先进压缩空气储能系统——基础原理与应用

张新敬 ,  高梓玉 ,  周冰倩 ,  郭欢 ,  徐玉杰 ,  丁玉龙 ,  陈海生

工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 262 -287.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 262 -287. DOI: 10.1016/j.eng.2023.12.008
研究论文

先进压缩空气储能系统——基础原理与应用

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Advanced Compressed Air Energy Storage Systems: Fundamentals and Applications

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摘要

电力部门的脱碳对于可持续发展至关重要。太阳能和风能等低碳发电技术可以取代排放二氧化碳的能源（煤炭和天然气发电站）。作为可持续的工程实践，必须采用长时储能技术来管控可变可再生能源供应和电力需求之间的不平衡。压缩空气储能（CAES）是平衡这种不匹配的有效解决方案，适合用于未来的电力系统以实现可再生能源发电的高渗透率。本研究介绍了CAES，主要是先进CAES的最新进展。与亨托夫（Huntorf）和麦金托什（McIntosh）这两座使用传统化石燃料的商用CAES工厂相比，先进CAES是一种无需使用化石燃料的清洁能源技术。先进CAES包括绝热压缩空气储能、等温压缩空气储能、液态压缩空气储能、超临界压缩空气储能、水下压缩空气储能以及与其他技术相结合的CAES。本文简要讨论了这些先进CAES技术的原理和配置，并对包括理论研究、实验、示范和应用在内的最新技术进行了全面综述。比较、讨论并总结了这些CAES技术的技术成熟度、功率大小、储能容量、运行压力、往返效率、组件效率、运行时长和投资成本，汇总了其潜在的应用趋势。本文为开发新型CAES系统提供了全面的参考，并为未来的研究和开发提出了建议，旨在促进这些技术在从基础理论到实际应用等多个领域的应用。

Abstract

Decarbonization of the electric power sector is essential for sustainable development. Low-carbon generation technologies, such as solar and wind energy, can replace the CO2-emitting energy sources (coal and natural gas plants). As a sustainable engineering practice, long-duration energy storage technologies must be employed to manage imbalances in the variable renewable energy supply and electricity demand. Compressed air energy storage (CAES) is an effective solution for balancing this mismatch and therefore is suitable for use in future electrical systems to achieve a high penetration of renewable energy generation. This study introduces recent progress in CAES, mainly advanced CAES, which is a clean energy technology that eliminates the use of fossil fuels, compared with two commercial CAES plants at Huntorf and McIntosh which are conventional ones utilizing fossil fuels. Advanced CAES include adiabatic CAES, isothermal CAES, liquid air energy storage, supercritical CAES, underwater CAES, and CAES coupled with other technologies. The principles and configurations of these advanced CAES technologies are briefly discussed and a comprehensive review of the state-of-the-art technologies is presented, including theoretical studies, experiments, demonstrations, and applications. The comparison and discussion of these CAES technologies are summarized with a focus on technical maturity, power sizing, storage capacity, operation pressure, round-trip efficiency, efficiency of the components, operation duration, and investment cost. Potential application trends were compiled. This paper presents a comprehensive reference for developing novel CAES systems and makes recommendations for future research and development to facilitate their application in several areas, ranging from fundamentals to applications.

关键词

压缩空气储能 / 基础原理应用 / 技术参数 / 比较

Key words

Compressed air energy storage / Fundamentals / Applications / Technological parameters / Comparison

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张新敬,高梓玉,周冰倩,郭欢,徐玉杰,丁玉龙,陈海生. 先进压缩空气储能系统——基础原理与应用[J]. 工程（英文）, 2024, 34(3): 262-287 DOI:10.1016/j.eng.2023.12.008

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1 引言

第二十六、二十七次联合国气候大会缔约方会议（COP26、COP27）达成的《格拉斯哥气候公约》和埃及气候协议重申了将全球气温升幅限制在工业化前水平1.5 ℃以内的承诺。通过这些努力，联合国呼吁各缔约方加快技术的开发、部署和推广，并采取政策向低排放能源系统过渡，包括迅速扩大清洁能源发电和能效措施的部署规模[1‒3]。基于风能、太阳能和其他可再生能源的发电系统不会排放二氧化碳，随着其成本大幅降低，它们在全球范围内的应用会日益增多，预计将在未来的电力生产中占据很大份额[4‒5]。全球向脱碳能源系统转型的趋势也使得新兴的大规模和长时储能技术对于支持可再生能源的大规模部署至关重要[6‒8]。大规模电网储能有望成为电力系统可靠性的主要来源。2035年以后，电力系统对储能的需求将逐渐增加，到2035年，储能将转移约10%的电力需求[9]。美国能源部（DOE）编写的“储能大挑战”报告指出，在所有储能技术中，压缩空气储能（CAES）为大规模应用（超过100 MW和4 h）提供了最低的总安装成本。由于其单位能源资本成本低、循环/日历寿命长，它的平准化储能成本（LCOS）也最低[10]。

1.1 压缩空气储能的概念

压缩空气储能（CAES），作为一种长时储能技术，是消除用于发电的可再生能源系统间歇性和波动性的关键技术，有望加速可再生能源的渗透[7,11‒14]。CAES的概念源于燃气轮机循环，在这个循环中，压缩机（CMP）和涡轮机独立运行。在储能阶段，空气被压缩并借用额外的电力进行存储，压缩热被储存在热能储存（TES）单元中以备将来使用。在释能阶段，空气被释放出来，通过燃烧燃料或储存的热能加热来发电[13,15]。压缩空气通常被储存在地下洞穴或地面容器中[16‒17]。

压缩空气储能技术已经存在了四十多年。然而，只有德国（亨托夫CAES发电站）和美国（麦金托什CAES发电站）在运行完整规模的CAES系统，这些系统都是使用燃料运行的传统CAES系统[12,15]。亨托夫的290 MW CAES发电站于1978年投入使用，系统往返效率为42%。2006年，该发电站的功率增至320 MW [18]。为了提高其性能，Jafarizadeh等[19]提出了进一步的改进方案，包括使用换热器和涡轮膨胀机进行再生，利用蒸发冷却和蒸汽压缩制冷来冷却压缩过程。模拟结果表明，这种改进可将发电厂的往返效率提高到57.33% [19]。参考文献[20]讨论了商用和先进CAES系统通过各种改进，如增加设备的冶金耐受性、提高旋转设备的效率、提高换热器（HXs）的性能、引入不同的低温热回收循环，以及考虑CAES与工业设施和副产品混合使用的可能性，可以提高往返效率和应用的可行性[19‒20]。

然而，这两个非绝热式压缩空气储能系统（D-CAES）在储能时并不回收压缩热，并且在释能时使用化石燃料。因此，可以说这种系统更类似于燃气轮机技术，而不是纯粹的储能设备。最近的许多研究都集中在用于热机械储能的先进压缩空气储能技术上，因其已被证明具有提供低成本、大规模且无需化石燃料运行的潜力[21]。正如参考文献[22]中所讨论，压缩空气储能系统的能量密度和成本也需要被考虑。例如，液态空气储能（LAES）与压缩空气存储（CAS）相比，能够将存储体积减少至二十分之一。

