麻省理工学院能源计划未来研究报告（八）：压缩空气储能
3.3 压缩空气储能
3.3.1 压缩空气储能概述
压缩空气储能（CAES）是一种机械储能技术，其原理是利用电力压缩空气，然后将压缩空气储存起来，并在需要时重新膨胀进行发电。而在压缩空气时将会产生大量的热量，因此CAES系统可以根据热储能的处理方式和位置进行分类。
在非绝热CAES系统(D-CAES)中，压缩空气在膨胀过程中的热量辛勤努力不可逆地排放到环境中。在绝热CAES系统 (A-CAES)中，压缩空气排放的热量被捕获，与压缩空气分开存储，并在膨胀过程中返回热量。
CAES系统也可以根据它们是在地上还是地下储存压缩空气来区分。在地上非A-CAES系统中，压缩空气储存在由钢或混凝土等材料制成的加压容器中。在地下CAES系统中，压缩空气储存在天然构造或人工开采的洞穴中。
在其最简单的配置中，A-CAES由空气压缩机、容纳加压空气的储存室、热储能设施以及涡轮机组成。在D-CAES系统中，储热设施被燃料发电系统所取代。
A-CAES是真正的储能技术；这些系统的效率是通过将其输出电力除以输入电力来衡量的。在理想情况下，A-CAES系统可以在100%的热力学效率下运行。根据建模，对A-CAES系统的估计效率约为55%～65%。地上A-CAES系统的能量密度与热储能系统（没有压缩空气）相当。基于已经报告的A-CAES系统关于低能源成本、中等效率和低自放电率的值，并假设这些值可以在实践中实现，A-CAES技术可以适用于长时储能。
如果D-CAES系统像通常建议的那样以天然气为燃料，那就不是零排放的系统。因此，D-CAES系统不属于储能技术（根据定义），而是这些类型的储能系统提供了一种使用廉价电力来提高发电效率和降低燃气轮机二氧化碳排放的机制。出于这个原因，研究团队在本报告中没有详细讨论D-CAES系统，尽管确实在本章后面的部分中指出，此类系统可能仍然值得研究，作为减少来自天然气发电设施或作为改进的使用碳捕获的独立燃气轮机的基础。然而，在这两种情况下，D-CAES系统存储的压缩空气量将限制通过添加D-CAES系统实现的性能改进的持续时间。
3.3.2 迄今为止的CAES开发工作
通过压缩空气来储存能量是一个传统的想法，自从19世纪以来一直在工业环境中使用。而在工业环境中，压缩空气储存在地上设施中，用于操作气动设备。压缩空气在上世纪40年代首次被提出作为电网规模的储能系统，并在上世纪60年代引起了越来越多的关注，其原因是人们有兴趣在低需求时期寻找从不灵活的发电设施（例如大型核电厂和燃煤电厂）储存电力的方法。D-CAES系统是第一个被研究的选项，有两个此类设施投入使用：一个于1978年部署在德国亨托夫（Huntorf），另一个于1991年部署在美国阿拉巴马州的麦金托什（McIntosh）。Huntorf）压缩空气储能系统的流程图如图3.5所示，装机容量和储能容量分别为321MW和640MWh，持续时间为两个小时。该系统将压缩空气储存在容积为31万立方米的洞穴中，其最小压力之间和最大压力分别为45和70个大气压(atm)。
McIntosh D-CAES系统系统采用了更先进的设计（图 3.6）；其装机容量为110MW，虽然其装机容量比Huntorf D-CAES系统要小，但储能容量更高，达到2.86GWh，其持续放电时间为26小时。该系统将压缩空气储存在一个27万立方米的盐穴中，这个CAES系统在与Huntorf D-CAES系统大致相同的最大和最小压力之间运行。在这两个储能系统中，天然气发电设施对能源容量的贡献很大。例如，在McIntosh压缩空气储能系统每单位从电网获取的电能，大约需要1.05个单位的天然气能源在放电期间才能将0.6个单位的电能输送回电网。
