压缩空气储能示范进展及商业应用场景综述_郭祚刚
3.0
2025-03-29
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收稿日期：2019-07-20 修回日期：2019-08-18
基金项目：南方电网公司科技项目
“面向多能互补的区域综合能源
系统的计算分析与规划关键技术研究”（ZBKJXM20180080）
DOI：10. 16516 /j. gedi. issn2095-8676. 2019. 03. 003
压缩空气储能示范进展及商业应用场景综述
郭祚刚，马溪原，雷金勇，袁智勇
（南方电网科学研究院，广州 510663）
摘要：［
目的］
近年来，储能技术及储能产业发展受到的关注度持续升温。［
方法］
在此背景下，对压缩空气储能技术
及其商业应用场景进行了分析与综述。通过梳理国内致力于压缩空气储能技术示范的研究团队及其技术特点，较为全
面地反映了国内压缩空气储能技术的发展方向；在此基础上，介绍了已投运数十年的德国汉特福及美国阿拉巴马州两
座商业化压缩空气储能电站的配置参数及运行经验，综述了近年来国内外针对多种新型压缩空气储能技术的示范进展
状况。结合压缩空气储能技术梳理、商业化储能电站回顾及新型压缩空气储能技术示范进展综述三方面的工作，可为
国内压缩空气储能技术发展及国家多部委大力推动的储能行业发展提供借鉴。最后，从电源侧储能、电网侧储能及用
户侧储能三类应用场景分析了压缩空气储能技术的适应性及应用潜力。［
结果］
德国及美国两座商业化压缩空气储能
电站数十年的可靠运行经验，检验了压缩空气储能电站长期运行的可靠性。与此同时，国内自 500 kW 至10 MW 等多
容量规模压缩空气储能示范工程的先后投建，表明此项储能技术在国内已实现由理论研究阶段向示范验证阶段的突
破。［
结论］
在当下政策环境，用户侧峰谷电价政策是较为典型的储能应用场景边界条件，在压缩空气储能技术推广
中可以重点考虑。
关键词：压缩空气储能；汉特福储能站；示范进展；商业应用场景
中图分类号：TK02 文献标志码：A文章编号：2095-8676（2019）03-0017-10
开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：
Ｒeview on Demonstration Progress and Commercial Application Scenarios
of Compressed Air Energy Storage System
GUO Zuogang，MA Xiyuan，LEI Jinyong，YUAN Zhiyong
（Electric Pow er Ｒesearch Institute，CSG，Guangzhou 510663，China）
Abstract： ［Introduction］In recent years，the attention paid to the development of energy storage technology and energy storage in-
dustry has continued to heat up． ［Method］Ｒeview of compressed air energy storage technology （CAES）progress and its commer-
cial application scenarios have been summarized in this paper. CAES research teams and their technical characteristics were summa-
rized，which reflected the development direction of CAES technology. Meanwhile，the configuration parameters and operation experi-
ence of two commercial CAES power stations （Huntorf station and Alabama station）were introduced. The demonstration progress of
various new CAES technologies was also reviewed. These review on CAES technologies，commercial power stations and demonstra-
tion stations can provide reference for the development of domestic CAES technology and the development of energy storage industry
promoted by national ministries in China. At the end of this paper，the adaptability and application potential of CAES technology w ere
analyzed from three aspects：electricity generation side energy storage，grid side energy storage and user side energy storage． ［Ｒe-
