综述：等温压缩空气储能系统及技术的研究进展

《Energy Reviews》：Research progress of isothermal compressed air energy storage system and technology

　　

电力部门脱碳对于实现碳达峰和碳中和目标至关重要。可再生能源（如风能和太阳能）可以逐步替代化石燃料（煤、天然气等）。然而，需要长时储能技术来协调可再生能源出力与电力需求。压缩空气储能（CAES）是解决这种不匹配的有效方案，从而实现高比例可再生能源渗透。作为CAES的重要组成部分，等温压缩空气储能（ICAES）具有高空往返效率（RTE），在未来电力系统中展现出巨大的应用前景。本研究综述了ICAES技术的最新进展，主要包括喷雾注入技术和液体活塞（LP）技术。简要介绍了ICAES技术的工作原理和系统配置。此外，从理论研究、实验研究和示范应用的角度进行了全面综述。从技术成熟度、功率容量和往返效率方面对这些等温技术进行了比较和讨论。另外，回顾了关于关键部件的研究，包括等othermal压缩机、膨胀机和储气装置。最后，讨论了传热特性的研究方法和传热强化机制。本研究为ICAES系统和关键部件的优化提供了全面参考，并为促进商业应用的未来研发提出了建议。

1. 1.
   引言
   全球能源系统目前正经历深刻转型，但2024年化石燃料仍占全球能源结构的约80%。化石燃料消耗导致全球变暖和资源枯竭等关键问题。为减少温室气体排放并应对气候变化挑战，联合国通过了《巴黎协定》，明确要求各国承诺相互合作，共同应对全球气候变化，并努力将全球变暖限制在1.5?K。大规模应用太阳能和风能等可再生能源是减少对化石燃料依赖的有效途径。全球超过100个国家已宣布解决方案，将从业碳密集型能源转向高度可再生能源。2020年，中国提出了“2060年前实现碳中和”的目标。在未来40年，可再生能源发电规模将大幅增加。需要相应解决方案来维持电网的可靠性和弹性，以应对可再生能源发电不确定性带来的挑战。储能技术被认为是减少可再生能源发电不一致影响的有效解决方案，以应对供需不确定性。到2025年底，全球已投运的电储能项目累计装机容量达496.2?GW。CAES技术是世界上可用于并网应用的成熟商业技术之一。
   压缩空气储能有多种方法，分类如下：放热压缩空气储能（DCAES）、先进绝热压缩空气储能（AACAES）、液态空气储能（LAES）、水下压缩空气储能（UWCAES）、等温压缩空气储能（ICAES）。CAES技术的发展里程碑总结了过去十年的新系统，不同于Huntorf和McIntosh电站。
   ICAES系统旨在减少压缩过程中的温升和膨胀过程中的温降。与其他类型CAES系统相比，在相同压比下，ICAES系统可最小化比压缩功并最大化比膨胀功。因此，ICAES具有相对较高能量密度和往返效率的潜在优势，并且由于单级可实现高压比而结构紧凑。
   本文试图收集和调查先前关于ICAES的工作，概述实现ICAES过程的现状和过去方法。特别是，它提供了热力学、循环、部件、传热机制和仿真建模方面的综合知识。将回顾这些概念、研究和结果，以深入了解ICAES的性能和效率。第2节介绍ICAES原理和发展。第3节总结和比较通过直接传热和间接传热实现等温过程的不同ICAES技术的性能。第4节涵盖ICAES的关键部件，包括等温压缩机、等温膨胀机和储气装置。第5节介绍传热特性研究方法和传热机制。第6节比较和讨论第3、4、5节内容。最后一节给出结论。
   现有综述大多仅将ICAES作为更广泛CAES技术的子节讨论，而其他综述主要关注单个系统配置、关键部件或传热过程。相比之下，本研究采用以ICAES为中心的多级框架，整合了系统配置、关键部件、传热特性、技术发展、技术挑战和未来趋势。
2. 2.
   ICAES系统原理与发展
   2.1 ICAES描述
   ICAES系统和运行原理如图2所示。充电过程中，来自可再生能源的电能或电网低谷电价驱动压缩机压缩空气。高比热容液体直接注入空气流与高温高压空气直接换热，或流经压缩机周围通过压缩机壁和换热装置吸收压缩热。冷却的高压空气储存在储气罐中，吸热液体储存在液体罐中，从而实现能量转换和存储。放电过程中，储气罐中高压空气释放并驱动膨胀机，同时液体罐中液体注入膨胀机向空气供热，膨胀机中空气继续保持恒温以避免做功能力下降，最大化空气内能转化为膨胀机机械能。膨胀机驱动发电机发电。压缩机下游安装的气液分离器用于分离气流中空气和液体，以避免液体腐蚀储气罐和系统能量损失。理想运行条件下，ICAES系统可实现95%效率和25?kWh/m³能量密度。
   ICAES和ACAES系统的压容图（P-V）如图3所示。ICAES和ACAES的压缩和膨胀均设为单级。ICAES充电时空气从点1等温压缩至点3，储存于储气罐；放电时高压空气从点3等温膨胀至点1。ACAES充电时空气从点1绝热压缩至点2，然后等压冷却至点3储存；放电时高压空气从点3绝热膨胀至点4，然后等压加热至点1。ACAES压缩和膨胀过程级数越多，压缩曲线和膨胀曲线越接近等温曲线1-3，系统热效率越高。
   主要类型CAES系统参数如表2所示。ICAES系统具有相对高效率和高能量密度，往返效率可高达95%。由于单级压比可高于绝热过程，系统更紧凑，能量密度更高。

