，壓縮空氣儲能裝置的啟動時間短、能量密度高，能夠快速持續的供電，是一種非常有效的應急電源。而且其壽命長、維護方便，只需定期檢測壓縮空氣量是否能夠滿足要求，在壓縮空氣量有所不足的時候，利用電網低谷時期的電力驅動空氣壓縮機適當進行補充即可。

其次，隨著技術的發展，單個壓縮空氣儲能裝置的容量進一步擴大，其作為分布式電源的前景也更加明朗。并且由于空氣在壓縮與膨脹的過程中總是分別伴隨著熱量的釋放與吸收，因此未來的建筑中可以通過一個壓縮空氣儲能裝置來同時實現供電和溫度調節的功能，從另一個渠道來實現零排放的綠色建筑。

除了在電廠和建筑物上的應用之外，目前，國外已經開始探索基于壓縮空氣儲能的混合動力車的研制，這種混合動力車不需要蓄電池或電動機，而是通過發動機活塞壓縮空氣來儲存能量。在短距離或低速情況下，僅通過壓縮空氣來驅動汽車，當車速提高后，通過調整發動機的負荷（要么通過活塞壓縮空氣來增加負荷，要么用壓縮空氣驅動活塞來減小負荷）使其在最佳效率的狀態下運轉。實驗的結果表明，這種基于壓縮空氣儲能的混合動力車與當今的油電混合動力車節省的燃料相當，但成本卻比后者低得多。另據報道，也有國外的研究機構開展了直接用儲存起來的壓縮空氣驅動膨脹機做功作為汽車動力的試驗，目前已經達到時速50千米，可行駛90千米的效果。

結束語

壓縮空氣儲能具有廣闊的市場前景和社會效益，然而直到最近兩三年它才在我國成為研究和開發的熱點。雖然國內的有關高校和研究院所也已開展了相關方面的研究工作，但主要還是集中在理論研究和小型實驗層面。

空氣，與我們航空人有著不解之緣；燃氣輪機，也是航空發動機衍生發展的重要領域。壓縮空氣儲能與航空工業的技術同源、產品相關，航空工業完全可以開展相關技術的研究與工程應用探索，在壓縮空氣儲能技術領域書寫出航空人的濃墨重彩。

（作者系中航工業經濟技術研究院院長）