近年来已开发出多种无需使用化石燃料的先进CAES系统，包括绝热压缩空气储能（ACAES）、等温压缩空气储能（ICAES）、水下压缩空气储能（UWCAES）、液态空气储能（LAES）和超临界压缩空气储能（SC-CAES）[18,23]。压缩空气储能被评估为在固定储能应用中抽水蓄能和锂离子电池储能的有力竞争者。美国能源部的一份报告预测，到2030年CAES的装机容量有可能达到大约60 GW·h，如图1所示[24]。

压缩空气储能的主要组件包括电机、压缩机、换热器、储气容器、膨胀机和发电机[25‒27]。CAES的研发（R&D）基于热力学循环设计与分析、组件设计与分析以及系统集成与示范。本文从系统描述、理论研究和实验与示范三个方面概述了先进压缩空气储能系统的最新研发情况。下文将介绍这些先进压缩空气储能技术（即绝热压缩空气储能、等温压缩空气储能、液态空气储能、超临界压缩空气储能、水下压缩空气储能以及与其他技术相结合的压缩空气储能）的主要特征和参数。

1.2 关于CAES的以往研究综述

许多研究人员从不同角度对CAES的研究进展进行了回顾和总结。我们对这些出版物进行了综述，主要结论如下。

Bazdar等[28]总结了CAES在集成能源系统中的应用，如CAES-有机朗肯循环（ORC）、海水淡化、生物质能、太阳能和风能系统。文中详细列出了集成系统的关键参数，包括往返效率、资本成本和㶲效率等。此外，还讨论了CAES的设计标准和应用潜力、规模设计优化以及CAES在微电网、配电网和能源市场环境中的作用。

Hamiche等[29]简要介绍了CAES技术的分类、各类CAES技术的特点以及全球的CAES项目。他们重点介绍了CAES技术的应用趋势，例如与太阳能光伏发电（PV）集成以增强智能电网的韧性并推进能源互联网的建设。

Borri等[30]简要概述了CAES技术的发展历程、分类、工作原理和应用，并运用文献计量学技术对Scopus数据库中检索到的2542篇文献从出版年份、出版国家和关键词三方面进行了分析。他们确定了CAES的研究趋势，其中包括非设计工况特性、用于热能储存开发的ACAES，以及CAES与冷热联供系统的集成相关的方面。

Matos等[31]重点关注全球的CAES项目，概述了不同国家报道的监管框架和政策，确定了储能系统开发过程中的驱动因素和障碍。

King等[32]简要描述了几种CAES技术和当前的大型CAES项目，并提出了几种利用地下特性储存压缩空气的方法。这篇综述着重于评估和比较在印度和英国的大规模应用中，将可再生能源发电系统与CAES发电站中的地下储能容量相结合的潜力。

Guo等[33]简要介绍了各种CAES技术的特点，并从三个方面回顾了CAES的最优设计：系统分析和优化方法、系统非设计工况特性和非设计工况下的设计方法。并且介绍了三个关键领域的挑战和发展趋势。

Gouda等[34]重点对CAES应用中的液体活塞（LP）技术进行了概括，并提供了有关LP内热力学、流体流动和传热机制的全面综合知识。特别关注热管理问题和由研究人员提出和实施的不同的实现高效增强传热的LPs措施。

Olabi等[35]描述了各种类型的CAES系统，并介绍了适用于各种CAES系统的不同组件（压缩机和膨胀机）。他们讨论了三类组件：往复式膨胀机、旋转式膨胀机和涡轮机。往复式和旋转式膨胀机适用于微型和小型CAES，而涡轮机则被认为更适用于大型CAES。往复式膨胀机运行条件是高压比和低转速，旋转式膨胀机是在中压比和低转速下运行，而涡轮机则建议在高转速和低压比条件下运行。文中还讨论了地下和地面CAS系统（如盐穴存储）的设计优缺点。此外，还探讨了系统的运行模式以及与储能系统相关的安全问题。

Zhou等[36]介绍了适用于CAES系统的热能存储（TES）技术。他们研究了往返效率与温度的关系，这一效率大约在50%~70%之间。他们对多种存储材料和配置进行了综述，包括显热存储、填充床热存储和潜热存储。Ali等[37]介绍了对储热材料和应用的见解，在CAES中应用的成本必须是可承受的。Gil等[38]对用于发电的高温热能存储进行了研究，并指出开发高效、经济的热能存储系统对于发电系统至关重要。

Zhang等[39]讨论并比较了CAES系统的动态运行控制策略，使CAES能够在适合平衡波动性可再生能源发电与客户需求的宽泛范围内运行。概述和总结了节流阀控制技术、喷射器技术、导叶调节技术以及开关阀减压膨胀技术，有助于针对各种能源系统应用集成和规划不同CAES系统的动态控制策略。

本文对先进CAES系统进行了全面的总结和描述，从理论和实验两方面展示了该技术的发展，并从技术成熟度、额定功率、往返效率和资本成本等方面对这些先进CAES系统进行了比较。详细的参数被汇总并在表中呈现。

表1 [28‒39]列出了本次综述与以往综述的对比情况。

1.3 本综述的新颖性

对第1.2节中的文献综述进行总结，指出了先进CAES研发中存在的以下空白点。

本综述的新颖之处概述如下。

（1）传统和先进CAES系统的系统性综述。作为一种清洁技术，先进的CAES系统近年来发展迅速，并在大规模应用中展现出巨大潜力。

（2）全面总结和阐述这些先进CAES系统的工作原理和特点，通过理论和实验研究促进了CAES系统的研发和示范应用。

（3）从不同的角度对先进的CAES技术进行了比较和讨论，并考虑了该领域提供的技术和经济指标，作为该领域的参考。

（4）在表格中首次全面综述、总结并比较了所有先进CAES技术的详细参数。

本研究旨在回顾先进CAES技术的近期研发进展，为学术界和工业界的研究人员提供一份有效的总结报告。本研究的其余部分组织结构如下：第2节简要介绍了CAES的一般原理和发展；第3节回顾并介绍了最先进的CAES技术及其基本原理和应用细节；第4节对上述比较和讨论进行总结；最后，第5节是本研究的结论。

2 CAES系统的一般原理和发展

2.1 传统CAES系统概述

第一座CAES发电站由布朗勃法瑞有限公司于1978年在德国亨托夫建成，名为“燃气轮机空气储能调峰发电站”。该系统的示意图见图2。该系统代表了第一代CAES技术。在储能阶段，空气首先被压缩，通过热交换器冷却，然后再次压缩。之后，空气被冷却到与环境温度相近的温度，并储存在地下洞穴中。在释能阶段，空气被释放到适当的压力，并在燃烧器（CMB）中与化石燃料一起燃烧。高压高温的空气驱动涡轮机发电。亨托夫发电站至今仍在使用，并在2006年从290 MW升级至321 MW。第二座发电站于1991年由美国南方电力公司在美国麦金托什建造，额定功率为110 MW [18]。随后，其他项目相继宣布。然而，迄今为止，只有少数几个大型CAES电站得到了开发。人们对非燃料消耗CAES进行了许多新的尝试，并将其归类为先进CAES系统。

