【壓縮機網】近日，由湖南省工業和信息化廳、湖南省商務廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會聯合主辦，100余家機構共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。

　　會議期間，組委會邀請到西安交通大學能源動力工程學院王煥然分享了《抽水壓縮空氣儲能技術》的主題報告，本文節選了發言的主要內容。

　　王煥然：各位專家，大家好。因為疫情，我不能親臨現場匯報給大家，所以只能從線上匯報了。我匯報的題目是：抽水壓縮空氣儲能技術，報告人王煥然，來自西安交通大學能源動力工程學院。匯報分四部分進行，一是背景介紹，二是現有壓縮空氣儲能技術存在的問題。三是抽水壓縮空氣儲能技術。四是應用方案。

　　背景介紹。2020年習總書記提出了碳達峰碳中和的戰略總目標，意味著“十四五”乃至更長一段時間，超常規發展光伏和風電等可再生能源是實現“3060”目標的必然選擇。圍繞著以新能源為主的電力系統的構建，探索研究儲能技術，推廣儲能技術和新能源與常規能源協同發展，安全有序的推動儲能產業的發展，保證電力系統的靈活性和安全性，是目前或者今后長時期面臨的重要任務和課題。到目前為止，電能大規模儲能技術仍然是世界性難題，表現在以下幾個方面：儲能時間要長，規模要大，儲能系統效率高、儲能成本要低和建設周期要短，還要綠色環保，所有這些加起來導致這個問題到目前為止沒有根本性解決，它還是一個難題。

　　西安交通大學始終致力于儲能技術及產業化方面的研究，現在國內成立了第一個儲能專業，我們也是首批成立了國家儲能技術產教融合創新平臺。現在我們的目標就是提高儲能效率，降低儲能成本，這是我們的一個目標。我們的策略是充分發揮現有儲能技術的特點，摒棄它的缺點，把優點保留，針對儲能技術所在區域的場景，我們定制相應的儲能方案，達到上述目標。我們的成果是壓縮空氣儲能，我們用壓縮空氣儲能與抽水壓縮空氣儲能的有機融合技術，為此我們發明了50多項專利，有幾十篇SCI論文，其中有多篇ESCI論文。另外，我們針對不同的工業應用場景建立了相應的儲能技術方案。

　　首先介紹儲能，儲能分兩部分，一部分物理儲能，一部分化學儲能，我們最關注的是物理儲能里抽水蓄能和壓縮空氣儲能，這兩個技術相對比較成熟。目前，國內抽水蓄能設計技術比較成熟，施工技術和管理經驗都比較豐富，所以國內目前開展了很多抽水蓄能電站建設，但是它的投資大，建設周期長，所以短時間內不能適配目前階段的可再生能源發展需求。壓縮空氣儲能正好具備環保性和建設周期短的特性，所以目前國內外把這個事情視為一個熱點問題進行研究和開發。

　　我們把壓縮空氣儲能凝練成了一個簡單的模型，把壓縮和冷卻器做了一個模塊，從模塊中我們可以看出來，在壓縮空氣儲能過程中， 隨著壓比的增加，可用能效率是降低的過程，這里邊熱能占的部分越來越大，這個系統的損失也在略微增大，隨著壓比的增加，壓縮熱占總能耗的比例增加。冷卻過程中氣體的溫度將被消耗一部分  （可用能），就是熱能部分的  ，轉化效率相對較低。

　　1978年，德國Huntorf電站建了壓縮空氣儲能電站，也是第一個商業運行電站，具有完整的實驗數據。這個實驗電站的特點是處在鹽穴中，進鹽穴的空氣要被冷卻，但一般不超過80度，100度以內。發電的時候，壓縮空氣直接與燃氣混合燃燒加熱，然后高溫混合氣通過透平發電，這個加熱溫度大概是600度到650度左右。美國壓縮空氣儲能電站的發電功率是110兆瓦，實現連續發電26個小時，電站利用燃氣輪機進行了改進，跟Huntorf電站一樣，直接冷卻到100度以內，然后發機組系統做了改進，把尾氣通過一個回熱器進行回收再排空，鹽穴中的壓縮空氣首先被回熱器加熱之后再進入燃燒器，這個系統效率直接提到了54%。如果不考慮補燃的情況，其循環效率才達到25%，而剛才那個系統如果不考慮燃料加熱，其系統效率只有20%。所以這是我們特別要注意的一個問題。

　　我們看看現在比較流行的另外一個叫先進絕熱壓縮空氣儲能，它規避了上面的兩個系統的缺點，把壓縮熱進行回收，發電的時候再把儲存熱量回熱到系統中，從熱力學第一定律上講這個系統效率還是比較好的，但在改系統中它增加了多級換熱及儲熱放熱，系統不可逆損失增加。我們對Huntorf電站有一個詳細的分析結果，表明經過  分析結果，Huntorf電站各部分  損失進行一個對比，主要  損失發生在燃氣透平尾氣、燃燒室、換熱器和壓縮機，透平、節流閥的  損失相對較小，換熱器和冷卻器里的  損失占總體損失的19%，還是比較大的，是除了燃燒室和尾氣之外的最大的一個  損失來源，除了這一部分，壓縮空氣壓縮過程中的發熱還有問題，這是根源，下面我進一步分析這個事情。