sult］The two CAES power stations in Germany and the United States have tested the long-term reliability of CAES pow er plants. The
CAES demonstration projects with capacity from 500 kW to 10 MW have been built in China. It indicates that this energy storage
technology has achieved breakthroughs from the theoretical research stage to the demonstration verification stage in China． ［Conclu-
sion］In the current policy environment，the user-side peak-to-valley electricity price policy is a typical boundary condition for energy
storage application scenarios，which can be considered in the application of CAES technology．
Key words：compressed air energy storage technology （CAES） ； Huntorf CAES station；demonstration stations progress；commercial
application scenarios．
能源是国民经济赖以发展的物质基础，依据
《
可再生能源发展
“
十三五”
规划》
设定的发展目标，
非化石能源占一次能源消费比重在 2020 年与 2030
2019 年 第 6卷 第 3期南方能源建设 特约专稿
2019 Vol． 6 No. 3 SOUTHEＲN ENEＲGY CONSTＲUCTION Feature Articles
年将分别达到 15% 与20% ，至2020 年全国可再生
能源发电装机容量将达到 680 GW，可再生能源发
电电量将占据发电总量的 27%［1］。
具备波动性及间歇性特点的可再生能源电能大
规模并网，对电力系统安全稳定运行水平提出了更
高要求。作为智能电网的重要组成部分，储能技术
能够为电网运行提供调峰、调频及黑启动等多种服
务，能够显著提高电力系统的灵活性及安全性。压
缩空气储能技术是一种可以大容量推广的物理储能
技术，为促进压缩空气储能技术发展，北京市科学
技术委员会、广东省自然科学基金
、“
十二五”
国家
科技计划先进能源技术领域 2013 年度项目指南及
国家重点研发计划高新领域 2017 年度项目指南等
科技渠道均对先进压缩空气储能技术进行了资助。
国家发改委及国家能源局等多部委联合于 2017 年9
月发布的
《
关于促进储能技术与产业发展的指导意
见（发改能源〔2017〕1701 号）》
明确提出开展 10
MW /100 MWh 级超临界压缩空气储能系统研发及
示范［2］，于2019 年6月进一步发布的
《
贯彻落实
〈
关于促进储能技术与产业发展的指导意见〉2019 －
2020 年行动计划》
提出重点推进大容量压缩空气储
能等重大先进技术项目建设，推动百兆瓦压缩空气
储能项目实现验证示范［3］。
本文针对
《
关于促进储能技术与产业发展的指
导意见》
中涉及的压缩空气储能技术进行综述，梳
理了国内致力于压缩空气储能技术工程示范的研发
团队及其技术，在此基础上介绍全球两座大容量商
业化压缩空气储能电站的运行情况，跟踪国内外新
型压缩空气储能技术的工程示范最新进展，以较全
面的视角对已投运多年的商业化储能站运行经验及
近年来压缩空气储能技术的发展状况进行综述，同
时以电源侧储能站场景、电网侧储能站场景及用户
侧储能站场景为切入点开展了压缩空气储能技术的
商业场景适用性分析，为压缩空气储能技术发展提
供借鉴。
1储能市场及储能技术
根据
《
储能产业研究白皮书 2019》
公布的储能
预测数据［4］，至2025 年我国的抽水蓄能累计装机
容量将达到 90 GW，至2023 年我国的电化学储能
累计装机容量将达到 20 GW。
截至 2018 年底，我国的储能装机累计容量已
经达到 31. 3 GW，其中抽水蓄能电站累计容量为
29. 99 GW，电化学储能电站的累计装机容量为
1. 072 7 GW，电化学储能电站中的锂离子电池储能
累计装机容量最高，锂离子电池储能累计装机容量
为758. 8 MW。相对于装机容量快速增长的电化学
储能站，可大容量推广的压缩空气储能技术近年来
处于快速发展中，国内已建成 500 kW 容量等级［5］，
1. 5 MW 容量等级［6］及10 MW 容量等级［7］等多种
容量规模的压缩空气储能示范电站，完成了多容量
等级的技术验证工作。
储能技术包括机械储能及电化学储能两大类，
其中大容量的机械储能技术主要包括抽水蓄能及压
缩空气储能；大容量的电化学储能技术主要包括锂
离子电池及铅炭电池等；典型的能量型储能技术及
其优缺点如表 1所示。
2国内压缩空气储能研发团队及其技术