图3.5 带有两个燃烧室的传统D-CAES系统的流程图
图3.6带有回热器的D-CAES系统流程图
尽管在过去的三十年中规划了许多D-CAES系统，但最终都被放弃。因此，自从1991年以来全球没有建造任何D-CAES系统。而在美国，最近放弃的规划包括位于俄亥俄州诺顿的废弃石灰岩矿一个D-CAES系统和爱荷华州得梅因附近砂岩含水层中的另一个D-CAES系统。Apex-CAES公司正在德克萨斯州伯特利附近开发一座324MW/6GWh的D-CAES系统，但尚未做出最终投资决定。
缺乏部署活动的一些原因与其他储能技术相同，包括低于预期的核电部署、增加部署联合循环发电厂，以及最近降低的天然气价格。其他挑战是电网规模的 CAES 所独有的，其中包括需要寻找或挖掘在数万至数百万立方米的大型空气储存室（通常是天然地质构造），以及需要有效捕获、储存和随后返回大量热能压缩空气时产生的能量。
目前在全球并没有运营电网规模的A-CAES系统，尽管已经建成一些小型A-CAES系统。与D-CAES系统一样，许多项目都是在提出规划之后然后取消。近期两项备受瞩目的A-CAES项目就是这种情况：2012年欧洲提出的A-CAES系统Adele Advanced A-CAES系统和2008年在美国启动的项目Lightsail Energy A-CAES系统。这两个项目都在近两年被取消。而积极的一面是，加拿大公司Hydrostor于2019年在加拿大戈德里奇成功调试了一座1.75MW/15MWh的A-CAES系统，还宣布了在加州克恩县建设一个500MW的A-CAES系统的计划，该项目如果完成部署，将是第一个电网规模部署的A-CAES系统系统。Hydrostor A-CAES系统在坚硬的岩石中挖掘洞穴以储存压缩空气，压缩空气通过水库保持恒定压力。此外，瑞士的ALACAES公司在2016年使用山洞成功测试了60kW/1MWh的A-CAES系统试点项目。中国目前至少有两个A-CAES系统测试项目在运行。而两个系统规模较大的一个是地上的A-CAES系统，其规模为10MW/40MWh。中国正在建设测试其他的商业用途A-CAES系统和液态空气储能设施。
迄今为止，用于建设大规模CAES的唯一地质构造是盐丘，但也有采用层状盐、硬岩洞穴和含盐含水层用于压缩空气储存。设计限制包括将压力保持在100个大气压左右，其持续时间为数小时至数天，以及足够的内部渗透性以允许快速排放压缩空气。
除了A-CAES和D-CAES系统，还有第三种形式的压缩空气储能系统，其名称为等温CAES系统。在这种方法中，空气在被压缩时（相对于每个压缩阶段之后）不断地从空气中散失热量，从而使空气温度保持恒定。该过程被反转以进行膨胀。等温压缩和膨胀过程原则上比A-CAES或D-CAES更有效，但在实践中很难实现高效且具有成本效益的等温过程。等温CAES一直是一些研究和商业开发工作的主题，但尚未建造此类大型系统。这部分是因为等温CAES系统没有解决其部署的关键障碍。
3.3.3 展望
尽管最近没有部署电网规模的CAES系统，但这种技术继续引起人们的兴趣。这部分是因为与其他一些长时储能系统相比，CAES系统除了寻找或建设合适的地下存储压缩空气场所之外，并没有面临基本的技术挑战。尽管如此，由于缺乏进展，CAES 系统的未来发展前景仍不明朗。本章的其余部分讨论了机械设备和热力要求、成本估算以及有希望的技术改进领域，这些可能与确定CAES系统是否在到2050年实现脱碳电网方面发挥作用有关。
3.3.4 A-CAES系统的基本原理
