先進抽水壓縮空氣復合儲能技術

摘要：儲能技術的創新突破成為帶動全球能源格局革命性、顛覆性調整的必經之路，是實現“碳中和、碳達峰”目標的重要舉措。為此，西安交通大學“先進物理儲能技術”研究團隊創新性地發明了新型抽水壓縮空氣復合儲能技術。該技術采用空氣和水作為混合工作介質，利用水力機械設備和空氣透平作為系統的復合做功設備，實現儲能介質高效等溫壓縮/膨脹。相比于傳統壓縮空氣儲能技術，新型氣液復合空氣儲能技術具有響應快、效率高、投資成本低等優點。團隊通過10余年的攻關研究，完成了關鍵設備與儲能系統的性能表征、時域特性研究、流體機械關鍵共性技術集中攻關、空氣儲能技術全壽命周期性能評估軟件的研發及應用，研究成果可為氣液復合壓縮空氣儲能技術的規模化推廣應用提供堅實的理論與數據支撐。

關鍵詞：壓縮空氣儲能技術；近等溫壓縮；抽水壓縮空氣復合儲能技術；高效運行

中圖分類號：TK02.文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202405001.文章編號：0253-987X（2024）05-0001-09

A Study on the Combined Pumped-Hydro and Compressed Air Energy Storage System

Abstract：The innovation breakthrough in energy storage technology has become a crucial driver for transformative and disruptive changes in the global energy landscape. It is an important measure to achieve the strategic goals of “carbon peak and carbon neutrality”. In this regard， the research team on “Advanced Physical Energy Storage Technology” at Xi’an Jiaotong University has creatively proposed a new type of combined pumped-hydro and compressed air energy storage system. This technology applies air and water as the intermediate working mediums and conducts air turbine and hydraulic machinery as the power output equipment to achieve high-efficiency isothermal compression and expansion of the energy storage medium. Compared to traditional compressed air energy storage technology， the novel combined pumped-hydro and compressed air energy storage system features fast response， high efficiency， low investment cost， and so forth. Throughout the course of more than ten years of research and development， the team has completed the research on the performance and time-domain characteristics of key equipment and energy storage systems， achieved a significant breakthrough in key generic technologies of fluid machinery， and finished the development and application of life cycle assessment software for compressed air energy storage system， providing solid theoretical and data support for the large-scale promotion and application of gas-liquid hybrid compressed air energy storage technology.

Keywords：compressed air energy storage; near-isothermal compression; combined pumped-hydro and compressed air energy storage system; efficient operation

1.研究背景

能源事關我國國家安全和社會經濟發展。隨著我國化石燃料的逐漸枯竭，近年來，我國新能源發電量飛速增長。目前，我國風電與光伏發電裝機容量均已位居世界第一，但是隨之產生的“棄風/光”等能源浪費問題極為嚴峻［1-2］。“儲能+可再生能源”作為提高新能源利用率，減少能源浪費的重要手段，是實現“碳達峰、碳中和”目標的核心關鍵［3］，因此大規模電力儲能技術已經成為我國的戰略需求之一［4］。

壓縮空氣儲能技術是解決間歇式新能源并網和電網調峰的重要技術之一，自20世紀被提出以來，該技術因其可靠性高、壽命長和儲能容量大的優勢而受到廣泛關注［5］。根據壓縮過程產生的壓縮熱處理方式不同［6］，將現有壓縮空氣儲能技術劃分為補燃型壓縮空氣儲能［7］、絕熱型壓縮空氣儲能［8］以及等溫型壓縮空氣儲能［9］。

補燃型壓縮空氣儲能技術將壓縮過程產生的壓縮熱直接排向環境，而釋能過程需要額外提供熱源以補充熱量。目前，世界上僅有兩座大型商業補燃型壓縮空氣儲能電廠，分別是1978年在德國建造的Huntorf電廠和1991年在美國建造的McIntosh電廠［10］。