　　一個傳統壓縮空氣儲能，電能在轉變壓力勢能的時候通過壓縮機，我這里邊熱能沒被回收，直接排空了，所以沒被利用。另外一個方面，我用天然氣進行捕捉或者用煤進行捕捉，傳統壓縮空氣儲能的原理就能看得很清楚了，如果不補燃，系統效率一定不會高，因為壓縮熱實際上占比非常大，占壓縮機驅動功率百分之六十多，而電能是優質能源，一旦轉變成熱能之后，被轉變電能的部分應該很少，尤其是儲熱的時候不可能太高。先進絕對壓縮空氣儲能，如果把這個熱回收起來儲存，在熱量儲存過程中   損失非常大。我再把儲熱回到膨脹系統中發電，這樣還會造成很大的損失，實際上這里面整個系統效率是非常有限的。

　　正是因為它存在壓縮熱，這也是壓縮空氣儲能的一個固有缺陷，它能不能解決呢？我們提出了一種新的技術叫抽水壓縮空氣儲能技術。我們的研究思路是這樣的，針對傳統壓縮空氣存在的問題，我們提出要想使這個系統將來實現商業化必須解決兩個問題高效和低儲能成本，我們必須重新構造壓縮空氣儲能系統，這個系統構造的時候一定要結構簡單，等溫壓縮，非絕熱膨脹。因為目前的設備不能滿足這一要求，所以我們要研究專用的設備，這個專用設備一定要保證結構簡單可靠，還要確保過程高效。這樣完成之后，現有的物理儲能問題有可能會解決掉。我們的思路是這樣的，比如抽水蓄能規模大，效率高，不需要燃料，同樣壓縮空氣儲能規模也大，不受地理限制，建設周期短，單位造價比抽水蓄能相對低，但它的密度又比抽水蓄能高，能不能把這兩種技術融合起來，然后把它的優點保留，把缺點去除掉。我們是基于這種想法提出的。抽水蓄能的原理就是實際上就是一個低位水庫，一個高位水庫，讓水輪機放在低位水庫上面，從物理本質上講就是把這個高位水庫水位勢能轉變成水輪機進出的壓差。同樣，如果我們構建一個系統，這個系統的水輪機進出口壓差跟抽水蓄能水輪進口處壓力差完全一樣，流量也一樣，意味著這兩個系統完全是等效的。為此，我們構建了抽水蓄能物理模型，假如這里是50個大氣壓，相當于有500米水頭，發電時候有500米一個落差，這是我們做抽水蓄能的一個最基本的思路。

　　怎樣構成真正一個儲能系統呢？我們發明了恒壓型抽水壓縮空氣儲能系統，核心就是水氣共容原理，其核心我們叫水氣共容艙，高壓空氣作用于水氣共容艙內的水，實際上空氣是恒壓的高壓空氣。其中的抽水蓄能的部分，水輪機和水泵的工作介質是水，它這里不會發熱，可以在設計工況下運行，這個系統效率一定是比較高的。怎么保持水氣共容艙壓力恒定呢？實際上這里邊就耦合了一個壓縮空氣儲能系統，這個系統跟傳統系統不一樣，這是個閉式的系統，不是開放的。在抽水蓄能的時候，為了保持水氣共容艙壓力恒定，把多余的氣體抽到高壓儲罐里。同樣在勢能過程中，隨著水位的降低，為了保持水氣共容艙壓力恒定，我們必須通過高壓儲氣罐的高壓空氣不斷補充，這樣我們就完成了兩個抽水蓄能和壓力空氣儲能的一個復合。如果抽水蓄能這一塊高效，我們能把壓縮空氣儲能這一塊也保持高效，問題就解決了。在增壓部分，我要讓壓縮空氣盡可能少發熱甚至不發熱，這就是我們的設計思路。如果這樣，這個系統一定是高效的。在能量轉換方面，把電能轉變成壓力勢能，不在外面補熱了，這樣系統可以做得簡單，理論上可以做得高效。

　　這里邊有一個問題必須解決，在高壓狀態下水氣會不會溶解？如果水中溶解大量空氣，原理雖很好，但對水輪機會有傷害？為此，我們利用狀態方程和分子動力學模型研究了水氣溶解過程以及擴散過程，用兩三年把這事情徹底搞明白了，找到了解決方案。抽水和放水的時候會不會對水氣共容艙內部環境進行傷害呢？我們進行了一系列仿真研究，不同進水和出水管道的布置方式。這個過程就是研究在抽水過程中會不會對水面氣體進行卷吸，把這個過程都研究了，怎么減少這個氣泡的裹脅，我們研究了其特性。把這事情搞明白之后，我們建立了一個實驗驗證平臺，系統中的高壓氣罐，用的是個6兆帕，這里是叫水氣共容艙，用的是4兆帕。在這個系統中，水輪發電是水泵和水泵機組，是4兆帕的，我們在實驗室模擬400米水頭，水頭是可以任意調節的。驗證結果是比較滿意的，通過了陜西省科技廳在2020年4月份組織的一個成果鑒定及現場的演示。結論：第一，該系統具有較高的電電轉化效率。第二，系統的響應特性比較好，可以達到45秒。第三，實驗結果提示我們，可以設計等溫壓縮機，我們現在已經完成了設計，并且在測試中。