当空气被绝热压缩时（意味着在压缩过程中空气与环境隔离）将会变热。因此，如果最初在室温和压力下的空气被压缩到75个大气压（CAES系统的典型压力），如果压缩的所有热量都保留在空气中，其温度将达到约750℃。这种空气可以做功，因为它既产热又承压。
然而，采用压缩空气储存热量是不切实际的。其中一个问题是热空气在室温下要比相同质量的空气占据更多的体积，从而增加了储能成本。例如，750℃的空气的体积大约是室温下相同压力下相同数量空气的3.4倍。此外，隔离大量热量的加压空气既困难又昂贵。由于这些原因，CAES系统必须去除压缩热量，以使压缩空气的温度接近周围环境的温度。在A-CAES系统中，热交换器将这种热能传递到热储能(TES)系统。
事实上，所有用于压缩空气的功最终都变成了热能。储存的这种热量与压缩空气一起有助于从储存中回收的有用功。做有用功的能力在工程热力学中被称为“有效能（exergy）”。从技术上来说，A-CAES系统的有效能等于通过使储能系统与其环境达到平衡可以提取的最大有用功。也称为可用工作，这是是研究CAES系统的一个非常有用的概念。
存储压缩空气的热量需要一个扩展的热储能系统，其尺寸和复杂性与容量相同的热储能系统（TES）相当。在A-CAES系统中，压缩空气和储存的热能包含不同比例的功，具体取决于压缩空气的压力和热储能系统（TES）的温度。
图3.7显示了具有两个压缩和两个扩张阶段。在每个压缩阶段之后，空气被冷却到接近环境温度，并通过将其热能输送到热存储器来提高温度。
图3.7具有两个压缩和两个膨胀阶段的传统A-CAES系统流程图
图 3.8 以简化形式说明了CAES系统的热力学原理。图3.8a显示了压缩空气（曲线下的蓝色区域）和热储能系统（曲线下的红色区域）中存储的有效能，以及热储能介质的温度，假设单级压缩，用于不同的压缩比(r)。图3.8b显示了两级压缩系统的相同信息，假设每级压缩空气的系数是压缩比（r）的平方根。这些数字说明了这是一个没有任何损失的理想系统。在实际系统中，效率低下会减少两个来源的可用工作量。对于单级系统，大约一半的热能存储在热储能系统中；在使用两级压缩系统的情况下，较少的热能用于热储能。在无损系统中，能量都是守恒的，因此在图 3.8 所示的两种情况下，压缩空气和热储能的可用功总和为存储能量的总量（黑色曲线），反过来等于输入A-CAES系统的电能。
图3.8压缩空气的机械能和热能
在理想的A-CAES系统中，空气（以红色显示）在压缩，然后在膨胀时返回到储存的空气中。TES系统的能量容量必须大致相同，与压缩级数无关。这是因为所有输入能量都存储在TES系统中。然而，可以从存储的热能中提取的电力随着压缩级数的增加而减少。这是因为压缩级数越多，TES系统的温度越低，而热力学表明，随着存储温度的下降，可以将较小部分的热能作为有效能提取出来。额外的压缩级可以抵消这些损失，从而减少对压缩机的需求，并允许TES系统中的温度更低。许多实际考虑需要调整A-CAES系统的机械和热能参数。这些权衡中的大多数取决于A-CAES系统的细节，例如操作温度和压力的选择、热传导和存储系统的选择等。这两个重要的操作问题非常普遍。
首先，膨胀涡轮机的设计是在固定输入压力下运行，而存储在固定体积中的空气压力随着空气的释放而不断下降。 为了应对涡轮机的限制，因此有必要在空气离开储存器时将空气节流至固定压力。而在节流过程将会降低工作输出，从而降低CAES系统的整体效率。其次，必须在空气压力低于涡轮机规定的最小输入压力之前停止释放空气。 这会在剩余的加压空气中留下大量能量。这两种影响都降低了CAES系统的能量容量和效率。