2.2 CAES的发展历程

图3简要介绍了CAES的发展历程，图中上方展示了CAES在世界不同地区的发展趋势，图中下方对主要项目进行了总结和列举，如大型CAES项目。这些项目被分为两类：已实施项目和计划项目。1982年，美国首个220 MW的CAES设施是为伊利诺伊州的一家公用事业公司Soyland Power规划设计的，该公司还得到了密苏里州圣路易斯的环境科学与工程公司以及美国能源部通过太平洋西北实验室提供的资助与支持[40]。然而，由于电力需求的增长不如预期，这个计划中的CAES发电站在详细设计和评估后被取消[18]。2000年规划了一个2700 MW（300 MW × 9）的CAES商业设施项目，旨在利用废弃的石灰石矿，在日间和周间的周期内管理电力的时间价值。俄亥俄州的项目由Norton Energy Storage LLC承包，该公司还负责设计、建设和运营[41]。然而，由于开发商进展缓慢，该项目于2013年被俄亥俄州电力选址委员会终止[42]。2002年，爱荷华州市政公用事业协会开发了一个CAES项目，以确保中期电力供应，在进行多项研究后，最终选择了位于得梅因市附近的达拉斯中心地点，地处有利的风能区域边缘。此项目经过深入的经济研究、地质调查和项目营销后，由于地质条件的限制于2011年被终止[43]。2006年，亨托夫 CAES电站在运行28年后进行了改造，调整了进气温度和压力，输出功率从290 MW增至321 MW [18]。日本于2000年计划开发CAES，为此，进行了一项调查，钻探了深度为600 m的井，以评估CAES洞穴周围的沉积岩（主要由日本九州东北部的砾岩组成）[44]。

太平洋煤气电力公司（PG&E）获得了来自美国能源部和其他来源的资助，于2011年在加利福尼亚州圣华金县利用多孔岩石水库展示了一个300 MW-10 h的CAES [45]。PG&E的CAES项目计划分三个阶段进行：①项目定义和合规性；②工厂建设、调试和运行；③工厂监控和技术转让。项目预计到2021年投产，但最近没有关于该项目的更新公告。

2010年，德国RWE电力公司在ADELE项目中提出了先进的绝热压缩空气储能（ACAES）概念[18]。项目的发电量预计超过200 MW，总存储容量为1 GW·h [46‒47]，于2013年进入ADELE-ING的下一阶段[18]。该概念涉及高压和高温，并对压缩机、膨胀机和高温热能存储单元的主要组件进行了分析。然而，由于“不确定的商业环境”，这个项目在2017年陷入停滞[48]。

纽约州电力和燃气公司（New York State Electric & Gas）与联邦能源部合作开发了高效的储能系统，并于2010年在纽约州Seneca湖边启动了一个150 MW的利用盐穴进行空气存储的CAES示范项目[49]。该项目包括三个阶段：第一阶段是开发前端工程设计，包括项目资本成本；第二阶段是完成工厂建设，目标是在2016年年中投入使用；第三阶段是实现商业示范、测试并提供两年的性能报告。虽然第一阶段已如期完成，但其余两个阶段被取消[49‒50]。Apex Bethel能源中心（BEC）有限责任公司（Apex）于2013年提出在得克萨斯州安德森县建造BEC，这是一座317 MW的CAES设施，计划于2020年投入使用，其主要应用包括黑启动、频率调节、爬坡能力和可再生能源时移[18,32]。然而，目前还没有关于该电站状况的官方消息。

SustainX于2013年开发了一个1.5 MW的ICAES示范项目[51]。Highview Power公司与利兹大学（后至伯明翰大学）的丁教授合作，于2012年在伦敦开发了一个350 kW的LAES示范项目[52]。中国科学院理化技术研究所的研究人员于2014年在中国芜湖开发了一个500 kW的CAES系统[53]。2017年日本在静冈县安装了一座1 MW的CAES电站，毗邻东京电力公司旗下的伊豆风电场[54]。该电站有两个500kW的基本单元，可实现最大1 MW的储释能功率。日本经济产业省于2017年3月对该CAES发电站的预运行情况进行了检查。该电站运行了一年半，并于2018年10月停止运行[54]。Hydrostor公司于2019年在加拿大安大略省Goderich牵头建设了一座1.75 MW的CAES示范项目[55]。Hydrostor公司宣布将在美国加利福尼亚州克恩县建造一座500 MW的CAES设施，计划在北爱尔兰拉恩建造一座330 MW的CAES发电站，配备两列165 MW的机组，利用地下盐层进行储能[18]。研究人员对大规模CAES进行了基础研究，并考察了盐穴的地质条件。负责此项目的Gaelectric Energy Storage公司最终撤回了其规划申请[56]。Augwind是一家成立于2012年的以色列技术公司，宣布其在以色列Arava沙漠的小型空气电池储能试点项目已接近完工。

自2010年以来，中国科学院工程热物理研究所（IET）的一个团队开发出了新型CAES。Chen等[57]首次提出超临界压缩空气储能系统（SC-CAES）。该团队开发了从小型到大型的各种先进CAES，包括1.5 MW、10.0 MW和100.0 MW的示范项目。具体过程如下。

表2列出并比较了上述项目[18,32,40,41,43,45,48‒50]。

3 最先进的CAES系统

3.1 带热能储存的CAES系统

3.1.1 系统原理

带热能储存的CAES系统无需添加燃料。在压缩空气时产生的压缩热被储存起来，并在释能过程中重新利用（图4）。如图4所示，绝热压缩空气储能系统（ACAES）包括一个单级压缩机和一个膨胀机。当压力超过10 MPa时，空气温度会超过800 K。这导致系统结构紧凑且需要高温热能存储。另一种类型如图5所示，它有两级或更多级的压缩机和膨胀机。每级的压力比和热能存储的温度都低于ACAES [18]。热能存储还可储存其他来源的热能，如太阳能和废热，以提高系统效率。因此，热能存储的温度与压缩机的级数有关；压缩机的级数越低，热能存储的温度越高。热能存储的温度范围一般为370~800 K。热能存储的材料可以是固体、流体或固液混合物，配置有两种类型：使用流体热能存储的材料的双储罐和使用固体热能存储的材料的填充床[36]。最新研究表明，ACAES系统的往返效率在60%~80%之间，能量密度在1.8~72.0 MJ·m-3之间[18,58]。

3.1.2 理论研究

绝热压缩空气储能（ACAES）于1976年问世，其理论往返效率高达73% [59]。研究人员针对压缩机/膨胀机级数、空气温度、换热器效能、动态运行和建模等方面进行了理论研究，对具有五级压缩机和五级膨胀机的ACAES系统进行了模拟。储能温度约为400 K，在此温度下，目前的工业中可以使用换热器、压缩机和热能储存材料[18]。整个系统的运行包括启动、停止、动态运行、部分负荷运行、组件的热惯性以及管道和换热器的体积效应等操作。通过对这些因素的综合分析，得出结论：启动时间约为4.50分钟；系统往返效率为71.79%，且㶲损失分布如下：压缩机9.24%，膨胀机6.84%，压缩机换热器4.17%，压缩机换热器2.50%，节流阀3.64%，ACAES系统的其他设备约1.00% [60]。

有限时间热力学方法涉及循环中的时间和尺寸因素。考虑到储释能过程、热传递和储存以及空气储存的特性，该方法适合于分析和优化CAES系统[61]。分析说明了压缩压力比与膨胀压力比、压缩机效率与膨胀机效率、储存温度与热释放温度对往返效率的影响。该方法及其结果为提高ACAES系统的性能提供了设计细节[61]。

