夠一座城用五小時，空氣“充電寶”進入儲能頭部

　　壓氣儲能的能量轉換效率是評估其性能的關鍵指標。傳統壓氣儲能存在能量損失和效率低的問題，而現代壓氣儲能系統通過帶儲熱系統提高轉換效率。非絕熱、絕熱和等溫非絕熱是三條技術路線，其中等溫非絕熱壓縮空氣儲能理論上轉換效率可達95%，但面臨技術和成本挑戰。

　　01“廢熱”的利用

　　上一期我們已經介紹了壓氣儲能的工作原理，這期要著重探究一下為什么壓氣儲能的轉換效率不高，又該如何提升。

　　能量轉換效率指的是，在能量儲存和釋放過程中實際可用的能量與輸入能量的比值，這一指標對于評估儲能技術的性能至關重要，因為它直接關系到系統在實際應用中的經濟性和可行性。

　　一般來說整個儲能系統綜合效率越高、收益就越高，以抽水蓄電站為例，若效率正好是75%，則在抽、發電上成本收益持平。

　　當然，綜合效率不僅僅包括能量轉換效率，還包括自放電率、循環效率等等，自放電率反映了儲能系統在靜置狀態下能量的自然損失，循環效率則考慮了儲能系統在多次充放電循環過程中的能量損失。

　　而壓氣儲能電站的綜合效率其實就是取決于能量轉換效率。按照壓氣儲能的工作流程，空氣要先被壓縮，這個階段溫度會升高并釋放熱量，這部分熱能本身其實就是電能的一部分，所以能不能好好處理這部分熱能，直接關系著整個壓氣儲能系統的能量轉換效率。

　　傳統壓氣儲能會將我們上面提到的熱能散去，這就直接造成了能源的損失，轉換效率也低，比如1978年在德國最早投入運行的亨托夫(Huntorf)壓氣儲能電站，它就不帶儲能系統，公開的轉換效率在40%左右、實際運行效率大概在29%左右。同時，在放能過程中，儲存于地下鹽穴的高壓空氣通過透平(渦輪)向外做功，以前為了提高效率，還會使用天然氣加熱空氣，這也不符合現在“雙碳”目標的實現。

　　不過，對于怎么利用這部分熱能已經有了明確的方式。

　　02　不斷提高轉換效率

　　現代壓氣儲能系統大多都是帶儲熱系統的，根據對熱能利用方式的不同，壓氣儲能大致分為三條技術路線：非絕熱壓縮空氣儲能(D-CAES)、絕熱壓縮空氣儲能(A-CAES)、等溫非絕熱壓縮空氣儲能(I-CAES)。

　　D-CAES是比較傳統的技術路線，就像上面提到的德國亨托夫壓氣儲能電站一樣，D-CAES的壓縮系統會配備冷卻器，將空氣壓縮產生的過多熱量作為廢熱釋放到大氣中，基本浪費了用于執行壓縮功的能量;壓縮空氣從儲氣室進入燃燒室后，也要利用天然氣等燃料進一步提高溫度，從而提升壓縮空氣的焓值并提高其做功能力，以達到提高循環效率的目的，也稱之為補燃式壓氣儲能。

　　如上所述，這種技術路線的能量轉換效率并不高，但優勢在于能提供更長的儲能時間——幾乎和抽水蓄能的時長相當，更容易滿足電力系統削峰填谷的需求，所以現在部分大規模儲能項目還是會考慮D-CAES技術。

　　而A-CAES應該是目前技術相對成熟且工程應用最多的非補燃式壓氣儲能系統，它的特點就是對壓氣熱能的回收利用。在儲能過程中，壓縮空氣產生的熱能會被回收儲存在某種比熱容較大的介質中，比如油(最高溫可以達到300℃)、熔鹽溶液(最高溫600℃)或者陶瓷等等;在發電過程中，再利用回收的熱能來加熱高壓空氣，形成高溫高壓空氣來驅動透平膨脹機發電。

　　理論上看，這種路線非常之理想：相對于傳統的D-CAES循環過程，A-CAES的儲存壓力和儲存溫度對循環效率沒有影響，實現了循環過程中的能量平衡，即無需再依賴外部輸入燃料。甚至能將壓縮空氣儲能的轉換效率提升到65%-70%。

　　但是A-CAES是先壓縮空氣，再回收熱能，這就要求其儲熱裝置、換熱裝置、膨脹機等重要部件要長時間在高溫條件下工作運行，對于機械的耐久性和穩定性要求較高，這就為其商業建設帶來了較高的初始成本和運維成本。

　　03　最先進的技術路線發展如何?

　　更進一步的方式也有，即等溫非絕熱壓縮空氣儲能(I-CAES)。I-CAES同樣用比熱容較大的介質儲存熱能，但和A-CAES不一樣，它是即時回收，也就是一邊壓縮空氣一邊回收，這樣不僅熱能回收了，空氣在壓縮過程中溫度其實還被控制在了一定范圍內。

　　再詳細一點來說，I-CAES其實是強化了氣水之間的換熱：借助液體介質比熱容大的特點，使氣體和液體接觸進行充分的熱質交換，將氣體在壓縮或者膨脹時溫度的變化控制在一個較小的范圍內，因此大大降低了空氣在運行過程中的溫度變化，同時也減少了額外能量損失，使高發電效率成為可能。

　　相關論文中也提到過轉換效率與溫度的關系。按照熱力學理論，等溫壓縮過程中消耗的壓縮功最小、等溫膨脹過程中產生的膨脹功最大。換句話說，I-CAES系統如果采用多級壓縮筒和膨脹筒以加強熱交換，保持系統運行過程中的等溫特性，那么整個系統幾乎不會有熱量散失，轉換效率可以高達95%。

　　當然，理論或實驗室的結果，在真正工程落地過程中一般都會打折，等溫壓氣儲能系統也不例外，最矚目的就是技術和成本問題。

　　首先，作為先進壓氣儲能技術的I-CAES，其大規模的等溫控制技術尚不成熟。比如要維持工作溫度，那么在儲能過程的往復式壓縮機中，就要通過使用帶翅片的活塞和低循環速度來實現，也就意味著I-CAES僅適用于僅適用于低功率水平或者說小容量的儲能場景，距離替代抽水蓄能還有一定距離。

　　考慮到如今在發電側，風電、光伏等可再生能源的大發展，使得電力系統波動性增強;在電能替代傳統能源消費的驅使下，用電側的居民用電峰谷差距持續拉大……新型電力系統的構建對靈活性資源的需求迫切，這也意味著，空氣壓縮儲能系統盡管還需要突破技術與成本的束縛，但未來發展的市場空間只會越來越大。