絕熱型壓縮空氣儲能技術通過將壓縮熱回收儲存用于加熱釋能時膨脹機入口氣體，避免了消耗化石燃料，同時也提高了系統的運行效率［11］。近年來，中國科學院工程熱物理研究所和清華大學等科研單位針對該技術進行了深入研究。中國科學院工程熱物理研究所在山東省肥城市、河北省張家口市等地建設了壓縮空氣儲能調峰電站和國家示范工程，清華大學研究團隊在安徽省蕪湖市、江蘇省常州市金壇區等地建設了壓縮空氣儲能示范項目和國家示范工程［12］。但是，由于絕熱壓縮空氣儲能需要配置蓄熱系統替代補燃型壓縮空氣儲能中的燃燒室，從而導致系統建設和運行成本提高，同時降低了系統的動態響應速度［13-14］。

等溫型壓縮空氣儲能技術利用液體比熱容大的特點，為壓縮空氣過程提供溫度近似恒定的運行環境［15］。目前，主要通過液體活塞和噴淋等手段增加水氣工質之間的熱量交換，從而降低空氣壓縮過程產生的熱損失，最終實現高效壓縮空氣的目的［16］。

2.系統研究

2.1.無壩抽水蓄能技術

西安交通大學發明的無壩抽水蓄能技術，是一種融合了抽水蓄能和壓縮空氣儲能優勢的先進新型復合儲能技術，兼具兩種儲能技術的優勢，可以實現大容量、長時間和低成本的電力儲存，為電能大規模存儲提供了全新解決方案［17-19］。其儲能原理為：通過設置如圖1所示的水氣共容艙，在其內部儲存壓縮空氣，將壓力容器與水泵連接，通過水泵向壓力容器內注水，相當于在水泵所連接的下游儲水池和壓力容器之間建造了一個虛擬水壩，通過控制壓力容器內空氣壓力可以改變虛擬水壩上下游的落差。例如，當壓力容器內空氣壓力為1 MPa時，相當于所構建的虛擬水壩底部高度是100 m。

無壩抽水蓄能系統在儲能過程中，水泵利用富余或可再生能源電力，通過水泵將水從儲水池泵到壓力容器內，實現電能到空氣壓力勢能的轉換；在用電高峰期，壓力容器內的高壓空氣推動水進入水輪機向儲水池釋放，將儲存在空氣中的勢能轉化為電能，從而實現了電能的高效儲存。

為實現系統在設計工況下運行，如圖2所示，通過向無壩抽水蓄能系統中增設恒壓調控模塊，在儲能過程和釋能過程中分別減少和增加壓力容器內空氣的質量，實現水泵和水輪機的高效恒壓運行。

2.2.近等溫壓縮空氣儲能技術

壓縮熱的高效利用是提升壓縮空氣儲能技術熱力學性能的關鍵，為此課題組首次提出由耦合絕熱壓縮和近等溫壓縮的復合型壓縮空氣儲能技術［20-22］。所提系統包括預壓縮子系統、等溫壓縮子系統、絕熱膨脹子系統和熱能儲存子系統，如圖3 所示。在儲能過程中，空氣經壓縮機絕熱預壓縮，產生的壓縮熱由熱交換器收集并由儲熱罐儲存，空氣溫度被冷卻到環境溫度后，進入近等溫壓縮子系統進一步加壓，直到達到其預設壓力；在釋能過程，壓縮空氣流經儲熱罐，儲熱材料將儲存的熱能傳遞給壓縮空氣，以提高進入絕熱膨脹子系統的空氣溫度，空氣在膨脹機中絕熱膨脹對外做功，實現穩定的電能輸出。綜合熱力學分析，當儲氣罐的儲氣壓力為11 MPa時，該系統的最高能效為72.47%。

2.3.抽水壓縮空氣復合儲能技術

響應速度是評價儲能技術的關鍵指標之一。為提升壓縮空氣儲能技術的響應速度，團隊提出一種先進抽水壓縮空氣復合儲能技術［23］，如圖4所示。該系統主要包括：壓氣機機組、透平機機組、儲熱器、換熱器、水輪機、水泵、儲氣洞穴、水氣共容艙以及儲水池等設備。系統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，實現電能到壓力勢能的轉換。系統的釋能過程也分為兩個階段：第一個釋能階段系統的發電設備為水輪機機組；第二個釋能階段的發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。

