压缩空气储能与氢能耦合系统的研究进展

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.260217

发电技术 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 406-421.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.260217

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压缩空气储能与氢能耦合系统的研究进展

李欣¹, 韦古强², 强同波², 郑刚基², 陈六彪³, 季伟¹

^1.中绿中科储能技术有限公司，北京市东城区 100020
^2.中国绿发投资集团有限公司青海分公司，青海省西宁市 810001
^3.中国科学院理化技术研究所，北京市海淀区 100190

收稿日期:2025-04-10 修回日期:2025-06-15 出版日期:2026-04-30 发布日期:2026-04-21
作者简介:李欣(1994)，女，博士，工程师，研究方向为化学工程与液态空气储能技术，lixin1@cgdg.com；
韦古强(1986)，男，高级工程师，研究方向为新能源及储能技术，weigq@cgdg.com；
强同波(1970)，男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源及储能技术，qiangtb@cgdg.com；
郑刚基(1979)，男，工程师，研究方向为新能源及储能技术，zheng_gangji@cgdg.com；
陈六彪(1987)，男，博士，研究员，研究方向为高效制冷及蓄冷技术，chenliubiao@mail.ipc.ac.cn；
季伟(1987)，男，博士，高级工程师，研究方向为大规模空气储能技术，本文通信作者，ji-wei@cgdg.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(12073058);中国绿发集团科技项目(549000230027)

Research Progress on Compressed Air Energy Storage and Hydrogen Energy Coupling Systems

Xin LI¹, Guqiang WEI², Tongbo QIANG², Gangji ZHENG², Liubiao CHEN³, Wei JI¹

^1.Zhonglv Zhongke Energy Storage Technology Co. , Ltd. , Dongcheng District, Beijing 100020, China
^2.Qinghai Branch, China Green Development Investment Group Co. , Ltd. , Xining 810001, Qinghai Province, China
^3.Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China

Received:2025-04-10 Revised:2025-06-15 Published:2026-04-30 Online:2026-04-21
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12073058);China Green Development Investment Group Project(549000230027)

摘要/Abstract

摘要：

目的压缩空气储能-氢能耦合系统在能源低碳转型、新型电力系统构建、电网大规模调峰、氢能大规模消纳等领域具有突出的优势。为了阐明压缩空气储能-氢能耦合系统的研究现状、明确亟待解决的关键科学技术问题及未来的发展方向，对该领域的相关研究进行了综述。方法分析了不同压缩空气储能-氢能耦合系统的技术路线及特点，总结了不同耦合系统亟待解决的关键科学技术问题及其研究现状，并在此基础上，展望了压缩空气储能-氢能耦合系统未来的发展方向。结果现已提出了4种压缩空气储能-氢能耦合系统，具有不同的技术路线及特点；为了促进不同压缩空气储能-氢能耦合系统的规模化发展，还需要在新型耦合工艺开发、氢能制备储存等关键共性技术、氢燃气轮机技术、甲烷化反应机理及反应器优化等领域展开研究与攻关。结论压缩空气储能-氢能耦合系统是未来最有潜力的发展方向之一，推进其规模化发展与工程化建设还需要多学科、多领域的深入研究与联合攻关。

关键词: 压缩空气储能, 液态空气储能, 氢能, 系统耦合, 储能

Abstract:

Objectives Compressed air energy storage-hydrogen energy (CAES-HE) coupling systems show prominent advantages in the fields of low-carbon energy transition, the construction of new-type power systems, large-scale peak shaving of the power grid, and large-scale hydrogen consumption. To clarify the current research status of the CAES-HE coupling systems, identify the key scientific and technological issues that need to be addressed, and outline future development directions, a review of relevant studies in this field is conducted. Methods The technical routes and characteristics of different CAES-HE coupling systems are analyzed. The key scientific and technological issues that need to be addressed in different coupling systems, along with their current research status, are summarized. On this basis, the future development directions of CAES-HE coupling systems are discussed. Results Currently, four types of CAES-HE coupling systems with different technical routes and characteristics have been proposed. To promote the large-scale development of different CAES-HE coupling systems, research and breakthroughs are still needed in areas including the development of new coupling processes, key common technologies for hydrogen production and storage, hydrogen gas turbine technology, methanation reaction mechanisms, and reactor optimization. Conclusions CAES-HE coupling systems are one of the most promising development directions in the future, and promoting their large-scale deployment and engineering implementation requires in-depth research and collaborative efforts across multiple disciplines and fields.

Key words: compressed air energy storage, liquid air energy storage, hydrogen energy, system coupling, energy storage

中图分类号:

TK 019

李欣, 韦古强, 强同波, 郑刚基, 陈六彪, 季伟. 压缩空气储能与氢能耦合系统的研究进展[J]. 发电技术, 2026, 47(2): 406-421.

Xin LI, Guqiang WEI, Tongbo QIANG, Gangji ZHENG, Liubiao CHEN, Wei JI. Research Progress on Compressed Air Energy Storage and Hydrogen Energy Coupling Systems[J]. Power Generation Technology, 2026, 47(2): 406-421.

