在英語俚語中，人們常用“Catch lighting in a bottle”（把閃電裝進瓶子里），用以形容挑戰(zhàn)性極高、生活中難以出現(xiàn)的景象。不過早在1752年，美國物理學家本杰明·富蘭克林早已在費城風箏實驗中完成了這一壯舉。
近三個世紀過去，“把電留住”依然是人類孜孜以求的重要技術(shù)方向。如今，“Catch lighting in a bottle”已不再是一個遙不可及的挑戰(zhàn)，人們給了它一個新的名字——儲能。
但今天的儲能系統(tǒng)，早已不局限于簡陋的“萊頓瓶”，我們已經(jīng)可以將暫時無法消納的電能，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、熱能、動能、化學能、重力勢能等。光大證券等機構(gòu)均認為，國內(nèi)儲能市場空間將達到萬億元級別。
為什么儲能這么“值錢”？
新能源很重要，但儲能是個問題
能源基礎(chǔ)設(shè)施是能源行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，而新能源當?shù)赖?ldquo;綠色世界”，沒有誰能割舍掉儲能。
馬斯克在他的宏圖計劃第三篇章（Master Plan 3）中，把“光能、純電、熱泵、氫能”等技術(shù)組合起來，實現(xiàn)人類“能源自由”，在他的美好愿景中，儲能是進行“能源分配”的核心樞紐。
傳統(tǒng)能源技術(shù)條件下，電廠發(fā)電實行的是“計劃經(jīng)濟”，調(diào)度機構(gòu)分配多少電，發(fā)電廠就發(fā)多少電，“發(fā)電”和“用電”的行為同時完成的。但風光電等新能源不像火電一樣，能夠持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)電，往往是風季和晴天發(fā)電量多，雨季和晚上幾乎不發(fā)電。
而儲能可以解決連續(xù)供電和間斷用電之間，供需錯配的情況。此外，通過儲能手段還可以平滑用電需求、削峰填谷，節(jié)省需求端的用電成本，更關(guān)鍵的，對于具有間歇性和波動性的風光電等新能源來說，儲能是并網(wǎng)的必要條件。
新能源不能沒有儲能，就好比電動車不能沒有充電樁。
早在2015年，國家發(fā)改委印發(fā)的《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）》中便引入了“車樁比”的概念，要求到2020年，我國新能源汽車的車樁比要達到接近1:1的水平。但這一目標截至2021年底也仍未實現(xiàn)，充電基礎(chǔ)設(shè)施的不足是制約新能源汽車發(fā)展的主要瓶頸之一。
如今，同樣的問題出現(xiàn)在了新能源發(fā)電領(lǐng)域。
從增量上看，國家能源局數(shù)據(jù)顯示，2022年，全國風電、光伏發(fā)電新增裝機突破1.2億千瓦，創(chuàng)下歷史新高。但同年，我國新增儲能裝機規(guī)模16.1GW（約合0.161億千瓦），同比增長109.1%，但這仍未到達新建新能源項目配建15%儲能規(guī)模的原則標準。
從存量上看，在在內(nèi)蒙古、新疆等風光電資源豐富的地區(qū)，棄風、棄光率居高不下，造成了大量能源和資源浪費。
一方面大量電力無法消納，另一方面風光電還在加緊建設(shè)。
4月12日，國家能源局發(fā)布《2023年能源工作指導意見》，文件提出了2023年全年風電、光伏發(fā)電裝機新增1.6億千瓦左右的規(guī)模目標，風光電規(guī)劃裝機容量再創(chuàng)新高。
以北京市周邊風光電資源相對豐富的張家口市張北縣為例，截至2022年底，張北可再生能源總裝機規(guī)模809萬千瓦，但儲能規(guī)模僅13萬千瓦，儲能規(guī)模占比只有1.6%。
為新能源電站配備合適的儲能基礎(chǔ)設(shè)施刻不容緩。
今年3月21日，國家發(fā)展改革委、國家能源局正式印發(fā)《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，指出要開展不同技術(shù)路線分類試點示范、推動多時間尺度新型儲能技術(shù)試點示范等，并明確到2025年，新型儲能由商業(yè)化初期步入規(guī)?；l(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件。
一個月后，國家能源局綜合司就《關(guān)于加強新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的指導意見（征求意見稿）》公開征求意見，在科學安排儲能建設(shè)方面提出，要按需建設(shè)儲能、有序建設(shè)抽水蓄能、積極推進新型儲能建設(shè)等要求。
不難看出，在新能源蓬勃發(fā)展的當下，儲能的重要性已然水漲船高?？蓛δ苁侄吻f，“怎么儲”是個問題。
要儲能，更要壓縮空氣儲能
