作者：郭丁彰1,2(圖片), 尹釗1,2, 周學(xué)志3(圖片), 徐玉杰1,2, 盛勇1, 索文輝1, 陳海生1,2,4(圖片)
單位：1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所；2.中國科學(xué)院大學(xué)；3.畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)國家能源大規(guī)模物理儲能技術(shù)研發(fā)中心；4.中國科學(xué)院清潔能源創(chuàng)新研究院
引用： 郭丁彰,尹釗,周學(xué)志等.壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(05):1486-1493.
DOI： 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0356
摘 要 壓縮空氣儲能被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模物理儲能技術(shù)，儲氣裝置作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行具有重要影響。近些年來，隨著壓縮空氣儲能技術(shù)的快速發(fā)展，儲氣裝置的研究備受人們關(guān)注。儲氣裝置的特點(diǎn)主要取決于其材料屬性，因此本文根據(jù)材料不同對儲氣裝置進(jìn)行分類，并著重論述了天然地下洞穴儲氣、人造洞室儲氣、金屬材料儲氣以及復(fù)合材料儲氣的應(yīng)用。對比分析表明，天然地下洞穴儲氣規(guī)模大、成本低，但是依賴于特殊地質(zhì)和地理條件，因此應(yīng)積極探索具有靈活布置特性的新型儲氣方案。進(jìn)一步地，本文闡述了不同類型儲氣裝置當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)，分別探討了儲氣裝置精準(zhǔn)熱力學(xué)模型建立、地下洞穴儲氣穩(wěn)定性評價以及復(fù)合材料儲氣結(jié)構(gòu)特性研究中亟需解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并對未來儲氣裝置的發(fā)展趨勢以及研究熱點(diǎn)進(jìn)行了展望和總結(jié)。旨在為壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置的選型和理論研究提供指導(dǎo)，為改善壓縮空氣儲能系統(tǒng)和儲氣裝置性能提供借鑒。
關(guān)鍵詞 壓縮空氣儲能；儲氣裝置；熱力學(xué)模型；結(jié)構(gòu)特性；穩(wěn)定性
大規(guī)模儲能技術(shù)是解決棄風(fēng)、棄光問題，顯著提高可再生能源消納水平，推動主體能源由化石能源向可再生能源更替，實現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的關(guān)鍵技術(shù)。其中，壓縮空氣儲能被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ奈锢韮δ芗夹g(shù)，具有規(guī)模大、成本低、壽命長、對環(huán)境友好等特點(diǎn)，而且涉及冷、熱、電多種能量形式的存儲和轉(zhuǎn)化，便于耦合各種熱力系統(tǒng)，實現(xiàn)工作方式靈活性的改善以及系統(tǒng)效率的提高。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能通過多余電能將空氣進(jìn)行壓縮存儲，需要用電時利用高壓儲氣推動膨脹機(jī)做功，同時利用燃料對進(jìn)入膨脹機(jī)前的高壓儲氣進(jìn)行加溫以提高功率密度，其原理如圖1所示。世界上已有兩座大型傳統(tǒng)壓縮空氣儲能電站投入商業(yè)運(yùn)行，包括德國Huntorf電站和美國McIntosh電站，均采用天然地下鹽穴作為儲氣裝置，儲氣規(guī)模大、建造成本低，但是依賴于特殊地質(zhì)地理條件。因此，近些年眾多學(xué)者提出人造洞穴儲氣、金屬材料高壓容器儲氣、柔性復(fù)合材料高壓儲氣和恒壓儲氣等技術(shù)措施，擺脫地理條件對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的限制，促進(jìn)其大規(guī)模推廣應(yīng)用。如中國科學(xué)院工程熱物理研究所以金屬材料高壓容器作為儲氣裝置，分別于2013年和2016年建成國際首套1.5 MW和10 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)。加拿大Hydrostor公司以復(fù)合材料柔性氣囊作為儲氣裝置，于2015年在多倫多建成了首個600 kW的水下壓縮空氣儲能示范工程等。