热能储存的选择对于ACAES（或CAES-TES）的整体性能至关重要。对于这些材料，主要的热能储存有三种：显热、潜热和热化学储能[62]。根据工作温度，它们可分为三种类型。第一种是高温系统，储存温度高于400 ℃。对于这样的高温，建议使用岩石作为材料。研究项目ADELE就采用了这种高温热能储存系统，其往返效率估计为70% [46]。熔盐是温度高于400 ℃时的最佳商用合理热能储存材料之一[63]，而相变热能储存材料如太阳盐（NaNO3∶KNO3, 60∶40, 质量分数），如工作温度在290~565 ℃之间，可用于聚光太阳能（CSP）发电厂。熔融氯化物盐由于其优异的热性能和低成本，被认为是下一代熔盐技术中最有前途的热能储存材料，其工作温度可高达750 ℃ [63]。第二种是中温工艺，储存温度在200~400 ℃之间。虽然循环效率略低，但可以通过使用现成的压缩机技术和热能储存介质（如熔盐或热油）来弥补，这些介质已在类似应用中得到使用。热油和岩床适用于中高温热能储存（400 ℃以下）[38,63]。第三种是低温工艺，储存温度低于200 ℃。低温ACAES的主要优点是适用于液态热能储存介质，这种介质可以泵送，从而可以利用普通的换热器，并且可以使用现成的压缩和膨胀设备。水是相对高热容量的最容易获得且经济的合理热能储存选择，适用于低温热能储存（低于200 ℃）[36]。

ACAES所需的换热器也是高度非标准的，与压缩机/膨胀机一样，必须在可变质量流量的情况下运行，这对设计和控制都是一个挑战[64]。此外，与传统的后冷却器相比，ACAES需要更大的接触面积，因此需确保这不会导致所有换热阶段的压力损失过大。控制换热器的平衡也是一项挑战[65]。

3.1.3 实验与示范系统

CAES要求压缩机和膨胀机需要满足效率高、工作范围宽的要求。通过对内部流动特征和空气动力性能进行研究，得出效率大于90%的结果[66]。为了提高工作范围，研究人员对各种策略进行了研究。例如，通过适当调整导向叶片，可以将压缩机的流量范围提高31.5%，压力比范围提高427.4% [67]。Meng等人[68‒69]建造了一个高压压缩机试验台（图6），并对结果进行了实验验证。

研究人员建造了一个ACAES中试规模示范项目。不过，这项研究主要关注安装在储气洞中的填充床显性/惰性热能储存设备[70‒71]。结果表明，在温度高达820 K的情况下，该设备的储能容量为12 MW·h，热能储存效率介于76%~90%之间。这种ACAES的往返效率为63%~74% [70‒71]。

十年前，德国的ADELE计划建造一个大型ACAES项目，利用填充床热能储存系统，储存压力约为10~20 MPa，储存温度约为920 K [72]。然而，由于热能储存材料和压缩机面临高温要求的技术挑战，项目被部分取消[18]。EDF公司计划通过在其现有的储气设施中储存空气来开发CAES技术。EDF的初步计划是在2023年评估一座5 MW的发电厂，然后研究如何将其扩大（100 MW以上）的方案[73]。IET也展示了ACAES项目。其中一个是2013年在中国廊坊市建成的1.5 MW系统，另一个是2016年在中国毕节市建成的往返效率为60.2%的10 MW系统（图7）[36]。廊坊市的1.5 MW系统具有双循环功能，因此也可作为SC-CAES运行（详见第3.4节）。此外，2021年，IET在中国肥城市完成了一个10 MW的ACAES系统的商业示范并并网发电（图8），并在中国张北县建造了一个100 MW的ACAES系统目前正在调试中（如图9所示），其往返效率约为70%。

3.2 等温CAES

3.2.1 系统原理

等温压缩空气储能系统（ICAES）如图10所示。在储能过程中，环境空气被压缩，压缩热直接或间接传递到热容量高的液体中。在释能过程中，压缩空气驱动膨胀机，多余的热量直接或间接地从热容量高的液体传递到空气中，类似于等温压缩机。在等温压缩机和膨胀机之后安装了分离器，以排出空气中的液体。理想的ICAES系统效率可高达90%，能量密度可高达47 kW·h-1·m-3 [18,74‒75]。一般来说，ICAES的往返效率和能量密度范围分别为66.0%~96.0%和3.6~90.0 MJ·m-3 [18,77]。

3.2.2 理论研究

在热传递方面，有两种实现等温压缩和膨胀的方法：压缩机/膨胀机表面加热（间接热传递）和二次流体加热（直接热传递）[78]。对于直接热传递，液体被注入气流中，两种流体在压缩和膨胀后分离。对于间接热传递，流体流经组件周围，通过组件壁和某些装置（如多孔介质内部）吸收压缩热或加热膨胀空气。或者，将压缩/膨胀过程分为多个阶段，因此，在每级压缩机之后，空气通过中间冷却器冷却，而在每级压缩机之前，空气通过中间加热器进行加热。

研究人员提出了一种利用直接热传递实现等温过程的离岸等温压缩空气储能（OICAES）系统[79]，并研究了一个200 MW的ICAES的案例。结果表明，储能容量和功率传输速率会影响OICAES的效率，效率在61%~82%之间。对于一个10 h运行时间的200 MW系统，其投资成本为1457 美元·kW-1，即145.7 美元·kW-1·h-1 [79]。

与传统的容积式机械的固体（金属）活塞相比，液体活塞（LP）利用液柱（通常是水）来压缩空气或膨胀空气，以进行储能或释能[34]。液体活塞的主要优点是可以避免气体泄漏，并在很大程度上减少了摩擦造成的损耗，因此效率高于固体活塞机械[34]。图11 [80]展示了一个采用液体活塞和喷雾冷却技术以加强热传递的等温压缩空气储能系统，主要包括一个蓄冷储热罐（CAS tank）、两个用于压缩/膨胀空气的工作气缸、一个用于水流的可逆液压泵/涡轮机、一个用于储存/发电的电动机/发电机和两个用于喷水的水泵。该系统以空气作为储能介质，水作为发电介质。在储能期间，两个气缸都会产生压缩空气，并将其输送到蓄冷储热罐中。当A气缸处于空气压缩过程时，B气缸中的水通过液压泵泵入A气缸，而B气缸则通过吸入环境空气进行工作。随后，两个气缸在下一个循环中改变运行模式，这样就实现了持续的能量储存。在释能期间，压缩空气进入B气缸，推动水位上升，通过液压涡轮机发电。水从B气缸流入A气缸，将膨胀的空气推出。随后，两个气缸在下一个循环中改变运行模式。这两个气缸在所有阀门打开或关闭的情况下单独运行，以产生压缩空气和电力。气压为10 MPa，往返效率达到76% [80]。

3.2.3 实验与示范系统

美国橡树岭国家实验室最近提出了一种地面集成式多元储能（GLIDES）系统，通过气体压缩来储存能量。该系统的原型已经建成并进行了测试[77,81‒83]。该系统采用液体活塞和液压机在高压容器内实现等温压缩和膨胀，高压容器密封了活塞和气缸之间的泄漏[77]，存储压力在20~30 MPa之间。预计该系统可实现66%~82%的往返效率，能量密度在2.46~3.59 MJ·m-3之间。橡树岭国家实验室开发的原型可产生2 kW的电力。实验中的电往返效率表明，在峰值压力限制为13 MPa的情况下，其效率分别为24%和97%（图12 [82]）[77,81‒83]。