　　解決了電站轉運效率的問題，還有一個問題沒解決，即怎么降低儲能成本？我們針對不同的環境，設計了不同技術方案。這里面有一個水池水泵和水輪機，也可以是水泵水輪機，同樣用我們的這個思路，我們設計了一個透平，非絕熱膨脹，比如可以吸收部分增壓機的壓縮熱。目前，我們設計的這個系統儲氣壓力是8兆帕，膨脹性入口壓力10兆帕，水槽100米，用水量是1.16萬平方米，比較大。儲氣罐的容積是2100立方米，這個系統我們可以做到2兆瓦/4兆瓦時，目前還沒有這種儲能系統，所以我們這個系統申請了發明專利，這個系統的效率接近70%了。

　　我們還在光伏基地做了一個儲能系統，同樣有儲氣罐，高壓儲氣庫，低壓儲氣罐，有等溫壓縮機，膨脹機。我們設計了一個小的系統，就是將光伏熱通過壓縮空氣給它進行加熱高壓空氣，太陽能加熱之后進入透平，我把透平尾氣的排熱量再通過一個回熱器，再排一下低壓出去灌，為了保持恒力壓力，啟動水輪機發電，這就是整個系統的工作原理。目前做到1.1兆瓦和1兆瓦時的規模，效率做到71%，這是給光伏電站做的方案。另外一個是我們專門為煤礦設計的，完成了科研報告，規模做到110兆瓦和900兆瓦時。我簡單介紹一下，很多煤礦在地下機房有一個水艙，也叫應急水庫，挖煤的時候萬一有多余透水就儲存在這個地方，關停的煤礦我可以利用這部分，利用的時候我們把這個作為一個儲水倉，低位水庫，地面挖了一個高位水庫，這樣我可以建一個抽水蓄能系統，就跟我們現在有的抽水蓄能系統一樣，只不過就是我把這個低位水庫放在地下了，水輪機和水泵都被安裝在地下。同樣我們把煤礦的地下空間劃分了一下，對主道進行封閉，它的密封性和安全性都比較有保證，然后把它作為空間。目前我們沒利用采空區。這個礦深是592米左右，我這個地下水艙體積只有一萬多方，因為它的主巷道有上山通道，相當于有傾斜度，為了充分利用它，我把地下封閉空間，深度大約是600米，這它和地面水庫進行連通，我保證這個空間的容積是可變的，有條件保證這個空間壓力恒定。

　　同樣是用我們研制的等溫壓機組，解決了現有壓縮空氣儲能的另外一個缺陷，即閉口缺陷，容積不可變，我們把它變成容積可變的系統，就可以保證壓力是恒定的，這樣就解決了壓縮機的一個變功問題。發電的時候也是一樣，可以實現恒壓發電，如果發電的時候氣體放出來，壓力被降低，空間被減少，地面的水給它補充到這個空間里邊，保持容積可變。這一塊我們通過內燃機補燃，這是我們另外一個專利技術，通過內燃機用我們現在所有的代用燃料，如乙醚、甲醇等低碳燃料，高品位熱能用內燃機的發電，低品位熱能耦合到這個壓縮空氣儲能系統中，相當于該系統非絕對膨脹過程提供了余熱熱源，這樣系統效率可以做得比較高，75%以上。這就是我們的一個研究思路。低位水庫大概一萬多方，我們就構成這樣一個發電系統，壓縮機和膨脹機構成另外一個閉環的系統，兩個系統復合在一起。建設周期三年可以完成，地下有個水電機水泵，地上是壓縮機膨脹機內燃機。這個規模已經做到110兆瓦900兆瓦時。

　　我們另外還做了一個方案，針對沒有礦井的，我們在泉州設計的是300兆瓦1800兆瓦時，這個系統實際就按照抽水壓縮空氣原理，將高壓氣庫做10兆帕。目前我們設計出來的高壓氣庫是10兆帕，體積是160萬立方。中間一個增壓機，一個渦輪膨脹機，這個壓縮機機組實際上是作為我們做虛擬水壩用的一個備用壓縮機組，如果系統不漏氣，這個空壓機組都不用，如果漏氣，我就會啟動它給高壓氣庫補氣。這就是水泵水輪機，地下是一個坑道，這個系統實際效率做到72%。這是目前我們具體的一個研究成果。

　　希望各位專家批評指正，謝謝各位。

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