3.3.5 CAES的蓄热要求
部署电网规模的CAES系统取决于合适的大规模地下储气库的可用性。此类场地的位置可能不会与储能系统的首选位置有所重叠。此外，在某些场所，压缩空气储存可能需要与二氧化碳和氢气等其他气体的储存进行竞争。
给定配置的蓄热要求取决于压缩和膨胀过程的设计。在单级压缩系统中，大约一半的电能转化为机械能，另一半电能则转化为热能，如上一节所述。随着压缩级数的增加，TES系统的温度降低，但存储的总热能始终等于输入电能。在等温CAES系统中，当空气被压缩并在环境温度下排放到外部环境中时，热能不断从空气中去除。
（1）储气设施和地质选址
鉴于需要在高压下储存大量空气，储罐或管道等地上储存设施对于长期存储压缩空气来说成本高昂。此外，将许多加压罐放置在附近会带来安全风险。 对于较长时间的地面存储来说，一种可行的选择是采用液态空气储能。
对于较短时间的应用，CAES系统将与电化学储能技术（如锂离子电池和液流电池）以及其他电网平衡策略（如需求管理）进行竞争。CAES系统的电力成本大约是锂离子电池储能系统的两到三倍，锂离子电池目前是储能行业领先的短时储能技术。如果CAES的电力成本可以降低到与其可比的水平，需要重新利用燃气轮机，CAES的能源成本需要低于电池储能系统（电池储能系统的能源成本约为250美元/kWh）。根据有关压力容器的研究文献，压缩空气储能成本在50/kWh～200美元/kWh之间是可以实现的，尽管这一范围内的成本尚未在实践中得到证明。
即使CAES系统可以实现与其他电网平衡选项相比具有竞争力的电力和能源成本，效率、选址灵活性、响应时间和模块化等其他考虑因素将有利于电化学储能技术或储能需求管理。关于选址灵活性，图3.9说明了CAES系统的典型能量密度范围；显示抽水蓄能设施和锂离子电池储能系统的能量密度以供比较。例如，能量密度为10kWh/立方米的100MW/400MWh的CAES系统将需要大约40,000立方米的空气容量，大约相当于16个标准游泳池的体积。而同等规模的锂电池储能系统占用的空间将减少30到65倍。
图3.9 CAES系统的典型能量密度范围
由于这些原因，具有地上空气存储的CAES系统通常不利于短期储存。而液态空气储能系统可能是一个例外。
对于地下储气库，通常研究的地质选择是穹窿或层状盐穴、含水层、枯竭的油气井和硬岩矿山。图3.10说明了每个选项。
图3.10 储存压缩空气的地层示意图
穹窿或层状盐穴储存洞穴是使用水溶开采法创建的。在这个过程中，首先在盐层中钻孔，然后将水抽到地下以溶解盐，再去除饱和盐水用于废物处理。穹窿的形状由一层油膜控制，以防止洞顶溶解。水溶开采是一个成熟的过程，用于创建用于储存天然气和废物的洞穴。在美国，适宜的盐层集中在墨西哥湾沿岸、五大湖区的东半部以及在大平原的一些地区。
与涉及采矿作业的其他空气储存方案相比，含水层和枯竭的油气井通常按原样使用。 在含水层的首次设置过程中，注入空气以调节水位。对于油气井，设置可能涉及冲洗残留的碳氢化合物液体和气体。否则，在油井用于CAES系统之前未去除的残留碳氢化合物可能会混入储存的空气中，并在提取空气时释放，从而产生温室气体。
采矿作业留下的硬岩洞穴可用于空气储存。在某些情况下，可能必须密封矿区以防止泄漏。这种类型的地质对压缩空气储存很有吸引力，但合适的地点数量是有限的。可以使用标准采矿方法创建新洞穴，但成本可能高得令人望而却步，除非开采的材料具有更高的价值。
需要注意的是，盐穴和硬岩洞穴的大小可以调整为容纳提供指定能量容量（通过溶液或岩石开采）所需的压缩空气量。另一方面，含水层和枯竭油气井的最大体积是由地质条件决定的。如果所需的能量容量超过可用体积，则必须识别和开发相邻的地层。