研究人员通过不同喷嘴喷射水滴的方式，对一种等温压缩机进行了研究。气缸排气温度比近绝热压缩的温度低50 K甚至更多，多变指数降至1.161 [84]。研究人员开发并测试了等温膨胀机，如图13所示[85]。通过向气缸喷射微小水滴实现了直接热传递。他们得出结论，比功增加了15.7% [85]。

为了研究对流热传递并关联等温压缩建模的方程，构建了一个液体活塞压缩机实验装置[86]。该容积泵功率为4 kW，可在U pist ∈ [0.08~1.20] m·s-1的较大速度范围内驱动液体活塞以近乎恒定的速度运动。压缩室的长度在2.00~6.00 m之间，平均直径为0.03~0.10 m。结果表明，当活塞速度约为0.125 m·s-1时，空气温度和压力在开始时平缓上升，并从底部快速上升到顶部。空气和水之间的能量通量从100 W增至600 W，努塞尔数从大约20增至160 [86]。无论是用于冷却压缩系统还是用于维持空气压力，海洋环境对于CAES都具有显著优势。REMORA [86‒87]是法国Segula Technologies公司获得专利的一种新型等温压缩空气储能系统。REMORA的工作原理是利用液体活塞技术在恒温条件下压缩空气，将能量储存在安装在海底的储气罐中，并将高压空气储存在水下储气罐中。这一概念特别适合海洋能源的大规模储存。Segula Technologies公司提出了一个ICAES系统，该系统由一个15 MW的浮动平台和储能90 MW·h的水下储气罐组成，可回馈所储存电力的70%，该团队目前正在实验室研究压缩空气室[86‒87]。Segula Technologies公司的Maisonnave等[87]简要介绍了该系统的工作原理，并提出了一种高效的平台布局方案，将能量转换系统细分为不同的功率范围，以最大限度地减少能量损失并优化该动力系统的开发。REMORA技术研发（SEGULA 公司）的研究人员Neu等[86]对液体活塞的热传递特性进行了大量研究。通过分析大型压缩室液体活塞空气压缩的实验结果发现，可以通过修改实验参数（如压缩室的长度、直径、压力和液体活塞速度）来提高接近等温压缩的可能性。通过雷诺数、普朗特数和几何比建立了参数与对流热传递特性之间的相关性，以预测努塞尔数。随后，利用二维粒子图像测速（PIV）技术[88]进一步研究了液体活塞中空气的内部流动结构，该技术通过测量在压缩过程中可以重复产生的两种连续流态的存在来进行研究。实验装置包括一个长0.906 m、直径0.0518 m的压缩室，活塞的运动速度为0.0333 m·s-1。第一阶段是可重复的轴对称阶段，由一个中心加速柱和一个环形反向流组成。从活塞冲程的24%位移点开始，流动在高剪切区变得不稳定，形成了典型的开尔文-亥姆霍兹不稳定结构和高度混乱的混合态。Gouda等[89]研究了利用有限体积法（FVM）和流体体积法（VOF）建立低压压缩机的三维计算流体动力学（CFD）模型。研究结果与现有实验数据进行了对比验证，结果表明压缩过程中存在不同的流动模式。轴对称流动结构的建立、演变和向完全混沌流动结构的转变与Neu和Subrenat在参考文献[88]中的实验结果一致。最近，Gouda等[90]结合CFD模拟和实验测试，研究了由低压空气压缩、等容冷却和膨胀（CCE）阶段组成的完整热力学循环的流动模式和热传递特性。对不同气流模式、转换和循环阶段的温度场进行了可视化、分析和比较。结果表明，在膨胀阶段，轴对称流动结构的快速建立、演变和破坏可被确定为完全混沌的流动结构。在测试的活塞速度（0.033 m·s-1）和压缩/膨胀比（CR = ER = 4.8）下，液体活塞可实现近等温的循环，并具有较高的压缩效率、膨胀效率和整体效率（η c = 91.2%，η e = 94.7%，η cycle = 86.3%）。数值参数研究结果表明，较低的壁温可略微提高压缩和膨胀效率，而较慢的活塞速度则有利于提高整体效率。

压缩和膨胀气缸内的多孔介质扩大了热传递表面并增强了热传递效果。研究人员对压缩（压力比为10）和膨胀（压力比为6）过程都进行了测试[91]。在压缩气缸中，在95%的效率下，使用这些多孔介质后，功率密度提高了39倍；在功率密度为100 kW·m-3时，效率提高了18%。在膨胀气缸中，多孔介质在89%的效率下将功率密度提高了三倍。这些介质还可以在给定功率密度下帮助提高效率，在功率密度为150 kW·m-3时，膨胀效率可从83%提高到90% [91‒93]。图14展示了带有金属丝网片的液体活塞压缩机的实验装置[94]。压缩室由聚碳酸酯制成，直径88 mm，高170 mm，安装在气缸内。大气被压缩至约0.28 MPa。实验结果表明，使用金属丝网可将空气峰值温度降低26~33 K。据观察，金属丝网可将等温压缩效率从基础效率82%~84%提高到88%~90% [94]。

SustainX建立了一个1.5 MW的ICAES示范装置，开发了一种水基泡沫热传递方法，用于气缸内部，以提高压缩机/膨胀机的等温效率。ICAES的理论往返效率约为100%。1.5 MW原型机的测试结果表明，其往返效率为54% [51]。不过，最近还没有关于SustainX的进展报告。

3.3 液态空气储能

3.3.1 系统原理

LAES的示意图如图15所示[95‒98]。在储能过程中，净化后的空气经过多级压缩，再通过储存的冷能和循环冷空气进行冷却。然后，空气流经低温涡轮机或焦耳-汤姆逊节流阀，变成液态空气储存在低温（Cyro）罐中（约78 K和接近环境压力）。压缩热被储存起来备用。液化后的空气体积减少了700倍[99]。储能过程与液化工业密切相关，通常涉及传统的空气液化技术。在储能过程中，次临界工作压力约为0.6~1.0 MPa。

空气首先被压缩、冷却，直到达到液态，通常是利用简单的林德-汉普森循环、预冷林德循环、双压林德循环和简单克劳德循环等循环来进行空气液化，如图16所示[52]。这是一种自制冷工艺，先对一股压缩空气进行冷却，然后通过节流阀节流或在膨胀机中膨胀从而产生温度较低的冷却剂，用来冷却主气流[98,100]。英国Highview电力公司的首个LAES试点示范电站表明，单独的一股气流被提取出来并膨胀成冷却剂[100]。该冷却剂流被移除后，液态空气量与进入系统的总空气量相比有所减少。这些传统的空气液化技术使得LAES的往返效率较低[99,101‒102]。在释能过程中，液态空气被泵送到更高的压力并输送到一个冷藏装置中。液态空气的冷能被转移并储存起来备用。液态空气被气化，空气再次被储存的热量或其他热源加热，并进入膨胀机发电。由于液态空气的密度远高于压缩空气，因此存储体积可以减少至原来的1/20。能量密度约为120~200 kW·h·m-3，大型系统的往返效率估计约为50%~60%。如果添加额外的热量，效率可超过70% [52,96,98,103‒105]。

