《Journal of Energy Storage》：Evaluating a compressed air energy storage (CAES) system with high-temperature concentrated solar power (CSP): Techno-economic and sensitivity analysis
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本研究评估了压缩空气储能（CAES）与高温空气基聚光太阳能（CSP）的新型集成，实现了电力存储和发电，并向邻近工业过程提供中温废热。研究人员针对智利案例，使用详细的年度模拟和更新的技术经济框架分析了所提出的系统。对1至400 MWe的工厂规模进行了参数分析，
本研究评估了压缩空气储能（CAES）与高温空气基聚光太阳能（CSP）的新型集成，实现了电力存储和发电，并向邻近工业过程提供中温废热。研究人员针对智利案例，使用详细的年度模拟和更新的技术经济框架分析了所提出的系统。对1至400 MWe的工厂规模进行了参数分析，包括关键设计和运行变量的优化。结果显示经济性能对工厂规模具有显著依赖性，确定100 MWe工厂在基本案例假设下实现了最具吸引力的经济性，内部收益率（IRR）为5.6%，平准化度电成本（LCOE）为125 USD/MWhe。敏感性分析进一步考察了电价波动和成本降低路径的影响，强调了废热回收的关键重要性。与替代存储方案——绝热CAES（A-CAES）、带电加热器的CSP以及电池储能系统（BESS）——的比较基准测试表明，储能的竞争力高度依赖于具体情境：没有单一技术能在所有规模和市场条件下始终优于其他。尽管在基本案例假设下CAES-CSP的IRR略低于假设折现率，但所提出的配置在高太阳辐照度、显著电价波动和邻近工业热需求的地区显示出大规模部署的前景。这些结果为CAES-CSP系统的设计和部署提供了定量指导，将该技术定位为在特定用例中支持能源转型的潜在解决方案。
### 论文解读文章
#### 研究背景与问题
全球电力需求因社会发展和工业扩张持续增长，推动可再生能源大规模并网。然而，太阳能和风能等可再生能源的间歇性导致电网不稳定和供需失衡，储能技术成为关键解决方案。在众多储能技术中，压缩空气储能（CAES）因高可靠性、长寿命、经济可行性等优势受到广泛关注。传统CAES系统（非绝热式）依赖化石燃料供热，虽已有混合可再生能源（如太阳能、风能）的研究，但针对CAES与高温聚光太阳能（CSP）的集成，尤其是从技术经济角度进行全面评估的研究仍然匮乏。现有工作多集中于热力学分析（如Baigorri等[8]的热力学评估，其混合系统在24小时运行周期中循环效率（RTE）为43.1%），但缺乏经济可行性验证。此外，不同储能技术在特定规模和市场条件下的竞争力尚未明确，需通过系统性比较确定最优配置。本研究旨在填补这一空白，通过详细技术经济分析，评估一种新型CAES-CSP混合系统在智利市场条件下的经济潜力，并探讨其与绝热CAES（A-CAES）、带电加热器CSP（CSP-EH）及电池储能系统（BESS）的竞争力。论文发表在《Journal of Energy Storage》。
#### 研究内容与结论
研究人员开展了针对智利北部安托法加斯塔地区（Antofagasta region，年直接法向辐照度DNI为3200 kWh/m2）的案例研究，基于2024年现货市场电价数据，对1至400 MWe共5个规模等级的CAES-CSP系统进行年度模拟与技术经济优化。通过贝叶斯优化与暴力搜索结合的方法，优化了太阳能场孔径面积（Asf）、空气储气库体积（V）、热能存储（TES）容量（ETES）及压缩机组质量流量（m?comp）等关键设计变量，并优化了运行策略（如购售电价百分位数Γsell、Γpurch及再热压力Preheat）。研究得出以下结论：（1）100 MWe配置在基本案例假设下经济性最优，内部收益率（IRR）为5.6%，平准化度电成本（LCOE）为125 USD/MWhe；（2）系统经济性对电价波动高度敏感，高电价波动场景下IRR升至7.7%，低波动场景下降至3.0%；（3）废热回收是提升经济性的关键，在基本假设下（废热价格50 USD/MWhth）贡献31%的工厂收入；（4）与A-CAES（IRR 9.5%）、CSP-EH（IRR 2.6%）及BESS（IRR 0.8%）相比，CAES-CSP在低电价波动场景和存在工业热需求时具有竞争力，但整体竞争力高度依赖具体情境。该研究为CAES-CSP系统在特定区域（高太阳辐照、高电价波动、邻近工业热用户）的大规模部署提供了定量指导。
#### 主要关键技术方法
研究人员采用模块化计费方法，结合文献成本关联式与工业制造商报价，更新至2025年美元值（基于化学工程工厂成本指数CEPCI）。关键技术方法包括：（1）基于Modelica/Dymola的热力学简化模型，用于年度模拟（5分钟时间步长），该模型在基准验证中与详细模型偏差仅5.3%（净发电量）和-6.4%（废热供应量）；（2）经济评估指标：内部收益率（IRR）和净现值（NPV），同时考虑平准化度电成本（LCOE）；（3）优化方法：贝叶斯优化与暴力搜索结合，以最大化IRR为目标；（4）敏感性分析：考察电价波动、组件成本变化及废热价格对IRR的影响。样本队列来源为智利安托法加斯塔地区，基于典型气象年数据（NREL）及2024年电力市场现货价格。