2.2 ICAES发展历史

ICAES发展过程如图4所示。自上世纪以来，等温压缩和膨胀技术已被研究。Li开展了喷雾冷却活塞压缩机相关实验，随后研究了近等温膨胀机和近等温膨胀。后来，Kim等设计了带加热结构的涡旋膨胀机。

橡树岭国家实验室提出并研究了地面集成多样储能（GLIDES）系统。Qin等研究了ICAES技术与风电的集成、运行参数对效率的影响并预测了总资本支出。2007年，SustainX成立，致力于ICAES开发，获得了通过喷水实现等温压缩和膨胀的专利。SustainX、General Compression和Air4NRG项目开展了原型开发。

中国科学院工程热物理研究所（IET）也是该领域的先驱，拥有出版物、专利和ICAES试验台。中国众多高校和科研机构开展了ICAES技术研究。Zhang等研究了喷雾注入压缩机和膨胀机以及液体活塞压缩机。Cai等设计了等温活塞并研究了等温压缩机和膨胀机性能。Wang等设计和分析了与储热系统、太阳能系统等集成的ICAES系统。Jiang等关注基于液体活塞和液压传动技术的ICAES系统架构设计和运行控制策略。

ICAES总体处于研发阶段。一些公司如SustainX、LightSail Energy和General Compression开发了几个ICAES原型。在中国，现有研究主要集中在理论分析和关键部件实验验证。代表性项目和部件实验平台总结见表3，详述了规模/运行条件、技术路线、性能、局限/状态和地点。

1. 3.
   最新ICAES系统
   等温过程可通过两种传热方法实现：直接传热和间接传热。直接传热通过将高比热容流体注入空气或采用液体活塞配置实现。间接传热通常通过将关键部件（如储罐或工作缸）浸没在大水体中、利用带中间冷却器和中间加热器的多级压缩和膨胀或采用外部水套进行热调节来实现。高比热容流体可快速吸收压缩过程产生的热量并提供膨胀过程所需热量，从而实现近等温过程。水是具有高比热容和优异传热系数的合适流体。

3.1 直接传热ICAES系统

水直接注入气流，实现空气与水之间的直接传热，大幅增加有效传热面积，从而保持空气温度相对恒定。提出了一种海上ICAES系统，利用直接传热实现等温过程，集成了近等温压缩和膨胀过程与咸水层储气。充电时，通过喷水进行近等温压缩，高压空气通过井筒进入咸水层储存；放电时，高压空气在涡轮中近等温膨胀驱动发电机发电。对200?MW ICAES系统案例研究表明，往返效率约61%–82%，10小时200?MW系统资本投资成本为1457美元/kW。

提出了一种新型涡轮集成ICAES系统，风驱转子提供储能所需机械动力，机舱发电机将存储能量转化为电能。近等温压缩/膨胀利用带喷水的往复压缩机/膨胀机实现。通过直接驱动，转子和压缩机/膨胀机同轴旋转，避免齿轮箱，较慢转速确保足够传热时间。数值模型表明，在特定设计参数下系统往返效率可超过90%，性能取决于压比、液滴质量载荷和液滴直径的平衡。

液体活塞技术可有效耗散压缩过程几乎所有热量，反之提供膨胀所需热量。GLIDES系统用液体活塞代替涡轮机械，压缩和膨胀在高压容器内发生，液体活塞提供无泄漏密封。正排量泵可将空气加压至20–30?MPa，机械效率超90%。预计往返效率66%–82%，能量密度2.46–3.59?MJ/m³。2?kW原型实验测量电往返效率和指示效率分别为24%和97%，低电往返效率主要源于辅助部件（泵/电机和涡轮/发电机）的能量损失。

海上ICAES系统有两个液体活塞缸，充放电时分别作为压缩机和膨胀机模式。充电时液压泵加压空气，经空气冷却器冷却后储存在水下储气罐；放电时高压空气经空气加热器加热后在液体活塞缸膨胀，推动液体驱动泵发电。模拟显示2?MWh系统往返效率51%，提高部件效率可达73%。类似地，研究了无储热新型近等温泵的ICAES系统，充电时 surplus 电力驱动液压泵送水入洞穴压缩空气，放电时高压空气排水通过涡轮发电，电效率61.6%，?效率72.3%。