3.3.2 理论研究

1977年，纽卡斯尔大学的Smith首次提出了LAES概念，用于电力调峰[106]。学术界和工业界的研究人员对LAES的基本原理和应用进行了研究。在大约73 K的温度下储存和再利用高等级冷能，以及研究合适和高效的冷储存材料，对于提高系统性能至关重要[103]。参考文献[107]介绍了LAES系统配置，还讨论了其工作原理、冷能存储装置和系统性能。该研究得出结论，在发电过程中再利用液态空气的冷能，可以使往返效率提高一倍，而无需再利用冷能，该系统的效率超过70% [107]。LAES系统通常采用填充床冷能储存配置，热效率高达85%以上[103]。研究人员还研究了压力为0.1 MPa和6.5 MPa、最低温度为78 K的花岗岩卵石填充床中的温度分布和变化，揭示了储释能过程中瞬态温度的温跃层行为[108]。由于系统中使用了许多换热器，换热器的不同夹点温差影响了往返效率。热力学分析表明，对于5~15 K的夹点温差，温度降低5 K会导致往返效率下降2.2%。然而，由于热传递面积较大，较小的夹点温差需要较高成本的换热器。热力学性能和经济性之间应保持平衡[52,104]。

LAES的应用也得到了广泛的研究，如将液态空气/氮气作为能量载体来存储可再生能源并将其传输到其他地方，以及提供调峰、冷链运输、黑启动、调频和氨合成等多功能服务[97]。研究人员提出了一种LAES与核电站的混合系统（LAES-NPP），该系统将核电站在非高峰时段产生的剩余电力进行储存，并通过回收核电站的废热来提高LAES的往返效率[图17 [109]]，往返效率为71% [109]。由于LAES的温度区域很大，没有单一流体能将其完全覆盖。因此，利用两种不同流体（丙烷和甲醇）的组合来储存和回收冷能（高级冷储存），同时将其用作热传递的工作流体，以及具有高热容量的蓄冷介质。空气以液态储存，与使用卵石或混凝土作为介质相比，储存体积减少至十分之一[103,109]。有人提出并分析了一种解耦LAES系统，其中液态空气由可再生能源丰富的地区产生，并被输送到最终使用地点[110]。在释能过程中，利用低温热电发电（TEG）方法可有效回收冷能。虽然与传统的低温朗肯循环（RC）的39.5%的热效率相比，低温热电发电的热效率较低，仅为9.0%，但其经济效益更好。低温热电发电的平准化度电成本可低至0.0218 美元·(kW·h)-1，几乎是低温朗肯循环的四分之一。解耦LAES系统实现了29%的电气往返效率和50%的联合供冷供电效率[110]。

3.3.3 实验与示范系统

由于利兹大学（英国）、伯明翰大学（英国）和Highview Power公司的合作研究，LAES的技术开发取得了重大进展。2012年在伦敦建造了一座350.0 kW/2.5 MW·h的LAES试验电站[111]。由于电站规模较小，很多冷能没有回收，因此测得的往返效率为8%。然而，根据优化工艺模型预测，净往返效率可达60% [100]。这座LAES工厂最初建于伦敦，后搬迁至伯明翰大学伯明翰储能中心，由丁玉龙教授领导（图18）[52]。2018年，Highview Power公司继续在曼彻斯特开发一座准商业化的LAES电站（5 MW/15 MW·h）[97]。根据Highview Power公司的公告，该商业示范项目于2020年投入使用。Highview Power公司还宣布于2020年建造第一座商业化的LAES电站（50 MW/250 MW·h），后来，规模从250 MW·h扩大到300 MW·h。预计该电站将于2024年投入运营[98]。

3.4 超临界CAES

3.4.1 系统原理

如图19所示，SC-CAES结合了ACAES和LAES系统的特点[112]。SC-CAES的概念由Chen等[57]提出，利用流体的超临界特性（空气、温度高于132 K，压力高于3.79 MPa）来提高整个系统的性能。在储能过程中，空气被加压并冷却成液态，然后利用调节阀或低温涡轮机来降低压力和温度。生成的液态空气和压缩热分别储存。与LAES不同的是，没有单独的液流作为冷却剂产生冷却能量。液态空气在释能过程中产生的冷能被储存起来，并在储能过程中加以利用。在释能过程中，液态空气被泵送至超临界状态以上的一定压力，吸收储存的热量并储存液态空气的冷能。增压后的空气进入涡轮机发电。在超临界状态下，空气压力通常高于3.79 MPa，空气温度通常高于132 K。压缩机/膨胀机单元的总体压缩/膨胀比为38~340。储能过程中的压力比明显高于LAES [57,112‒113]。在超临界条件下，与液态空气或压缩空气相比，传热系数得到提高，这是提高整个系统性能的一个有效因素，因为该系统具有较大的冷热能储存能力[108,112,114]。系统能量密度高达3.46 × 105 kJ·m-3，约为传统CAES的20倍。因此，不需要大型洞穴[112]。SC-CAES系统的往返效率范围为52%~71%，能量密度与LAES相似[112‒113]。

3.4.2 理论和实验研究

此外，还进行了热力学解析解和㶲分析，所提出的解析解可精确预测SC-CAES系统。另外，它还适用于模拟其他类型的CAES。他们得出的结论是，冷能储存和液化是影响系统总㶲损失的主要因素[113]。

在SC-CAES系统中，研究了将节流阀替换为液力涡轮机作为能量回收装置的方法[115‒116]。通过该方法可以减少整个SC-CAES的㶲损失。研究人员进行了模拟和实验，他们得出结论，在设计转速为25 017 r·min-1时，液体涡轮机的效率为92% [116]。通过模拟和实验比较分析了SC-CAES系统中不同的冷储材料[117]，在对13种冷储材料进行比较分析后，选择了氯化钠作为适合SC-CAES的冷储材料。实验结果表明，氯化钠颗粒的密度为2.1589 g·cm-3，在77.15 K和293.15 K条件下测得的抗压强度分别为6.25 MPa和24.45 MPa。氯化钠颗粒在测试温度范围内的平均比热为0.81 J·g-1·K-1（-140~40 ℃）。同时，在储存温度范围内，热导率系数的平均值为5.8576 W·m-1·K-1。由此可以得出结论，所设计的氯化钠颗粒适合在SC-CAES系统中长期和大规模运行[117]。在廊坊市展示了一个1.5 MW的SC-CAES（图20），它可以实现超临界过程，系统往返效率达到52.1%。

3.5 水下CAES

3.5.1 系统原理

图21展示了一个水下压缩空气储能系统（UWCAES）[118]，它将压缩空气储存在水下深处以产生静水压力[119‒120]。UWCAES包括一些水上设施和水下的储气罐。这些水上设施与其他CAES系统类似，包括压缩机、膨胀机、换热器、热能储存单元等。储气罐安装在水下，水深使空气保持恒压。该系统也可简称为CAES-P。在恒压条件下，压缩机（储能）和膨胀机（释能）的运行效率相对较高，从而实现了较高的往返效率。热力学和经济学分析表明，该系统效率为70.7%，能量密度为26.07 MJ·m-3，对于一个10 MW-4 h系统的投资为398.3万美元[121]。他们的结论是，当释能压力和管道直径增大时，系统效率逐渐提高，然后趋于平稳。如果管道直径极小，则会影响流动特性。因此，水下管道越长，系统效率越低[120]。根据文献综述，UWCAES的往返效率变化范围在62%~81%之间，能量密度范围在26~48 MJ·m-3之间[119,121]。

