壓縮空氣儲能(CAES)是指在電網低負荷時期將電能用於壓縮空氣，在廢棄礦井、沈沒海底儲氣罐、洞穴、過期油氣井或新建儲氣井中高壓封存空氣，在電網高峰負荷時期釋放壓縮空氣促進渦輪發電的儲能方式。
自從1949年StalLaval提出用壓縮空氣儲能以來，國內外學者做了大量的研究。目前，世界上已有兩座大型傳統壓縮空氣儲能電站投入運行。1978年，第壹臺商用壓縮空氣儲能裝置在亨托夫誕生。[1]1991 5月，第二座電站在美國阿拉巴馬州麥金托什投產。
目前壓縮空氣儲能系統的形式多種多樣，按工質、存儲介質和熱源可分為傳統的壓縮空氣儲能系統(需要化石燃料燃燒)、帶蓄熱裝置的壓縮空氣儲能系統和液氣壓縮儲能系統。
壓縮空氣儲能的應用前景更廣闊，比如大大提高效率；使用起來更加靈活，甚至可以用於汽車動力；接受可再生能源，提供可再生能源在電網中的比例，甚至利用工業余熱。
壓縮空氣儲能系統大規模發展的主要技術障礙是兩個方面:對大型儲氣裝置的需求和對燃燒化石燃料的依賴。為了解決這兩個問題，蓄熱式壓縮空氣儲能系統、微型壓縮空氣儲能系統、液化空氣儲能系統、超臨界壓縮空氣儲能系統、耦合可再生能源的壓縮空氣儲能系統應運而生。
帶蓄熱的壓縮空氣儲能系統也稱為先進絕熱壓縮空氣儲能系統。系統中的空氣壓縮過程接近絕熱過程，有大量的壓縮熱。例如，在理想狀態下，當壓縮空氣為100bar時，可以產生650°C的高溫。壓縮後的熱能儲存在蓄熱裝置中，壓縮空氣在能量釋放過程中被加熱，帶動渦輪做功。與傳統的燃燒燃料的壓縮空氣儲能系統相比，系統的儲能效率大大提高，理論上可以達到70%以上。同時，由於用壓縮熱代替燃料燃燒，系統取消了燃燒室，實現了零排放的要求。該系統的主要缺點是初期投資成本會增加20%~30%。
小型壓縮空氣儲能系統的規模壹般為10MW。它利用地面的高壓容器儲存壓縮空氣，從而突破了對儲氣洞穴的依賴，具有更大的靈活性。更適用於城市供能系統——分布式供能、小電網等。，用於電力需求側管理、不間斷供電等。同時也可以建在風電場等可再生能源系統附近，調節和穩定可再生能源和電力的供應。
微型壓縮空氣儲能系統的規模壹般在幾千瓦到幾十千瓦的數量級。還利用地面的高壓容器儲存壓縮空氣，主要用於特殊領域(如控制、通信、軍事領域)的備用電源，偏遠、孤立地區的微型電網，壓縮空氣汽車電源。國外學者研發了壹種車用壓縮空氣動力系統，300升儲氣罐，可以驅動1噸的汽車以50公裏的時速行駛96公裏，基本滿足日常城市交通的需要。
液化空氣和超臨界壓縮空氣儲能系統是新近提出的壓縮空氣儲能系統。前者由中國科學院工程熱物理研究所和英國高湛公司聯合開發並獲得專利。因為液態空氣的密度比氣態空氣的密度高得多，所以該系統不需要大的空氣儲存室。然而，該系統的效率較低。為解決液空儲能系統效率低的問題，中國科學院工程熱物理研究所於2009年在國際上首次提出並自主研發了超臨界壓縮空氣儲能系統。該技術利用超臨界狀態下空氣的特殊性質，綜合了常規壓縮空氣儲能系統和液化空氣儲能系統的優點。它具有儲能規模大、效率高、投資成本低、能量密度高、無需大型儲能裝置、儲能周期無限制、適用於各種類型電站、運行安全環保等優點，前景廣闊。
壓縮空氣儲能與可再生能源的耦合系統可以“拼接”間歇性的可再生能源並穩定輸出。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統可以儲存太陽能，必要時加熱壓縮空氣，然後驅動渦輪發電。除了太陽能，電力、化工、水泥等行業的余熱都可以作為外熱源。因此，帶蓄熱的壓縮空氣蓄能系統具有廣闊的應用前景。此外，它還可以與風力發電系統耦合。在低功耗時，風力發電站的剩余功率壓縮並儲存壓縮空氣；用電高峰時，壓縮空氣燃燒進入燃氣輪機發電。利用壓縮空氣儲能-風能耦合系統可以將風電在電網中的供電比例提高到80%，遠高於傳統上限的40%。生物質還可以氣化成合成氣，替代天然氣用於壓縮空氣系統，以減少壓縮空氣儲能系統對天然氣的依賴。