压缩机和膨胀机缸内采用多孔插入物最大化有效传热面积，增强热交换。理论研究了用于风力机的新型CAES系统，采用液体活塞和多孔材料实现近等温压缩/膨胀，压缩空气储存在高压双室液体容器中。与传统风电相比，带储能的风电效率降低5%–15%，但收益增加15%–124%。研究了微电网小型CAES系统五种配置，结合相变材料（PCM）换热器和带金属板的液体活塞近等温压缩机/膨胀机，往返效率最高达63%。

结合液体活塞技术与喷雾注入可进一步增强传热。提出了集成喷雾注入的开式ICAES系统，由两个工作缸、储气罐、可逆液压泵/涡轮、电机/发电机和两个泵组成。模拟显示空气压力达10?MPa，往返效率76%。ICAES与其他系统集成可提高能源利用率，如与加压水储热（PWTES）混合系统，喷雾注入限制空气温度变化在25.7?K内，开放系统效率达91.9%，能量存储密度2.28?kWh/m³。此外，基于内燃机辅助的近等温CAES系统整合液体活塞、内燃机和Kalina循环，电效率、往返效率和?效率分别为55.15%、87.42%和52.57%，比传统系统提高15.7%。

开发了基于液压动力传输和ICAES的多种集成方案，解决海上风电间歇性、机舱质量过大和并网成本高问题。研究了应用于海上风电的ICAES系统，通过喷水和液体活塞实现等温过程，三级系统储气压力35?MPa，最大压缩效率89%。结构集成将储能系统纳入塔架，发电机移至地面或海平面，液压泵驱动，结合ICAES减少总资本支出17%。技术经济分析表明，设备缩小带来的成本节约可抵消液压和存储部件资本支出，20年寿命期海上风场总成本降低21.6%。利用废弃油气井作为储气装置可解决塔架存储体积限制，适应大规模电力调度，预测能源价值成本降低超10%，可调度率86.7%。

液体活塞技术面临储气压力波动和高变压比下活塞操作不连续挑战。提出了基于线性驱动液体活塞的优化方案，通过协调液压缸和缓冲罐双模式实现恒压控制，系统效率达74%。为克服单级液体活塞高变压比下排气不连续导致的设备利用率低，提出了两级液体活塞机组协同运行方案，压缩空气存储压力范围达10?MPa，总效率68%。

3.2 间接传热ICAES系统

若将关键部件置于大水体中，ICAES系统可实现等温过程。压缩热通过部件壁快速传至水，膨胀时水向空气供热，温度波动小，为系统提供稳定恒温环境。利用水体自由能可产生额外输出能量，提高效率。大水体兼具储热和储冷功能，可省去额外储热设备简化系统结构并降低成本。

提出了浸没式ICAES系统，主要部件置于大水体中实现近等温过程，运行压力0.8?MPa，可引入外部热源增强输出功，输出功可达存储耗能的1.62倍。建造了427?L储罐进行实验，内储气400?L，外环27?L水。膨胀过程不同质量流量影响性能，质量流量0.01?kg/s时输出功率0.94?kW但波动大，0.005?kg/s时输出功率0.2?kW波动小。膨胀机效率和往返效率随质量流量增加而增加，0.01?kg/s时分别为68.3%和22.02%。比较了绝热、增强发电和增强多代配置，多代配置可产生额外冷能提高效率，三种配置往返电效率分别为24.8%、71.8%和54.9%，多代效率分别为58.78%、100%和162%。

此外，通过多级压缩/膨胀和中间冷却器/中间加热器，空气可在每级压缩后冷却和膨胀前加热，使过程接近近等温，减少传热?损，系统?效率高达74.4%。中间冷却器和中间加热器多用于AACAES系统回收压缩热，储热帮助摆脱化石燃料依赖，提高能源利用率。动态模型显示带填充床储热的AACAES往返效率可超70%。多级压缩/膨胀级数越多越接近等温，经济可行5–6级。适当提高排放温度可提高往返效率和膨胀机比功率，但需防止结冰。

1. 4.
   ICAES关键部件最新进展
   等温压缩和膨胀可最小化温差，减轻不可逆热损失，提高效率。等温压缩机和膨胀机是ICAES系统关键部件，根据传热模式分为直接传热和间接传热类型。

4.1 直接传热类型

直接传热等温压缩机和膨胀机通常利用水等高热容介质控制温升和温降。开发了新型往复压缩机，通过内部喷嘴喷水实现近等温压缩，瞬态空气温度维持在373.15?K以下，比绝热温度773.15?K低，比压缩功减少28%。相关实验表明喷水降低比功，多变指数降至1.161。涡旋压缩机和膨胀机喷水可改善密封，提高容积效率和空气利用率。

1. 5.
   传热特性分析
   （根据原文，第5节讨论了传热特性研究方法和传热强化机制，但文档内容在此处截断，故不展开。）
2. 6.
   比较与讨论
   （原文第6节比较和讨论了第3、4、5节内容，因文档截断，此处不总结。）

结论

（原文结论部分因文档截断未提供，故不总结。）