3.5.2 理论和实验研究

研究人员对一台2-MW的UWCAES系统进行了高级㶲分析。该系统包括一个三级压缩机和一个带级间换热器的三级膨胀机[122]。在不可避免和实际条件下的存储压力分别为2.08和2.61 MPa。通过高级㶲分析，确定不可避免条件下的总㶲效率为84.3%。然而，在利用传统㶲分析和实际情况下，总㶲效率为53.6%。主要的㶲损失发生在末级压缩机，其次是第一级空气膨胀机。此外，这些换热器造成了大约30%的总㶲损失[122]。

储气罐可以是刚性的（人造混凝土洞穴），也可以是柔性的（织物气囊）。储气罐必须能够适应海水环境，具有足够的强度、密封性、防腐性和抗水下生物侵蚀性[118,123‒125]。图22 [118]展示了一个带有等压储库的UWCAES。在释能或储能过程中，水通过压舱物流入或流出水下储库，以保持恒定的气压。Seymour提议用一个尺寸为30 m × 8 m × 300 m的混凝土罐作为储气罐[123]。Garvey利用涂层织物制造了一个南瓜大小的柔性气囊来储存压缩空气[123]。首先在水面下2.4 m的水箱中对一个直径为1.8 m的气囊进行了测试。储释能循环次数达到425次。随后，一个直径为5 m的新气囊被放置在25 m深的水中，但可能出现泄漏问题[126]。

2015年，Hydrostor公司在安大略湖一个1.75 MW的试点电站安装了多个刚性沉箱。空气被储存在安大略湖水面下约60 m的水下空气储存沉箱中。

4 与其他系统集成的CAES

一般来说，CAES耦合系统有两类：一种是与其他动力循环耦合的CAES，如燃气轮机、燃煤电厂和可再生能源；另一种是与其他储能技术耦合的CAES [127‒128]。当与其他动力循环耦合时，可通过CAES循环回收废热从而提高其性能，而且扩展了耦合系统的运行范围。CAES还可与风能、太阳能和生物质能等可再生能源耦合，使这些能源更加可用和可调节。

混合储能系统结合了不同的储能技术，以发掘这些优势。例如，长持续时间型的CAES，如抽水蓄能，可以与短持续时间型的飞轮储能、超级电容器等相结合。这样，储能系统可以安装在多种场景中，实现额外的功能[129]。

4.1 与其他动力循环耦合的CAES

基于GE7FA燃气轮机研究了CAES-燃气轮机耦合系统，如图23所示[130]，输出功率增加了26.7%，热耗率kJ·（kW·h）-1降低了36.5%。对基于耦合系统的三联发电系统进行了分析[131]，与传统的冷热电联产（CCHP）相比，在典型的日需求量下，耦合系统中燃气轮机的额定功率降低了30.4%，节能率为29.4% [131]。CAES还可以集成到以柴油机为核心发电机的分布式发电系统中[27]。由于负荷波动范围较大，储能系统有助于维持核心发动机的稳定运行。该系统还可以减少发动机的装机功率，因压缩空气储能可以满足峰值需求。根据廊坊1.5-MW CAES系统的实验结果，所提出的混合系统的核心发动机功率降低了35.30%，节油率为11.06% [27]。在燃煤发电厂中增加一个CAES，可以高效率地增加其运行效率范围，并提供负荷跟踪能力。它可以解耦热电联产（CHP）的热电容量，以适应未来高效、灵活的电网系统[3,132‒133]。研究人员提出了一种耦合系统，如图24所示[132]，该耦合系统的㶲效率提高了4.0%~31.4%，热电比显著提高[132‒133]。有人提出了一种与燃煤发电厂相结合的先进压缩空气储能系统（CFPP-CAES），从而形成了一个三联发电系统。对示例方案进行的详细热力学分析表明，每个循环可节省2.85 t煤，往返效率比独立CAES系统提高了2.24% [134]。为了将传统电力循环与可再生能源相结合，有人提出了一种将CAES与太阳能相结合的冷热电联产系统，如图25所示[135]。引入太阳能来加热储气室中的高压空气，以提高涡轮机的进气温度。引入有机朗肯循环（ORC）来回收空气涡轮机排气所携带的热量。这种混合系统提高了冷热电联产系统的性能，整个系统可在非设计条件下的较大功率范围内运行。S-CAES-ORC系统的㶲效率达到了68.94%。以一座180 000 m2的酒店建筑为例，研究结果表明S-CCHP-CAES-ORC系统的能耗可减少124.78 GJ，在典型的一天中平均能效提高了7.72% [135]。

为了解决风力发电与用户负荷之间的波动和不匹配问题，CAES充当平衡这种不匹配的角色。将CAES集成到风力发电后，风力发电渗透率可高达80%，远高于没有储能时的40% [136]。CAES还可与太阳能和生物质能耦合。太阳能CAES系统消除了传统CAES的压缩热损失，提高了太阳能发电的质量[137]。带有额外太阳能热量的ACAES系统效率更高，往返效率提高了9% [138]。如图26所示，为与风力发电集成，提出了一种可变配置的新型CAES系统。压缩机和膨胀机链被设计为低压段和高压段，两者之间有一个储气罐，这使得压缩机和膨胀机可根据压力值和额定功率以并联或串联模式运行[139]。以一个49.5 MW的风电场为例，CAES 40.00 MW的压缩和30.00 MW的膨胀可产生18.64 MW的稳定输出功率，往返效率为60.9%。风电削减率从83.71%降至28.98% [139]。人们还研究了CAES与生物质能、氢能、沼气和地热能的耦合系统[140‒145]，这有助于实现可再生能源的高渗透率、能源一体化的综合效率和灵活性。含氢CAES（CAHES）将CAES与氢气的生产和利用相结合（图27）[144]。剩余电力用于压缩空气并通过电解产生氢气。在高峰时段，氢气被送入合成反应器，同时输入二氧化碳，生成甲烷和水作为副产品。甲烷被用于在膨胀前燃烧和加热压缩空气，稳定燃烧过程并保证适当的工艺温度。同时，废热也与压缩空气一起回收。CAHES的效率为38.15%，远高于电力到氢气再到电力系统的效率[144]。

4.2 与其他储能技术耦合的CAES

储能系统通过结合两种或多种储能技术可以实现各种功能。如图28所示[146‒147]，研究人员提出将CAES与飞轮储能系统结合使用以减缓风力发电的波动，这些波动被分为低频组和高频组，过滤后分别调度到CAES和飞轮系统。该耦合系统设计用于连接中国一个49.5 MW的风电场，将风力发电量稳定在24.18 MW，风能利用率提高到了93.4% [146]。

参考文献[148]中提出了一个将压缩空气储能和抽水蓄能系统相结合的新概念，如图29所示。模拟结果表明，当储罐高度为500.00 m、活塞直径为5.21 m、空气存储压力为10.00 MPa时，储能容量可达32.50 MW [148]。Chen等[149]对抽水蓄能-压缩空气储能系统进行了理论和实验分析，发现往返效率为51%，能量密度为0.33 kW·h·m-3。当泵效率达到90%时，往返效率达到63% [149]。

CAES和其他系统的参数如表3所示[18,79,100,109,135,139,141‒144,150‒152]。CAES的电力容量范围很广，从0.1~680.0 MW不等，其效率可超过70%。只有压缩空气储能-生物质能系统会产生排放。这些耦合系统主要用于可再生能源和调峰。所有这些耦合系统研究都是理论性的。