圖1 傳統(tǒng)壓縮空氣儲能原理圖
本文對壓縮空氣儲能儲氣裝置進(jìn)行了分類與總結(jié)，論述了天然地下洞穴、人造洞室、金屬材料儲氣裝置以及復(fù)合材料儲氣裝置的應(yīng)用及特點(diǎn)。進(jìn)一步地，總結(jié)儲氣裝置發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，并對儲氣裝置未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
1 儲氣裝置的分類
根據(jù)壓力是否變化，壓縮空氣儲能儲氣裝置可分為定壓和變壓儲氣裝置；根據(jù)能否移動，可分為固定式和移動式儲氣裝置；根據(jù)應(yīng)用場景不同，可分為地下、地面和水下儲氣裝置。不同類型儲氣裝置的應(yīng)用及特點(diǎn)主要取決于其材料屬性，其應(yīng)用及特點(diǎn)如表1所示。
表1 儲氣裝置的應(yīng)用及特點(diǎn)
2 儲氣裝置的應(yīng)用
2.1 天然地下洞穴儲氣
天然地下洞穴規(guī)模大、建造成本低，在壓縮空氣儲能領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要包括天然鹽穴、地下含水層以及硬巖層洞穴等。
鹽穴具有較低的滲透率和良好的蠕變行為，密封性較好，力學(xué)性能穩(wěn)定，能夠適應(yīng)運(yùn)行過程中存儲壓力的交替變換，如圖2所示為鹽穴壓縮空氣儲能的工作原理。德國Huntorf電站和美國McIntosh電站均采用深埋地下的天然鹽穴作為儲氣裝置，儲氣規(guī)模分別為310000 m3和560000 m3，儲氣壓力可達(dá)10 MPa和7.5 MPa。一般而言，只要向地下鹽層鉆孔，注水使鹽溶化即可形成用以儲氣的洞室，因此鹽巖洞儲氣成本較低，然而，建設(shè)鹽穴需要在有鹽礦資源分布的地區(qū)，地域上存在限制性。
圖2 鹽穴壓縮空氣儲能示意圖
利用含水層進(jìn)行儲氣，如圖3所示，壓縮空氣被儲存在滲透性強(qiáng)的多孔地層中，將地下水排出形成巨大氣泡，由于空氣-地下水界面的運(yùn)動，儲氣壓力相對恒定，有利于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的運(yùn)行。利用地下含水層進(jìn)行儲氣更加經(jīng)濟(jì)，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性較好的條件下，成本約2～7 USD/kW·h。但是，地下含水層儲氣同樣存在著選址困難的缺陷，而且墊氣層消耗大。目前，以地下含水層作為儲氣裝置尚未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，僅存在一些研究型項目，包括意大利Sesta的25 MW多孔巖層壓縮空氣儲能系統(tǒng)和采用多孔砂巖結(jié)構(gòu)斜背層進(jìn)行儲氣的美國IMAU項目等。
圖3 含水層壓縮空氣儲能示意圖
硬巖層結(jié)構(gòu)的洞穴較為常見，巖石堅硬具有更高的抗壓強(qiáng)度，但施工難度加大，費(fèi)用較高。美國Ohio州的Norton壓縮空氣儲能項目，采用位于地下670 m深處的廢棄石灰?guī)r礦井儲存壓縮空氣，容量為9570000 m3，存儲壓力可達(dá)11 MPa。
總之，天然地下洞穴規(guī)模大、成本低，優(yōu)勢明顯，但是受限于特殊地質(zhì)地理條件，難以實現(xiàn)靈活布置和大范圍推廣，并且深埋地下，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，漏氣不易監(jiān)測，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以得到有效保障，存在一定安全隱患。
2.2 人造洞室儲氣
人造洞室減弱了對于特殊地質(zhì)地理條件的依賴，主要包括淺埋地下的人工內(nèi)襯洞穴儲氣裝置以及用于水下的混凝土人造儲氣室。