3.關鍵技術攻關情況

3.1.關鍵儲能裝備方面

團隊已攻克液體活塞高效近等溫壓縮空氣控制技術難題和高壓環境中受迫波動界面的傳質控制技術難題，形成了具有國際先進水平的研究成果，為先進抽水壓縮空氣復合儲能系統的高效安全運行提供了技術支撐。

近等溫壓縮空氣是實現空氣儲能系統熱壓全解耦功能的核心技術。團隊成員以抽水壓縮空氣復合儲能系統中液體活塞壓縮空氣儲能過程為攻關對象，通過建立液體活塞腔內界面行為與氣相近等溫運行軌跡動態耦合的精確數理模型，開展了從局部受迫波動界面熱質運移到全局氣液共容體系能量傳輸耦合的機理研究，解析儲能過程的熱質傳遞關鍵環節，明確了界面行為對氣體近等溫壓縮軌跡的作用機理；進而剖析設備儲能過程能量傳輸流耦合與反饋效應，形成了能夠快速精準評估液體活塞近等溫壓縮空氣儲能過程效能的歸一化方法，通過全局性分析液體活塞腔體儲能過程各能量傳輸流的演變軌跡，實現從局部機理研究到系統性能探索的跨越，并最終建立了液體活塞腔體儲能過程的運行調控策略與設計體系。圖5為液體活塞腔體儲能過程熱質傳遞示意圖。研究為液體活塞關鍵能量轉換設備的狀態評估、優化設計和有效管理提供準確、可靠的依據，為壓縮空氣儲能系統的低能耗高效運行優化與推廣應用提供理論支撐。

團隊針對液體活塞腔體內復雜氣液流動現象，率先發展了一種基于界面捕捉技術的氣液兩相流數值模型，推導出了氣液兩相流動的單一場控制方程，研究了氣泡在靜止水體中生成、上升和潰滅的動力學行為特性，獲得了不同壓力下水中氣泡的形成、運動及潰滅條件。在此基礎上，搭建了氣泡行為實驗研究平臺，通過對水氣工質不同熱力狀態的氣泡形態拍攝分析，確立了氣液界面動力學經驗方程。液體活塞腔體內水中氣泡行為見圖6。

針對抽水壓縮空氣復合儲能系統中高壓環境的水-氣溶解問題，團隊完成了水氣共容腔體內水-氣分界面流動特性的研究，指出水的體積分數在0.05～0.95之間時水氣相之間會出現較大的摻混現象。通過計算這一區域的體積，可以直觀地反映出水氣相之間摻混的劇烈程度。

團隊先后主持完成了國家“863計劃”先進能源領域目標導向類課題“葉片式流體機械先進節能技術及應用”，順利完成了國家“863計劃”重點項目子課題“風電大規模壓縮空氣儲能技術與工程示范”整體方案的設計規劃；制定了2 MW壓縮空氣儲能試驗電站的設計技術方案及試驗大綱。在抽水壓縮空氣儲能系統及其設備研究方面，完成了系統的性能表征與時域特性研究、流體機械關鍵共性技術集中攻關、大型流體機械整機非定常流動并行計算軟件的研發及應用。

3.2.抽水壓縮空氣復合儲能系統設計方面

抽水壓縮空氣復合儲能系統突破了壓縮空氣儲能系統的設計與集成控制技術，實現了壓縮空氣儲能系統效能的精準快速評估，從根本上解決了大規模壓縮空氣儲能系統電-電轉換效率低、發電成本高、響應速度慢的瓶頸難題。