從定義上講，儲能就是通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲起來，在需要時再釋放的過程。根據(jù)能量儲存的形式，我們可以把儲能分為機械儲能、化學儲能、電化學儲能、電磁儲能和熱儲能5大類，這5類儲能方式下又細分了各種具體手段。
在前述政策文件中，“新型儲能”的概念被多次提及。什么是新型儲能？簡單來說，除了抽水儲能外，前述所有儲能方式均屬于新型儲能技術(shù)。
與抽水儲能相比，新型儲能對選址要求更低、建設(shè)周期更快，能夠短期內(nèi)快速增加儲能規(guī)模，以應(yīng)對目前的儲能短板。這也是為什么我們?nèi)绱诵枰罅ㄔO(shè)新型儲能系統(tǒng)。
但是諸多新型儲能手段，其適用的細分場景也有所不同。
飛輪儲能、超導及超級電容等屬于短時高頻儲能，它能夠快速響應(yīng)，實現(xiàn)調(diào)頻等功能；而中長時的電化學儲能和超長時的壓縮空氣儲能，則在儲能系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的功能。
據(jù)媒體統(tǒng)計，“十四五”期間我國30省/市風光裝機規(guī)劃目標達874.037GW，而小容量的儲能手段難以滿足可再生能源大規(guī)模發(fā)展的需求。因此，有研究指出“大規(guī)模的電力儲能技術(shù)將會成為電力行業(yè)重點關(guān)注的技術(shù)之一”。
“十四五”期間，我國30省/市風光裝機規(guī)劃目標達874.037GW，全國可再生能源發(fā)電增量在全社會用電增量中的占比將超過50%，小規(guī)模、小容量的儲能手段難以滿足可再生能源大規(guī)模發(fā)展的需求，這更需要大力發(fā)展以壓縮空氣儲能為代表的大規(guī)模、長時儲能技術(shù)，以增強電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。
中國科學院院士、南方科技大學碳中和能源研究院院長趙天壽也曾公開表示，發(fā)展長時大規(guī)模儲能技術(shù)是提高風光能源占比的必然要求。
這一趨勢從新型儲能裝機量中可見一斑——《中國新型儲能發(fā)展報告2023》提到，雖然在已投產(chǎn)的新型儲能裝機中，鋰離子電池儲能仍占主導地位，占比約94.5%。不過自2022年起，壓縮空氣儲能、液流電池儲能兩種長時儲能手段發(fā)展提速，在當年新增裝機的占比分別達到3.4%、2.3%。
壓縮空氣空氣儲能究竟是如何實現(xiàn)的呢？
簡單來說，這是一種用電能驅(qū)動電動機帶動壓縮機，將空氣壓縮后密封在報廢礦井、洞穴或?qū)ｉT的儲氣罐、儲氣井中，在電網(wǎng)負荷高峰期釋放壓縮空氣推動透平膨脹機做功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，完成空氣壓力能到電能轉(zhuǎn)換的儲能方式。
壓縮空氣儲能除了能適應(yīng)長時間、大規(guī)模儲能的需求外，還有如下幾點優(yōu)勢：
第一，壓縮空氣儲能技術(shù)成熟、安全性高，不存在爆炸和燃燒的風險；
第二，壓縮空氣儲能受建設(shè)條件影響小，在礦區(qū)可利用廢棄鹽穴、巖洞儲氣，非礦區(qū)則能通過氣罐及人造硐室來儲氣，擺脫環(huán)境限制；
第三，壓縮空氣儲能系統(tǒng)全部為機械設(shè)備，壽命長達30~50年，不會存在電化學儲能等容量、性能衰減的問題；
此外，壓縮空氣儲能單位成本和全壽命周期度電成本低，不消耗大量稀有資源。
既然壓縮空氣儲能有諸多優(yōu)勢，那為什么直到今天才大規(guī)模爆發(fā)呢？
壓縮空氣儲能，前景在哪？
關(guān)于壓縮空氣儲能的研究，可以追溯到1949年，德國工程師StalLaval提出了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)。到1978年，德國已建成世界*座傳統(tǒng)壓縮空氣儲能電站（Huntorf 電站）——這遠早于磷酸鐵鋰體系提出的1996年。
該技術(shù)遲遲未能大規(guī)模商業(yè)化，與彼時傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的缺陷有關(guān)。
首先，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能依賴于化石燃料。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是來源于燃氣輪機的技術(shù)，在儲能時，被壓縮的空氣對外做功，一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能散失，在釋能時，還要消耗化石能源燃燒加熱空氣提高空氣推力，驅(qū)動膨脹機做功，以提高電能的輸出效率，這一過程也被稱為“補燃”。一來二去，壓縮空氣儲能系統(tǒng)不僅沒有擺脫對化石燃料的依賴，綜合儲能效率也大打折扣，而Huntorf 電站采用的，正是補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)。