人工內(nèi)襯洞穴以混凝土作為襯砌，配合密封層和圍巖組成，如圖4所示。其中，高壓儲氣所產(chǎn)生的荷載主要由圍巖承受，混凝土襯砌配合密封層確保密封良好，相比天然洞穴密封性更好，可使儲氣壓力更高。日本針對位于地下450 m，直徑6 m，容積約1600 m3的廢棄煤礦隧道，采用鋼筋混凝土作為襯砌，橡膠作為密封層，氣密性測試發(fā)現(xiàn)在0.9 MPa的儲氣壓力下每天最大泄漏率為0.5%。瑞典在巖石層下115 m，以鋼筋混凝土作為襯砌，建設(shè)了人工巖洞，容積約40000 m3，儲氣壓力可達(dá)20 MPa。韓國針對內(nèi)襯巖石洞室的可行性和系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行研究，其壓縮空氣儲能電站試點(diǎn)項目于2011年開始，位于地下100 m的石灰?guī)r內(nèi)建設(shè)了直徑5 m，長度約200 m的隧道狀洞室，以混凝土作為襯砌，并采用300 mm的鋼板加強(qiáng)密封。我國為驗證淺埋地下儲氣庫的可行性，在湖南長沙一花崗巖層內(nèi)建造了淺埋硬巖試驗庫，埋深約110 m，凈空體積約28.8 m3，以設(shè)計壓力10 MPa進(jìn)行了多次完整的壓縮空氣充放循環(huán)試驗，結(jié)果證明長時高壓儲氣條件下其密封性良好。
圖 4 淺埋地下的人工內(nèi)襯洞室壓縮空氣儲能示意圖
可用于水下環(huán)境的混凝土人造儲氣室，也被嘗試作為水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲氣裝置。該儲氣裝置為開式結(jié)構(gòu)，允許海水自由出入。壓縮空氣儲能時，利用高壓空氣將儲氣裝置內(nèi)的海水排出。放氣釋能時，海水在靜水壓力作用下進(jìn)入儲氣裝置維持氣源壓力恒定。加州大學(xué)圣地亞哥分校的Seymour等提出利用寬30 m，高8 m，長300 m的混凝土箱作為儲氣裝置；北卡羅來納大學(xué)的Lim等提出利用高8 m，底面邊長40 m，內(nèi)部容積903 m3的混凝土室作為儲氣裝置。然而，水下混凝土人造儲氣室導(dǎo)致壓縮空氣中含水量較多，容易造成做功設(shè)備腐蝕損壞，目前尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。
2.3 金屬材料儲氣
金屬材料壓力容器根據(jù)存儲壓力可分為低壓儲氣裝置(0.1 MPa≤P<1.6 MPa)、中壓儲氣裝置(1.6 MPa≤P<10 MPa)、高壓儲氣裝置(10 MPa≤P<100 MPa)以及超高壓儲氣裝置(P≥100 MPa)，其密封性好，運(yùn)行可靠性高，設(shè)計制造技術(shù)成熟，而且安裝布置靈活。
金屬材料儲氣裝置比較常見的有圓筒形儲罐和球形儲罐。圓筒形儲罐一般由筒體、封頭以及法蘭、接管、密封元件和支座等零部件組成，主要分為立式和臥式。面積相同的情況下，球形儲罐容積一般大于圓筒形儲罐，而且相同的內(nèi)壓下，球形儲罐的受力更加合理。但是，球形儲罐的制作材料以及工藝要求更高。
相比儲罐儲氣，直徑較小的壓力管道儲氣便于集成管網(wǎng)形成規(guī)模，安裝布置更加靈活，目前在我國貴州10 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能示范項目中得到應(yīng)用，如圖5所示。相比之下，管道儲氣方案在天然氣領(lǐng)域使用更為廣泛，其設(shè)計壓力通常在10 MPa以上，并不斷向高壓力、大口徑、高級鋼的方向發(fā)展。
圖5 金屬管道儲氣裝置
2.4 復(fù)合材料儲氣
增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料管道采用高強(qiáng)度的芳綸、玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼絲等制成增強(qiáng)帶，內(nèi)層和外層是耐腐蝕耐磨損的聚烯烴，承壓范圍7～25 MPa。而且，相比金屬材料，可減重約30%，耐腐蝕，抗疲勞，失效模式安全，生產(chǎn)同等體積的能耗僅是金屬材料的1/3～1/4，更加符合當(dāng)今“節(jié)能減排”“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展趨勢。據(jù)德國WEICON公司研究發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料管道相比金屬材料管道可節(jié)省材料和加工費(fèi)用超過25%，并且承受高壓的同時保持一定柔韌性，能夠做成盤管進(jìn)一步降低運(yùn)輸和安裝成本。由此可知，利用復(fù)合材料管道替代金屬材料壓力管道進(jìn)行儲氣具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?