團隊瞄準壓縮空氣儲能系統運行過程能質傳遞與轉換的關鍵問題，通過建立系統性的多能流輸運數理模型，闡明了系統內多場作用下異質能量的耦合特征，進而揭示了從關鍵部件到整體系統的跨尺度能量傳輸機理，建立了壓縮空氣儲能系統運行過程的能量傳遞與轉化理論體系，如圖7所示。圖中，Wpum、WHP、QWH、Wcomp、QTES、Wtur、WKC分別為水泵耗功、熱泵耗功、余熱熱量、壓縮機耗功、蓄熱量、膨脹機做功、卡琳娜循環輸出功。該體系為壓縮空氣儲能系統在寬廣工況下的高效運行奠定了理論基礎。

考慮到絕熱壓縮與近等溫壓縮空氣儲能的獨特優勢，將近等溫壓縮與絕熱壓縮方式進行合理融合提出了抽水壓縮空氣復合儲能系統，形成了基于“熱壓解耦”思想的儲能系統設計體系，明確了絕熱壓縮與近等溫壓縮耦合作用下的高效儲能特征，澄清了近等溫壓縮對儲能系統高效運行的驅動機制。測試發現，抽水壓縮空氣復合儲能系統的釋能響應時間可以縮短至45 s以內，且在無蓄熱構架下可以實現65%以上的熱效率。

3.3.壓縮空氣儲能系統運行效能評價方法

該方法基于大數據、人工智能的全生命周期運行節能調控技術等，破解了壓縮空氣儲能系統傳統單一性能評價指標的局限，為實現大功率、長時間、低成本、高效儲能提供了技術支撐。

為彌補傳統熱力學和經濟學分析能量系統的局限性，團隊首次將經濟學理論引入到先進抽水壓縮空氣復合儲能系統的優化分析中，如圖8所示，研究了系統運行參數和各性能指標與效率之間的關聯關系，進而結合系統能量利用過程中的合理性和系統方案的可行性，提出了改善系統熱經濟性能的理論方案。

團隊聯合耶魯大學、倫敦大學學院、洛桑理工學院等機構，通過優化更新數據，將熱力學動態分析方法與生命周期評估方法耦合，提出了基于完全混合的新型生命周期評估方法［24-25］，如圖9所示，實現了壓縮空氣儲能技術全生命周期性能的動態評估。研究結果［26］表明，蓄熱設備對壓縮空氣儲能系統生命周期內的環境、熱力性能、經濟性能影響最大。

4.應用前景

團隊依托國家儲能技術產教融合創新平臺、流體機械國家專業實驗室，通過共建研究平臺、技術股權激勵和協同育人等各種形式開展校企合作，聯合中國西電集團建立了國內首套100 kW氣液復合儲能實驗平臺，實現了高效率、快響應、低成本氣液復合儲能系統首創設計，驗證了該技術的可行性和經濟性。此外，該平臺還可實現儲能與釋能設備內三維復雜流場高頻信號采集與在線分析、儲氣裝置寬溫域-寬壓域下溫度和壓力場實時采集與顯示、多運行模塊集成與聯合運行自動控制等功能，為先進壓縮空氣儲能技術的研發提供了實驗平臺。

團隊通過與國內龍頭企業沈鼓集團合作，基于沈鼓集團-西安交大研究院平臺，共建了國內首套以多種智能調節手段為特色的并聯壓縮機-負荷管網系統試驗臺，實現了對壓縮空氣機組的高效節能調控，為壓縮空氣儲能機組運行的高效可靠智能調控關鍵共性技術驗證提供了平臺。

通過校企聯合攻關，在先進抽水壓縮空氣復合儲能系統設計、近等溫空氣壓縮、低成本復合材料壓力容器和系統智能調控方面取得了關鍵技術突破，顯著提高系統能效，將電儲能成本降至0.2元/（kW·h），為壓縮空氣儲能技術的產業化應用提供重要支撐。

團隊在先進復合壓縮空氣儲能技術領域擁有相關專利60余項，發表高水平學術論文50余篇。課題組積極進行技術推廣和應用，當下在技術成果轉化及產業化示范工程方面主要開展了以下工作：