5 比较和讨论

在本节中，从不同角度比较和讨论了不同CAES技术的特点，包括技术成熟度、功率/能量容量、往返效率、经济性、功率/能量密度和储释能持续时间。同时，总结和讨论了各种CAES技术的潜在应用。由于这些CAES技术的应用、研究人员和运行条件不同，不同研究显示出的性能也大相径庭，几乎不可能考虑所有的研究和情况，因此，根据学术研究和工业应用的最新方法，给出了一个相对客观的结果。本文还讨论了支持CAES系统研究、开发和应用的近期前景。

（1）技术成熟度。技术成熟度大致分为三个等级，如图30所示：研发、示范和部署以及商业化。数值越大，表示相应的CAES技术越成熟。图30显示，在所有这些先进的CAES系统中，绝热压缩空气储能（ACAES）技术最为成熟，因为一些商业示范项目已经建成且并入电网。液态空气储能（LAES）和水下压缩空气储能（UWCAES）技术的成熟度较低，因为仅开发了兆瓦级示范项目，且相关公司仅宣布将开发大型系统。等温压缩空气储能（ICAES）、超临界压缩空气储能（SC-CAES）和压缩空气储能与可再生能源结合（CAES-RES）系统主要处于理论研究阶段，并已进行了实验。所有这些理论和实验研究都证明了它们的可行性和应用潜力。在开展基础研究和实验研究以促进CAES的大规模应用时，应更加关注效率、经济性、安全性和其他方面。

（2）功率容量和往返效率。图31展示了CAES的功率容量。每个条形图代表一种在很大范围内变化的CAES系统类型，涵盖了理论研究、实验装置和示范项目的功率容量。除了超临界压缩空气储能（SC-CAES）外，所有CAES系统都进行了大规模研究，功率约300 MW。然而，只有绝热压缩空气储能（ACAES）实现了建立100 MW的示范项目，其他一般都在1 MW左右。

往返效率如图32所示，这表明所有这些CAES系统的效率都相对较高，约为50%~80%。图中还显示，实验和示范项目的结果普遍低于理论结果，因为有些结果仍处于基础研究阶段。因此，提高各种CAES技术的性能仍有很大潜力。要实现更好的整体性能并促进应用，需要进行大规模示范。

（3）经济性。因CAES技术被认为是一种大容量能源技术，故CAES系统的经济性是通过能源资本成本来估算的。如图33所示，由于研究人员、方法和CAES配置的不同，该值差异很大。考虑到理论和实验示范电站，能源资本成本可低于200 美元·(kW·h)-1。由于这些CAES技术尚未商业化部署，因此大多数数据都是理论结果。只有少数发电厂已建成原型或处于商业示范的早期阶段。

综合以往研究的所有数据，表4列出了上述CAES系统的性能比较信息[10,18,23,25,40‒41,47,58,60‒61,70,72,74‒77,79,81,83,96,100,103‒104,108‒109,112‒113,116,118‒121,126,135,139,141,143‒144,146‒147,150‒167]。本文介绍了这些数据和参考文献的详细信息。

（4）近期展望。随着包括中国在内的120多个国家宣布了减少二氧化碳排放、实现碳中和的路线图[168]，可再生能源的高渗透率必须与储能相结合，以确保可靠和灵活的电力供应。2022年，全球储能装机总量达到209.4 GW，同比增长9.0% [169]。CAES和抽水蓄能一样是另一种大规模的储能技术，在研究、开发和应用方面具有广阔的前景。然而，在技术成熟度、经济性、政策等方面仍存在问题。为了实现CAES的商业应用和部署，支持可再生能源的高渗透率，需要考虑以下建议。首先，需要进行从基础到应用的技术示范。需要对这些成熟的CAES技术（如绝热压缩空气储能、蓄热式压缩空气储能）进行更多的示范项目测试，以提高其成熟度，使其在短期内实现商业化。液态空气储能和水下压缩空气储能的一些关键技术、运行和控制策略必须得到实施，才能实现更大规模的试点。成熟度较低的CAES（如等温压缩空气储能和超临界压缩空气储能），由于其具有高效率、紧凑配置等巨大潜力，需要进行基础研究。我们还需要优化整个系统及其关键部件的设计，使系统性能更接近高理论极限。其次，CAES可用于调峰、平衡供需以及提供辅助服务。然而，此类应用目前尚无成熟的市场模式。建议出台相关政策支持CAES的利用，如目前抽水蓄能系统采用的补偿机制和共享储能模式。再次，应进一步扩大CAES的多样化应用，特别是在系统层面，将其应用于可再生能源、分布式发电、调频和黑启动等方面。

6 结论

CAES是一种大规模的长期储能技术，通过平衡发电与负荷之间的不匹配，促进可再生能源的发展。此外，它还能为电网提供辅助服务。除两个传统的CAES电站（亨托夫CAES电站和麦金托什CAES电站）外，研究人员还提出并开发了其他各种可消除化石燃料消耗的先进CAES技术。本文简要介绍了CAES系统的发展历程和先进CAES系统的最新进展，包括系统描述、理论研究、实验和示范系统，得出以下结论。

在此，我们简要介绍一下CAES的发展历程。亨托夫和麦金托什的两座商业发电站是传统的CAES系统，同时还总结了有其他的相关研究及规划，总结和介绍了这些已论证或计划中的项目。然而，传统系统燃烧化石燃料，因此并非清洁技术。

先进的CAES不需要燃烧，被认为是一种清洁技术，吸引了广泛关注和大量研发投资。已研究和开发了各种类型的先进CAES系统，包括先进绝热压缩空气储能（ACAES）、等温压缩空气储能（ICAES）、液态空气储能（LAES）、超临界压缩空气储能（SC-CAES）、水下压缩空气储能（UWCAES）以及与其他技术相结合的CAES（如与可再生能源结合，简称CAES-RES）。这些先进的CAES系统展示了大规模可再生能源应用的巨大前景，并有助于实现碳中和。本文从基本原理和应用角度对所有这些技术进行了研究。

本文回顾、总结和比较了这些先进的CAES技术以及与可再生能源集成的CAES的主要参数和性能。综合考虑技术成熟度、功率容量、往返效率和经济性能等方面，对最先进的CAES技术进行了比较和介绍。储能功率、释能功率、储能容量、压缩机效率、膨胀机效率、往返效率、能量密度、储能/储存/释能压力、储能体积和投资成本等参数汇总并列于表格中。

绝热压缩空气储能（ACAES）已进入大规模示范阶段（10 MW、100 MW），并已并入电网。这表明它具有商业应用的潜力。液态空气储能（LAES）具有最大的能量密度，并已建成兆瓦级示范项目。然而，其原理和配置比绝热压缩空气储能更为复杂，需要优化设计和大规模试点建设使技术更加成熟。等温压缩空气储能（ICAES）、水下压缩空气储能（UWCAES）和超临界压缩空气储能（SC-CAES）正处于基础研究和原型实验阶段。全世界的研究人员一直在研究这些技术，以提高其性能和成熟度。CAES的主要应用是整合可再生能源，虽然目前尚未进行此类示范，但只要先进的CAES技术足够成熟，可以投入商业应用，就可以立即进行系统集成。

在往返效率方面，实验结果与理论结果之间存在差距。因此，需要付出相当大的努力来提高往返效率，使其更接近理论上限。建议调查并实施CAES应用的市场模式和相关政策，以推进先进CAES的部署。

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