另一方面，水下恒壓儲氣方案中，儲氣裝置內(nèi)外壓差較小，顯著降低了對于壓力容器承壓能力的要求?？扇我庹郫B變形的柔性復(fù)合材料氣囊被成功應(yīng)用在水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，如圖6所示，諾丁漢大學(xué)Garvey團(tuán)隊委托加拿大Thin Red Line Aerospace公司制造了直徑1.8 m和直徑5 m的南瓜形柔性儲氣囊，分別進(jìn)行了室內(nèi)水箱實驗和25 m深的真實水下實驗。加拿大Hydrostor公司利用水滴形氣囊作為儲氣裝置，在水下80 m進(jìn)行了壓縮空氣儲能試驗。柔性復(fù)合材料氣囊通常以涂層織物為原料，具有密封性良好和耐腐蝕優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛的涂層織物有聚氯乙烯(PVC)襯里涂層織物和聚氨酯(TPU)襯里涂層織物等。
圖6 復(fù)合材料氣囊：(a) 南瓜形；(b) 水滴形
3 儲氣裝置面臨的挑戰(zhàn)
3.1 精準(zhǔn)熱力學(xué)模型
儲氣裝置充放氣過程中，氣體與外界進(jìn)行質(zhì)量交換，勢能變化的同時伴隨著熱量交換，其熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的精準(zhǔn)預(yù)測對于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和評價具有重要影響。目前，儲氣裝置熱力特性的研究通常基于簡化的絕熱模型和等溫模型。但事實上，不同類型儲氣裝置的傳熱過程差異明顯，與應(yīng)用場景密切相關(guān)。
對于地下洞穴儲氣，一方面，儲能時氣體壓力和溫度升高，儲氣裝置壁面溫度隨之升高，而釋能時氣體壓力和溫度下降，前期存儲于圍巖內(nèi)的熱量又傳遞至儲氣裝置內(nèi)氣體，其壁面溫度隨之下降；另一方面，地下儲氣裝置圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常難以實現(xiàn)絕對密封。因此，急需結(jié)合實際對流傳熱過程以及泄漏的影響，針對現(xiàn)有熱力學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。
對于地面高壓容器儲氣，其內(nèi)部為復(fù)雜多變的強(qiáng)制對流換熱，外側(cè)為自然對流換熱，一般給定環(huán)境空氣溫度和自然對流換熱系數(shù)作為熱邊界條件。然而，地面儲氣裝置傳熱機(jī)制與充放氣流量，最大儲氣壓力以及儲氣裝置的規(guī)模，形狀和布置方式等因素密切相關(guān)，因此針對結(jié)構(gòu)多變的地面儲氣裝置，需要考慮真實環(huán)境，建立基于無量綱參數(shù)的通用關(guān)聯(lián)式，開展不同規(guī)模地面儲氣裝置內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測。
對于水下柔性儲氣囊，儲能和釋能運(yùn)行過程中氣囊會發(fā)生較大形變，對氣囊內(nèi)部和外部流場具有顯著影響。與此同時，氣囊內(nèi)部和外部的流場特性也決定著其變形規(guī)律。因此，不同于常規(guī)儲氣裝置，柔性氣囊內(nèi)的熱力特性研究需基于雙向流固耦合模型，但目前相關(guān)研究匱乏。
3.2 地下洞穴儲氣穩(wěn)定性
地下洞穴內(nèi)高壓儲氣所產(chǎn)生的載荷主要由四周圍巖承受，然而巖石層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在漏氣和塌陷等安全隱患。因此，地下洞穴儲氣研究重點(diǎn)在于其穩(wěn)定性評價。
對于鹽穴以及硬巖層洞穴，圍巖塑性區(qū)能夠較好地反映四周圍巖受力的危險區(qū)域，被視為穩(wěn)定性評價依據(jù)。此外，地下幾十度的溫度變化至少能夠引起圍巖幾倍蠕變速率的變化，因此其穩(wěn)定性分析也有賴于地下洞穴儲氣熱力耦合模型的建立。在此基礎(chǔ)之上，還應(yīng)考慮儲氣泄漏的影響，構(gòu)建真實運(yùn)行工況，洞穴儲氣內(nèi)部熱力響應(yīng)和圍巖相互作用下的流熱固耦合模型。
對于以混凝土作為襯砌的人造洞穴，循環(huán)變化的壓力和溫度載荷容易使具有硬脆性的襯砌層出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致密封失效。