（1）與國家電投集團聯合開發國家首臺套基于壓縮空氣儲能技術的發電廠；

（2）與中國電建集團籌建壓縮空氣儲能聯合研發基地；

（3）與上海巨人能源集團簽署1.25億元以上壓縮空氣儲能技術轉化協議。

參與建設儲能產業化示范項目如下：

（1）華能驛城區抽水壓縮空氣復合儲能項目；

（2）內蒙古自治區阿拉善地區壓縮空氣儲能系統的科研設計工作。

先進抽水壓縮空氣復合儲能技術屬于能量型儲能技術，裝機規模覆蓋kW～GW級別，可廣泛應用于電源側儲能、電網側儲能及用戶側儲能3種類型。該系統所采用的空壓機、空氣透平、水泵和水輪機等關鍵設備已全部實現國產自主研發。

參考文獻：

［1］舒印彪， 趙勇， 趙良， 等. “雙碳”目標下我國能源電力低碳轉型路徑 ［J］. 中國電機工程學報， 2023， 43（5）： 1663-1671.

SHU Yinbiao， ZHAO Yong， ZHAO Liang， et al. Study on low carbon energy transition path toward carbon peak and carbon neutrality ［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（5）： 1663-1671.

［2］李政， 張東杰， 潘玲穎， 等. “雙碳”目標下我國能源低碳轉型路徑及建議 ［J］. 動力工程學報， 2021， 41（11）： 905-909.

LI Zheng， ZHANG Dongjie， PAN Lingying， et al. Low-carbon transition of China’s energy sector and suggestions with the ‘carbon-peak and carbon-neutrality’ target ［J］. Journal of Chinese Society of Power Engineering， 2021， 41（11）： 905-909.

［3］陶瑞， 胡肖， 姚爾人， 等. 一種新型復合壓縮空氣儲能系統的熱經濟學分析 ［J］. 西安交通大學學報， 2023， 57（3）： 23-34.

TAO Rui， HU Xiao， YAO Erren， et al. Thermo-economic assessments of a novel integrated compressed air energy storage system ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（3）： 23-34.

［4］謝小榮， 馬寧嘉， 劉威， 等. 新型電力系統中儲能應用功能的綜述與展望 ［J］. 中國電機工程學報， 2023， 43（1）： 158-168.

XIE Xiaorong， MA Ningjia， LIU Wei， et al. Functions of energy storage in renewable energy dominated power systems： review and prospect ［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（1）： 158-168.

［5］YAO Erren， WANG Huanran， WANG Ligang， et al. Multi-objective optimization and exergoeconomic analysis of a combined cooling， heating and power based compressed air energy storage system ［J］. Energy Conversion and Management， 2017， 138： 199-209.

［6］OLABI A G， WILBERFORCE T， RAMADAN M， et al. Compressed air energy storage systems： components and operating parameters： a review ［J］. Journal of Energy Storage， 2021， 34： 102000.

［7］BAZDAR E， SAMETI M， NASIRI F， et al. Compressed air energy storage in integrated energy systems： a review ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2022， 167： 112701.

［8］KOOHI-FAYEGH S， ROSEN M A. A review of energy storage types， applications and recent developments ［J］. Journal of Energy Storage， 2020， 27： 101047.

［9］KEBEDE A A， KALOGIANNIS T， VAN MIERLO J， et al. A comprehensive review of stationary energy storage devices for large scale renewable energy sources grid integration ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2022， 159： 112213.

［10］YAO Erren， ZHONG Like， LI Ruixiong， et al. Multiobjective optimization of a combined heating and power system based on compressed-air energy storage and thermochemical technology ［J］. Journal of Energy Engineering， 2022， 148（4）： 04022024.

［11］JIANG Runhua， CAI Zhuodi， PENG Kewen， et al. Thermo-economic analysis and multi-objective optimization of polygeneration system based on advanced adiabatic compressed air energy storage system ［J］. Energy Conversion and Management， 2021， 229： 113724.