有几个指标用于比较地下地层。第一个是评估和开发CAES系统的投资成本。这一成本包括钻探岩石样品和测试井、申请许可证、进行地震测试和测试注入等步骤的成本。大部分成本与能源容量有关，尽管一些成本（例如注入/提取井的钻探）与空气流量有关，因此与CAES系统的装机容量有关。其他指标是存储空气的最小压力和最大压力。需要最小压力来保持地下地层的结构完整性，并匹配最小涡轮输入压力。保持这种压力的气体称为缓冲气体，它被注入但从不被提取。最小压力通过考虑结构完整性或通过第一个膨胀设施的设计入口压力来设置，以较大者为准。最大压力由地下地层的物理特性决定。
其他指标是孔隙度和渗透率。孔隙率是材料中空白空间的大小。渗透率是衡量流体流过材料的难易程度。其材料可以是多孔的而不是可渗透的。含水层和枯竭的矿井充满了各种形状和大小的岩石，在它们之间的空隙和岩石本身可进入的孔隙中为空气留出了一些空间。低孔隙率意味着更少的空气体积。低渗透率意味着注入或抽出空气时的压力损失较高。可以降低空气流速以最小化压力损失，或者可以添加额外的注入/提取井。盐层和硬岩洞穴几乎完全是空的，因此在注入时抽取空气损失较低。
注入和抽取速率的另一个考虑因素是用于保持空气的地下地层的结构完整性。这会影响充放电循环频率，因此可能限制CAES系统的运行概况。
储存场地的自排放率也很重要，也就通过周围土壤的空气泄漏。在通常情况下，上覆岩石的渗透率不同于压缩空气所在地质层的渗透率。对于盐岩层和硬岩洞穴，泄漏率可能非常低。对于其他地下储气库方案，泄漏率取决于现场的具体情况。在任何情况下，CAES系统自放电率的主要因素可能是蓄热。研究文献表明，美国大部分地区用于构建CAES系统地质条件良好（图3.11）。文献还发现了其他国家的一些有利地质条件。然而，区域分析通常是在宏观层面上进行的，而技术和经济可行性则必须在特定地点进行评估。
图3.11美国用于构建CAES系统地质条件良好的地区
压缩空气最有利的存储类型是盐穴，因为盐穴的开发风险较低，内部压力损失最小，并且与频繁的充放电循环兼容。然而，CAES系统将不得不与盐穴的其他用途竞争：这种盐穴目前用于储存天然气和废物，而未来可能用于储存氢气和可能捕获的二氧化碳。尤其是氢气，而氢气对储存提出了挑战，因为它是一种小分子，可以很容易地在许多材料中扩散，并且具有化学和生物反应性。迄今为止，盐穴一直是地下储氢的首选方法，因为其他形式的储氢更容易泄漏，而且盐与氢的反应性较低。CAES系统的能量密度比化学储能系统低大约10倍，化学储能不仅限于发电，因为氢气和其他分子可用作化学过程的原料。因此，如果可用于储存应用的盐穴供应在地质上是有限的，那么化学能（即氢气）储存将是更高价值的，因此是首选，而不是用于CAES系统。
而多孔地质（包括含水层和枯竭的井）也被用来储存天然气，但这些设施是季节性循环的，而不是像CAES系统预期的那样每天或每周循环。由于化学键的高能量密度，储存天然气的循环频率低是经济的。对于依赖机械能的CAES系统，可能会根据现场条件进行更频繁的充放电循环。CAES的水力压裂可用于提高渗透率，但在该领域发表的研究报告很少。
在2009年至2016年期间，美国一家公司曾尝试为D-CAES项目开发废弃的天然气储层，但该努力并未超出征求建议书阶段，因为事实证明该项目在经济上与替代存储投标相比没有竞争力。虽然A-CAES可以缓解一些使该项目失去竞争力的技术问题，但在碳排放不显著的情况下，从储层中去除残留的甲烷将是一个仍然存在的挑战。