2. 1 中科院工程热物理研究所储能团队
中科院工程热物理研究所设立了储能研发中
心，由陈海生研究员担任储能研发中心主任，承担
了包括国家重点研发计划项目
“10 MW 级先进压缩
空气储能技术研发与示范”
及北京市科技计划项目
81 南方能源建设 第 6卷
表1典型的能量型储能技术
Tab. 1 Typical energy storage technologies
储能技术类型 效率/% 寿命 /年 容量等级 优点 缺点
机械
储能
抽水蓄能 70 ～ 75 40 ～ 60 数百兆瓦时 寿命长、性能稳定 选址困难，建设周期长
压缩空气储能 50 ～ 70 30 ～ 40 数百兆瓦时 寿命长、性能稳定 大型储气洞穴选址困难
电化学
储能
锂离子电池 85 ～ 98 5 ～ 10 数十兆瓦时 能量密度大 成本高、安全风险
全钒液流电池 75 ～ 85 5 ～ 15 数十兆瓦时 安全性好 能量密度低
钠硫电池 75 ～ 90 10 ～ 15 数十兆瓦时 响应快 需较高温度下运行，安全风险
铅碳电池 70 ～ 90 3 ～ 8 百兆瓦时 性价比高、技术成熟 寿命短、污染问题
“
大规模先进压缩空气储能系统研发与示范”
等在内
的多项压缩空气储能研究项目，已建成 1. 5 MW 级
压缩空气储能示范项目 1座（系统效率 52%［6］）及
10 MW 级压缩空气储能系统示范项目 1座（系统效
率60. 2%［7］） ，储能团队代表性专利之一为
“
超临
界压缩空气储能系统”
［8］。
2. 2 南网科研院新能源与综合能源团队
南方电网科学研究院新能源与综合能源团队在
海上风电、储能、微电网及综合能源等领域具有技
术积累。新能源与综合能源团队成员郭祚刚博士在
压缩空气储能领域具有多年研发经历，现为南方电
网公司大容量储能重大科研团队成员。
郭祚刚博士自 2012 年开始研发新型压缩空气
储能技术，完成了新型压缩空气储能博士后课题，
同时承担了包括广东省自然科学基金在内的多项压
缩空气储能课题，从市场需求及商业推广角度研发
新型压缩空气储能技术［9 － 11］。在新型压缩空气储能
技术研发过程中，通过引入喷射调压系统克服了降
压阀调压存在较大压力能损失的技术缺陷，较大幅
度提升储能系统性能，代表性专利之一为
“
压缩空
气储能系统”
［12］。
2. 3 清华大学电机系储能团队
清华大学电机系压缩空气储能团队由梅生伟教
授担任负责人，参与了安徽芜湖高新区的
“500 kW
压缩空气储能系统示范项目”
课题，项目所需的
3 000万资金由国家电网投资，项目于 2014 年11 月
首次发电成功［5，13］。据文献报道［14］
，“500 kW 压
缩空气储能系统示范项目”
的最大发电功率达到了
420 kW，单次循环发电量为 360 kWh，储能效率为
33% 。清华大学电机系储能团队的代表性专利之一
为
“
一种 50 MW 绝热压缩空气储能方法”
［15］。
2. 4 中科院过程工程研究所储能团队
丁玉龙教授曾担任利兹大学 －中科院过程工
程研究所联合储能技术研究中心首任主任，现为
英国伯明翰大学 －国家电网全球能源互联网欧洲
研究院联合实验室共同（创建）主任。丁玉龙教授
储能团队利用液态空气具有密度大且易于储存的
特点，研发液态空气储能技术，储能团队代表性
专利之一为
“
液态空气储能系统能效提升装置及方
法”
［16］。
2. 5 国网全球能源互联网研究院储能团队
国家电网的全球能源互联网研究院储能团队致
力于液态压缩空气储能技术的研发，储能团队在压
缩空气储能领域已取得多项发明专利授权，代表性
专利之一为
“
一种储罐增压型的深冷液态空气储能
系统”
［17］。另据报道［18］，全球能源互联网研究院
压缩空气储能团队在江苏吴江区同里镇开展 500
kWh 的液态压缩空气储能示范工程建设。
3商业化压缩空气储能电站
3. 1 德国汉特福商业化压缩空气储能电站
德国汉特福（Huntorf）压缩空气储能电站是全
球首座投入商业运行的压缩空气储能电站，该项目
在1978 年服役。Fritz Crotogino 等人［19］在2001 年
美国 Florida 州举办的春季会议上分享了德国汉特
福电站自 1978 年至 2001 年的 20 余年间运行经验，
同时提供了汉特福储能电站的配置参数。
汉特福储能电站流程示意图如图 1所示，汉特
福储能电站的航拍实景照片如图 2所示。储能电站
包括两处地下储气洞穴，在电能储存时空气压缩机
组消耗电能制备高压力的空气并注入两处地下储气
洞穴中；在电能输出时，地下储气洞穴内高压力空
气经过阀门稳压实现压力稳定，在燃烧器内与天然
气实现参混燃烧与温度提升后直接进入膨胀机做
功。汉特福储能电站的两台膨胀机之前都设置了燃
烧器，末级膨胀机的高温乏气直接通过烟囱排放。
图1德国汉特福储能电站流程示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the Huntorf CAES power
station in Germany
文献［19］
提供的德国汉特福电站的配置参数如
表2所示，储能电站按照电能输出与电能储存阶段
空气质量流速比为 4∶1进行设计，储能电站可连
续储能 12 h，连续输出电能 3 h。
91
第3期 郭祚刚，等：压缩空气储能示范进展及商业应用场景综述
摘要：
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