［12］陳海生， 李泓， 馬文濤， 等. 2021年中國儲能技術研究進展 ［J］. 儲能科學與技術， 2022， 11（3）： 1052-1076.

CHEN Haisheng， LI Hong， MA Wentao， et al. Research progress of energy storage technology in China in 2021 ［J］. Energy Storage Science and Technology， 2022， 11（3）： 1052-1076.

［13］CHEN Hao， WANG Huanran， LI Ruixiong， et al. Experimental and analytical investigation of near-isothermal pumped hydro-compressed air energy storage system ［J］. Energy， 2022， 249： 123607.

［14］HE Xin， WANG Huanran， LI Ruixiong， et al. Thermo-conversion of a physical energy storage system with high-energy density： combination of thermal energy storage and gas-steam combined cycle ［J］. Energy， 2022， 239， Part E： 122325.

［15］ZHAO Pan， LAI Yongquan， XU Wenpan， et al. Performance investigation of a novel near-isothermal compressed air energy storage system with stable power output ［J］. International Journal of Energy Research， 2020， 44（14）： 11135-11151.

［16］李瑞雄， 鄒瀚森， 姚爾人， 等. 液體活塞近等溫壓縮空氣儲能過程熱力性能評估 ［J］. 西安交通大學學報， 2023， 57（5）： 58-67.

LI Ruixiong， ZOU Hansen， YAO Erren， et al. Thermodynamic performance evaluation of the near-isothermal compressed air energy storage system with liquid piston ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（5）： 58-67.

［17］YAO Erren， ZHONG Like， ZHANG Yuan， et al. Comprehensive performance exploration of a novel pumped-hydro based compressed air energy storage system with high energy storage density ［J］. Journal of Renewable and Sustainable Energy， 2022， 14（6）： 064102.

［18］YAO Erren， WANG Huanran， LIU Long， et al. A novel constant-pressure pumped hydro combined with compressed air energy storage system ［J］. Energies， 2015， 8（1）： 154-171.

［19］WANG Huanran， WANG Liqin， WANG Xinbing， et al. A novel pumped hydro combined with compressed air energy storage system ［J］. Energies， 2013， 6（3）： 1554-1567.

［20］LI Ruixiong， TAO Rui， FENG Xiaojun， et al. Energy distributing and thermodynamic characteristics of a coupling near-isothermal compressed air energy storage system ［J］. Journal of Energy Storage， 2023， 58： 106314.

［21］LI Ruixiong， TAO Rui， YAO Erren， et al. Comprehensive thermo-exploration of a near-isothermal compressed air energy storage system with a pre-compressing process and heat pump discharging ［J］. Energy， 2023， 268： 126609.

［22］LI Ruixiong， TAO Rui， YAO Erren， et al. Decoupling heat-pressure potential energy of compressed air energy storage system： using near-isothermal compressing and thermal energy storage ［J］. Journal of Energy Storage， 2023， 63： 107017.

［23］姚爾人， 席光， 王煥然， 等. 一種新型壓縮空氣與抽水復合儲能系統的熱力學分析 ［J］. 西安交通大學學報， 2018， 52（3）： 12-18.

YAO Erren， XI Guang， WANG Huanran， et al. Thermodynamic analysis on a novel compressed-air based pumped hydro energy storage system ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2018， 52（3）： 12-18.

［24］LI Ruixiong， ZHANG Haoran， CHEN Hao， et al. Hybrid techno-economic and environmental assessment of adiabatic compressed air energy storage system in China-situation ［J］. Applied Thermal Engineering， 2021， 186： 116443.

［25］LI Ruixiong， ZHANG Haoran， WANG Huanran， et al. Integrated hybrid life cycle assessment and contribution analysis for CO2 emission and energy consumption of a concentrated solar power plant in China ［J］. Energy， 2019， 174： 310-322.

［26］LI Ruixiong， TAO Rui， YAO Erren， et al. Decoupling heat-pressure potential energy of compressed air energy storage system： using near-isothermal compressing and thermal energy storage ［J］. Journal of Energy Storage， 2023， 63（7）： 1-15.