對于地下含水層儲氣，由于空氣-地下水界面的運(yùn)動儲氣壓力相對恒定，有利于系統(tǒng)效率的提升，但尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。含水層滲透率和地質(zhì)構(gòu)造等固有條件對于含水層儲氣效率以及穩(wěn)定性均具有重要影響，然而相關(guān)研究匱乏。
3.3 復(fù)合材料儲氣結(jié)構(gòu)特性
復(fù)合材料在壓縮空氣儲能領(lǐng)域的應(yīng)用包括熱塑性復(fù)合材料高壓管道和水下柔性氣囊。
對于熱塑性復(fù)合材料高壓管道，其失效原因主要是壓力過高所致，因此強(qiáng)度分析至關(guān)重要。復(fù)合材料具有明顯的各向異性，某一纖維增強(qiáng)層失效時載荷會重新分配，應(yīng)力變化極其復(fù)雜。因此，研究難點(diǎn)在于力學(xué)特性研究以及數(shù)學(xué)模型的建立。
對于水下柔性氣囊，充放氣過程中形成的折痕是其失效的主要原因，因此變形規(guī)律研究尤為重要。英國諾丁漢大學(xué)Garvey團(tuán)隊受啟發(fā)于超壓氣球的設(shè)計理念，將氣囊設(shè)計成南瓜形，并建立了該氣囊的二維有限元模型，研究了氣囊充滿狀態(tài)以及部分充氣狀態(tài)下的形變規(guī)律，但未考慮充放氣過程中氣囊形狀的動態(tài)變化。程涵以流場力作為外載，利用薄殼單元建立了織物氣囊的三維模型，基于流固耦合方法獲得流場力作用下氣囊的折痕與褶皺位置。然而，該研究是基于準(zhǔn)靜態(tài)過程，將氣囊變形過程進(jìn)行了分段處理，并忽略了氣囊的實際材料特性?？傊?，耦合柔性儲氣囊內(nèi)部流動特性的變形規(guī)律研究匱乏，亟待加強(qiáng)。
4 結(jié)語
（1）天然地下洞穴儲氣規(guī)模大、成本低，然而依賴于特殊地質(zhì)和地理條件，因此應(yīng)積極研究開發(fā)人造洞室、金屬材料及復(fù)合材料儲氣等新型儲氣形式，擺脫壓縮空氣儲能系統(tǒng)對地理條件的依賴，促進(jìn)其大規(guī)模推廣應(yīng)用。
（2）對于新型儲氣形式，亟待進(jìn)一步開展精準(zhǔn)熱力學(xué)模型、地下洞穴穩(wěn)定性評價和復(fù)合材料儲氣結(jié)構(gòu)特性等方面的研究工作，為壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置的選型與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)依據(jù)。
（3）熱塑性復(fù)合材料管道能夠承受高壓，具有耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)勢，且生產(chǎn)能耗低，可做成盤管降低運(yùn)輸和安裝費(fèi)用，有望取代金屬材料用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)。此外，可任意折疊變形的柔性復(fù)合材料氣囊具有密封性良好和耐腐蝕優(yōu)點(diǎn)，可用于水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景。
引用本文： 郭丁彰,尹釗,周學(xué)志等.壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(05):1486-1493. (GUO Dingzhang,YIN Zhao,ZHOU Xuezhi,et al.Status and prospect of gas storage device in compressed air energy storage system[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(05):1486-1493.)
第一作者：郭丁彰（1991—），男，博士研究生，主要研究方向為壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置性能，E-mail：[email protected]
第一作者：周學(xué)志，高級工程師，主要研究方向為儲熱技術(shù)和壓縮空氣儲能技術(shù)，E-mail：[email protected]；
通訊作者：陳海生，研究員，主要研究方向為壓縮空氣儲能、蓄冷蓄熱等物理儲能技術(shù)，E-mail：[email protected]。