图/表 11

图1 不同压缩空气储能与氢能耦合系统示意图L表示氢；A表示空气；W表示ORC工作介质；数字表示工艺流程的先后顺序或用于区分同类型设备。

Fig. 1 Schematic diagram of different compressed air energy storage and hydrogen energy coupling systems

图2 液氢再气化-液态空气储能耦合系统流程图L表示氢；A表示空气；W表示ORC工作介质；数字表示工艺流程的先后顺序或用于区分同类型设备。

Fig. 2 Process flow diagram of liquid hydrogen regasification-liquid air energy storage coupling system

图3 集成空分、有机朗肯循环、液态空气储能和氢液化的耦合系统流程图E表示管壳式换热器/冷却器；P表示泵；VLV表示阀门；Col-1表示吸收器；Col-2表示剥离器；M表示混合器；HX表示多流股换热器；V表示分离器；ERV表示平衡反应器；GRV表示燃烧室；K表示压缩机/膨胀机；数字表示工艺流程的先后顺序或用于区分同类型设备。

Fig. 3 Process flow diagram of the H2 liquefaction process integrated with ARS, ORC, and LAES system

图4 氢液化-液态空气储能系统流程图L表示氢；A表示储能过程的空气；D表示释能过程的空气；V表示阀门；数字表示工艺流程的先后顺序或用于区分同类型设备。

Fig. 4 Process flow diagram of hydrogen liquefaction-liquid air energy storage system

图5 氢电联产系统示意图MAC表示电动机；EG1表示发电机；PEME表示质子交换膜电解槽；数字表示工艺流程的先后顺序。

Fig. 5 Schematic diagram of hydrogen-power cogeneration system

图6 太阳能光热-压缩空气-电解水制氢-氢燃烧发电系统流程图数字表示工艺流程的先后顺序。

Fig. 6 Process flow diagram of solar thermal-compressed air-hydrogen production by water electrolysis-hydrogen combustion power generation system

图7 电解水制氢-压缩空气储能耦合系统示意图H表示氢；A表示空气；W表示水；P表示输送泵；数字表示工艺流程的先后顺序。

Fig. 7 Schematic diagram of hydrogen production by water electrolysis-compressed air energy storage coupling system

图8 压缩空气储能-氢储能耦合系统示意图

Fig. 8 Schematic diagram of compressed air energy storage-hydrogen energy storage coupling system

表1 不同耦合系统的技术特点及存在的问题

Tab. 1 Technical characteristics and existing problems of different coupling systems

耦合系统类型	技术路线特点	存在的问题及未来研究方向
基于冷能利用的耦合系统	实现液态氢气化同时提高液态空气储能系统效率，或实现液态空气的冷量利用同时强化氢液化过程	1）研究相对较少，难以对不同冷能利用技术路线定量对比，需要进一步优化氢能-液态空气储能耦合系统集成设计；2）超临界空气/氢气大温跨、小温差换热设备设计及高效蓄冷换热技术开发；3）大型液氢球罐的设计制造；4）大型液氢输送泵的设计制造
基于压缩空气储能联产氢的耦合系统	低谷电分别用于电解水制氢和压缩空气储能，实现低谷电的最优配置	1）解决具有间歇运行特性的压缩空气储能系统与不适合频繁启停的电解槽装置的匹配问题； 2）电解水制氢的关键技术
基于氢气与压缩空气燃烧发电的耦合系统	在压缩空气联产氢系统的基础上，取出部分氢气与压缩空气用于燃烧发电	1）受氢燃气轮机设备的制约，需要加深对氢气燃烧机理的理解，突破氢燃气轮机技术；2）电解水制氢的关键技术
氢气甲烷化与压缩空气燃烧发电耦合系统	氢气先与二氧化碳反应生成甲烷，再与压缩空气燃烧发电	1）二氧化碳与氢气甲烷化反应机理与控制策略； 2）低成本催化剂开发、催化剂催化机理及失活机理研究；3）甲烷化反应器优化

表2 氢气和甲烷的热物理性质和化学性质

Tab. 2 Thermophysical and chemical properties of hydrogen and methane

项目	比重	热扩散系数/(mm²⋅s^-1)	动量扩散系数/(mm²⋅s^-1)	空气中质量扩散系数/(mm²⋅s^-1)	质量低热值/(MJ⋅kg^-1)	体积低热值/ (MJ⋅m^-3)
氢气	0.07	153.26	105.77	78.79	119.93	10.05
甲烷	0.55	23.69	16.81	23.98	50.02	33.36
项目	自燃温度/K	空气中可燃极限体积分数/%	空气中最小点火能/mJ	空气中最高绝热火焰温度/K	空气中最大层流火焰速度/(cm⋅s^-1)
氢气	858	4~75	0.02	2 376	306
甲烷	813	5.3~15	0.29	2 223	37.6

表3 不同燃烧器的原理及优缺点

Tab. 3 Principles, advantages, and disadvantages of different burners

通过注入水/水蒸气减少火焰高温部分产生的NO _x

干式低排放燃烧器

燃料、空气混合后再喷射和燃烧，为无水燃烧

可通过燃料稀释或者尾气循环燃烧来降低NO _x 排放

只能在一定条件下稳定燃烧，有可能引起回火、断火以及爆震等问题

1）安装微小氢火焰喷嘴的逆流式筒型燃烧器(日本川崎重工)；

2）多点燃烧器(日本三菱重工)

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压缩空气储能与氢能耦合系统的研究进展

Research Progress on Compressed Air Energy Storage and Hydrogen Energy Coupling Systems

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