壓縮空氣儲能技術

壓縮空氣儲能技術是利用壓縮空氣儲存能量的儲能發電廠。 它們用于電網控制，例如提供平衡電力：如果產生的電力多于消耗的電力，則多余的能量用于在壓力下將空氣泵入存儲設施； 當需要電力時，通過燃氣輪機中的壓縮空氣產生電力。

壓縮空氣儲能技術之前被設計為與燃氣輪機發電廠相結合的混合動力系統，可在高峰負荷時提供電力。 與為同一目的而開發的抽水蓄能電站不同，抽水蓄能電站的水通過落水管從高處的蓄水湖流下，從而驅動渦輪機和發電機，而壓縮空氣儲能技術利用壓縮空氣中包含的能量. 在非高峰期，使用電動壓縮機將壓縮空氣儲存在地下洞穴中。 在峰值負載對電力的高需求時，壓縮空氣被送入燃氣輪機，燃氣輪機將其電力輸送到與之相連的發電機。 由于當空氣膨脹時必須再次供應熱量以防止渦輪機結冰，因此使用了壓縮空氣儲存和燃氣輪機發電廠的組合。

由于高峰負荷發電廠大部分時間處于閑置狀態，或者就儲能發電廠而言，它們正在充電，因此只有在高峰負荷時段以高價消耗電力時，它們才能盈利。 因此，總成本在很大程度上取決于系統的安裝成本。

壓縮空氣儲能技術以及其他峰值負荷和儲能發電廠的一個基本特征是它們可以非常快速地啟動。

此外，該系統具備黑啟動能力，這意味著該系統可以在大規模停電后為恢復網絡運行做出貢獻。

由于空氣在壓縮過程中放出熱量，而空氣在減壓過程中冷卻（焦耳-湯姆遜效應），熱能就這樣流失，效率下降。 為了補償減壓時冷空氣的負面影響，在減壓時通過燃燒氣體對其進行部分加熱。 由于需要兩種不同的輸入因素（天然氣和電力），因此很難說明壓縮空氣儲能技術的效率。 這些不能輕易等同。 有兩種極端的解釋：

由于天然氣價格相對較高，可以將洞穴中壓縮的空氣轉化為電能，而無需任何額外的天然氣供熱。 該電廠的效率計算類似于抽水蓄能電廠。 由于大部分未使用的壓縮熱造成的高損失，其效率明顯低于現代燃氣輪機。

由于天然氣價格非常低，可以降低洞穴壓力，以節省寶貴的壓縮電能。 通過燃燒更多的氣體，這種不足可以通過更高的渦輪入口溫度在一定范圍內得到補償。 然而，在一定程度上，這與儲能電站的實際目的即儲存能量相矛盾。 此外，這使您更接近傳統的燃氣輪機工藝。

由于技術原因，真正的壓縮空氣儲能技術介于這兩個極端之間。 例如，為了在亨特多夫發電廠產生 1 千瓦時的電能，必須應用 0.8 千瓦時的電能和 1.6 千瓦時的燃氣。

由于能源轉型以及隨之而來的風力渦輪機和光伏系統的擴張，壓縮空氣儲能技術在未來可能變得更加重要，這與儲能需求的增加有關。 像抽水蓄能電站一樣，它們可以用來提煉電力。 為了提供類似數量的控制能量，抽水蓄能電站要么需要大容量，因此需要大面積，要么需要大的高度差異。

壓縮空氣儲存需要挖空、密封的鹽穹頂，因此與地質條件適宜的地點相關聯，就像抽水蓄能電站一樣。 德國北海沿岸有許多被沖刷掉的鹽丘可以，以便為壓縮空氣存儲系統創建洞穴。

鑒于風能和光伏發電的不斷擴張，儲能的廣泛使用有望穩定這些波動（易變）的“依賴供應的能源形式”。 缺少的風能或太陽能可以從儲能中得到補充，短期但非常高的生產高峰可以饋入儲能，從而增加風能和太陽能的電網兼容性。 有利的是，在當前（沿海地區）和未來（北海和波羅的海）生產中心附近有許多地質適合風力發電的地點。

嚴格意義上的壓縮空氣儲能技術僅由一臺動力驅動的壓縮機、作為大容積密閉容器的壓縮空氣儲存器、一臺渦輪機和一臺發電機組成。 壓縮機壓縮空氣并將其壓入容器中。 隨后流出的壓縮空氣驅動渦輪機。 連接的發電機產生電力。 這種基本設計在實踐中會導致嚴重的問題和低效的操作。 因此，它總是被擴展以包含其他組件。

空氣的壓縮會自動導致其溫度升高，請參見絕熱狀態變化。 根據壓力，可以達到 1,000 °C 以上。 為了保護系統免受此影響，它的熱能通過熱交換器釋放到環境中，因此無法進一步使用。 由于在重新提取之前不可避免地與壓縮空氣儲存器（洞穴）的壁進行溫度平衡，因此會發生進一步的冷卻。 這兩個過程都會導致顯著的效率損失。

相反，（已經冷卻的）空氣會在渦輪膨脹期間強烈冷卻。 空氣中殘留的水分會凍結并凍結渦輪機。 為避免這種情況，壓縮空氣在進入渦輪機時與可燃氣體混合并點燃混合物。 產生的熱廢氣驅動渦輪機。

因此，這是一個燃氣輪機發電廠，其中屬于渦輪機的壓縮機的工作由存儲的壓縮空氣接管。 Huntorf 發電廠屬于此類。因此，這種發電廠不存儲任何能量；這種發電廠的特殊好處在于提供平衡能量。 通過在沒有耦合壓縮機的情況下運行渦輪機，可以獲得比傳統燃氣發電廠更高的輸出。

使用絕熱(isch)en 壓縮空氣儲能技術，壓縮機不被冷卻，壓縮空氣的熱量暫時儲存在蓄熱器中。 它被設計成一個固體儲罐，類似于 Cowper。

如果空氣再次放松，它首先通過蓄熱器并因此再次被加熱。 不使用天然氣來加熱空氣。 這樣，可以實現明顯更高的利用率。 但前提是儲罐充放電的時間要短。 在渦輪機中膨脹期間，空氣冷卻至環境溫度。

在迄今為止安裝的發電廠中，壓縮空氣時產生的熱量會散發到環境中，因此無法再使用。 因此，絕熱壓縮空氣儲能技術更接近于絕熱狀態變化，效率更高。

在從壓縮空氣儲存器抽取壓縮空氣的過程中，儲存器中的壓力以及因此渦輪機的入口壓力降低。 然而，傳統的渦輪機是為基本恒定的壓力而設計的。 為了在提取過程中保持壓縮空氣儲罐中的壓力恒定，可以將其放置在液柱下方。 這可以通過將（地下）洞穴連接到地上水庫來實現。