最近发表的一篇论文对含水层的CAES系统进行了研究。它讨论了相关分析研究，并总结了2003年提出的爱荷华州含水层和上世纪80年代初期伊利诺伊州含水层现场测试的结果。得出的结论是，主要挑战是含水层的地质异质性以及需要更好的建模和表征方法来准确评估给定含水层对CAES的适用性。在适当的条件下，多孔介质可能具有成本和性能特征，使其可用于地下空气储存。
除非可以从先前的研究中获得信息，否则必须为任何地下储存方案收集特定地点的数据以确定可行性。这需要数十万美元到数百万美元的前期投资，具体取决于所需的分析。虽然不能保证地下储存方案的可行性，但多孔介质储存地点的适用性将存在更大的不确定性。
总体而言，压缩空气储存最有利的选择是盐穴和废弃的硬岩矿山。这两者都有竞争用途的需求，例如化学储能，而且两者都供应有限。对于多孔介质，适用性取决于特定地点的条件以及确保由此产生的能量容量成本和对效率的影响是可接受的。从历史上看，在美国开发CAES项目的一些尝试低估了选址挑战。展望未来，需要对确定合适的地下储存地点的挑战进行更多研究，以评估CAES在电网规模储能中的作用是否更有意义。
（2）蓄热容量要求
如第3.3.4节所述，A-CAES系统要求压缩被储存起来，然后在压缩空气膨胀期间恢复。考虑到所涉及的高压和高温，使用加压容器进行蓄热是不切实际的。因此，热交换是必要的，因为可能在空气和蓄热器之间使用中间传热流体。300℃～400℃的温度是A-CAES系统的典型温度，这些温度低于第4章关于热储能系统的温度。尽管如此，整体设计过程是相同的，可以灵活地对蓄热材料、绝缘材料、容器、热交换器等做出不同的选择。主要区别在于较低的温度允许使用成本更低的材料储能，从而降低热储能成本。
尽管由于环境湿度的原因，水凝结会产生一些潜热，，但空气冷却主要是从空气中去除显热。虽然使用潜热或结合显热和潜热进行蓄热是可能的，但使用显热储存尽可能多地从压缩空气中回收热能可能是最具成本效益的。400℃的最高温度与使用导热油的聚光太阳能发电设施设计中的温度相当。尽管导热油可能是一种合适的传热流体，但它并不是成本最低的储能选择。其他选择是使用回收混凝土或废金属等材料的温跃层或固体存储。固体储能系统可以使用与传热流体的间接或直接接触热交换，这取决于两种材料的相容性。
（3）等容或等压压缩空气储存
在等容存储中，压缩空气的体积在压力变化时保持不变。McIntosh压缩空气储能系统和Huntorf压缩空气储能系统都在盐穴中使用等容储存技术。
等压储存系统使用流体（例如水）来将压缩空气并保持恒定压力。这种流体可以储存在地表的水池中，使静水压力等于地下地层中压缩空气的压力。在排放时，流体占据了之前被空气占据的体积，因此不需要采用缓冲气体，尽管最小存储压力仍受涡轮机所需输入压力的限制。因为等压储存设计可以保持恒定的高压，并减少了节流的需要。因此，等压储能系统可以实现比等容储能系统高2到3倍的能量密度。
虽然等压储存可以提供更高的能量密度，但压力补偿的选择流体有实际限制。在这个过程中，盐会溶解在水中，形成饱和盐水，腐蚀管道和电力设备。保护性涂层能够以额外的成本减轻腐蚀。另一种缓解方法是使用一层油来减少盐水蒸发到压缩空气中。或者可以使用水以外的液体，但它们必须便宜且无毒。由于这些原因，通常建议使用等压储存建议使用硬岩洞穴的项目。
例如再生混凝土或废金属。固态存储系统可以使用间接或直接与传热流体接触换热，但须符合两者的相容性材料。
图3.12 地面储气罐提供压力，以便在恒压下抽取空气
（未经允许，严禁转载，不足之处，欢迎批评指正，未完待续）
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