#### 研究结果
**4.1 功率规模评估与优化**
通过模拟1至400 MWe规模的优化配置，发现小规模系统（1-20 MWe）因人工储罐成本高而经济性差，100 MWe配置最优（IRR 5.6%，LCOE 125 USD/MWhe）。优化变量中，空气储气库体积、太阳能场面积、TES容量及压缩机组功率均存在独立IRR峰值，且最佳运行策略为P50购售电价百分位数（优先提高容量因子而非极端电价操作）。该配置下，储气库体积为177,630 m3，太阳能场面积437,551 m2，TES容量1,540 MWhth，压缩机组功率67 MWe，电力生产-消费比达119%。总安装成本估算为4.2873亿美元，其中空气储气库占14.9%，CSP子系统（太阳能场、接收器、塔架）占23.4%，表明储气库成本是主要经济瓶颈。
**4.2 经济边界条件影响**
（a）电价敏感性：基于统计缩放方法生成高、低电价波动场景，高波动场景下IRR为7.7%，低波动下约3.0%，表明系统盈利对市场环境高度敏感。（b）组件成本降低路径：通过降低BOP（场地平衡及辅助设施）比例至24%、利用现有地下基础设施（如废弃盐穴）降低储气库成本80%、集成中间冷却器降低热交换器成本35%，以及20%资本补贴，综合措施可使IRR升至12%，投资回收期缩短至11.4年。（c）废热收入：废热价格从30升至80 USD/MWhth时，IRR从4.1%增至7.6%，废热收入占比从22%升至42%，凸显废热利用对经济性的关键作用。
**4.3 与替代储能方案的竞争力**
在100 MWe基准案例下，A-CAES因CAPEX较低（无太阳能场）而获得最高IRR（9.5%），但CAES-CSP在低电价波动场景（IRR 3.0% vs A-CAES 0.6%）和存在工业热需求时更具优势。CSP-EH因效率较低且无法回收废热，IRR仅2.6%。BESS因寿命短（15年）且CAPEX较高，IRR仅0.8%，但适合小于10 MWe的小规模应用。整体而言，CAES-CSP在特定条件下（高太阳辐照、高电价波动、邻近工业热用户）展现出多能量载体（电、热）协同的独特优势。
#### 讨论与结论
讨论部分指出，CAES-CSP系统的经济可行性高度依赖具体场景，其竞争地位在低电价波动时优于A-CAES，但需依赖废热回收和规模化效应。综合成本降低措施（如利用现有地质结构、政策补贴）可显著提升其商业吸引力。研究结论原文翻译如下：
“向可再生能源和可持续能源系统的过渡需要技术上可行且经济上具有竞争力的储能解决方案。本研究对CAES系统与高温空气基CSP电站的集成进行了全面的技术经济分析。主要发现总结如下：•针对智利北部案例进行了年度模拟。1至400 MWe的功率规模分析表明，小规模配置（1-20 MWe）因人工储罐的高比成本而受到经济惩罚。100 MWe配置是最具竞争力的方案，结合了改进的经济性能与工业废热集成的潜力。•100 MWe的优化配置实现了5.6%的IRR和125 USD/MWhe的LCOE，空气储气库体积为177,630 m3，太阳能场孔径面积437,551 m2，TES容量1,540 MWhth，压缩机组功率67 MWe。最佳再热压力为8 bar，运行策略优先提高容量因子而非极端电价事件。基准盈利性略低于折现率，仅在更有利条件下实现完全经济可行性。•生成低波动和高波动两种替代场景以评估经济性能对电价波动的依赖性。IRR从低波动条件下的3%变化至高波动条件下的7.7%，表明系统盈利性对市场环境高度敏感。•CAPEX分解突出了空气储气库的主导影响。基于文献，综合实施成本降低措施和可实现假设可将IRR提升至12%，对应投资回收期11.4年。•利用中温（140-160°C）废热实现智利工业脱碳对于提升CAES-CSP经济性能至关重要，将其定位为有前景的多能量载体能源解决方案，尽管其可行性高度依赖具体地点。在基准废热价格假设（50 USD/MWhth）下，工业过程热贡献了31%的工厂收入。•CAES-CSP系统已与替代储能技术（包括A-CAES、CSP-EH和BESS）进行了基准比较。在基准条件下，A-CAES因CAPEX较低而获得最高IRR（9.5%），尽管其RTE中等。然而，在低波动场景下，CAES-CSP优于A-CAES，因为前者还依赖太阳能。CAES-CSP也因更高的循环效率和中温废热回收而优于CSP-EH。虽然BESS在小于10 MWe的容量下表现出更高潜力，但其较短寿命限制了整体盈利性。分析强调储能竞争力高度依赖于具体情境。尽管在某些假设下经济性能中等，CAES-CSP在强太阳资源、充足电价波动和邻近工业热用户的地区，特别是对于大型电站（100 MWe），展现出独特优势，将该技术定位为特定用例中支持能源转型的潜在解决方案。”