隨著余熱回收技術(shù)的發(fā)展，如今我們已經(jīng)可以將儲能時空氣被壓縮過程產(chǎn)生的熱量回收起來，用于釋能發(fā)電時加熱空氣，新型壓縮空氣儲能技術(shù)應(yīng)運而生。
新型壓縮空氣儲能又分為絕熱式、蓄熱式、等溫式、超臨界、液化、水下等多種技術(shù)路線，均不用補燃化石燃料。中儲國能用于儲存壓縮熱的材料價格低廉、換熱效果好，蓄熱效率可達98%以上，這樣我們利用壓縮熱給空氣預(yù)熱升溫的效果更好，就能擺脫對化石燃料的依賴了，系統(tǒng)過程中產(chǎn)生的壓縮熱回收利用，系統(tǒng)效率會大幅提高。
目前，中儲國能的百兆瓦級壓縮空氣儲能技術(shù)的系統(tǒng)額定效率可達70%左右，并且還在進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，減小系統(tǒng)損耗，向75%的理論上限逼近。
其次，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率低。
壓縮空氣儲能是一個系統(tǒng)工程，各個環(huán)節(jié)都對于系統(tǒng)效率有影響，包括系統(tǒng)整體參數(shù)及各核心部件設(shè)計等。同時，單個設(shè)備效率高并不代表系統(tǒng)整體性能好，各子系統(tǒng)需要互相耦合，做整個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。
傳統(tǒng)系統(tǒng)的核心設(shè)備大多不是為壓縮空氣儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)量身打造的，設(shè)備運行效率并不高。資料顯示，Huntorf電站的壓縮機源自燃氣輪機，其功率只有60兆瓦。其它行業(yè)使用的壓縮機、膨脹級等設(shè)備無法直接用于壓縮空氣儲能，因此需要另行研發(fā)新的核心設(shè)備來支持壓縮空氣儲能系統(tǒng)的整體運行，包括壓縮機、膨脹機、蓄熱器和換熱器等。這些都十分考驗公司的研發(fā)能力。
中儲國能是中國科學院工程熱物理研究所百兆瓦壓縮空氣儲能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司，其創(chuàng)始團隊自2004年便專注于壓縮空氣儲能技術(shù)領(lǐng)域，開展包括整體系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、核心部件研發(fā)、控制系統(tǒng)設(shè)計及工程化、產(chǎn)業(yè)化工作。
目前，團隊已掌握壓縮空氣儲能全套自主知識產(chǎn)權(quán)，已授權(quán)專利300余項，不存在‘卡脖子’之虞。不僅如此，反而因中國的舉國體制和強大的工程優(yōu)勢，在研發(fā)及工程項目建設(shè)方面*于國外。
而中國科學院工程熱物理研究所技術(shù)團隊已分別在河北廊坊、貴州畢節(jié)、山東肥城、河北張家口建成了國際首座1.5MW、10MW和100MW國家示范電站（項目），肥城先進壓縮空氣儲能二期電站也于2022年底開工建設(shè)，該項目單機功率達300MW。
其它機構(gòu)及團隊也在紛紛布局壓縮空氣儲能項目。在中性條件下，2025年我國壓縮空氣儲能裝市場空間將達到371.80億元，對應(yīng)在2022年基礎(chǔ)上新增裝機6.59GW。
最后，壓縮空氣儲能還要依靠持續(xù)研發(fā)，降本增效。
隨著壓縮空氣儲能系統(tǒng)單機規(guī)模增加，系統(tǒng)效率有望進一步提高，逼近75%的理論極限效率。
目前大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的儲氣方式主要有天然洞穴改造、人工硐室和儲氣罐三種方式。其中，不銹鋼的大量使用提高了儲能系統(tǒng)的整體造價。人工硐室可以進一步降低儲氣系統(tǒng)成本，具有更廣闊的應(yīng)用前景。
當下，壓縮空氣儲能系統(tǒng)處于示范階段，核心設(shè)備為定制化小批量生產(chǎn)，中儲國能正在建設(shè)核心設(shè)備生產(chǎn)線，后續(xù)隨著核心設(shè)備大規(guī)模批量生產(chǎn)，可進一步降低設(shè)備成本。
能源革命的趨勢：新能源+儲能
7月19日電，中共中央、國務(wù)院發(fā)布關(guān)于促進民營經(jīng)濟發(fā)展壯大的意見，指出要加大可再生能源發(fā)電和儲能等領(lǐng)域投資力度，參與碳排放權(quán)、用能權(quán)交易。
我認為，新能源加上儲能，是能源革命的趨勢。我們原來的電力系統(tǒng)是剛性的，主要依靠火電的靈活性調(diào)節(jié)來實現(xiàn)發(fā)電端和需求端的動態(tài)平衡，但未來要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，我們需要打造柔性化的智能電網(wǎng)，但我們?nèi)绾误w現(xiàn)電網(wǎng)的智能化和柔性化？
這就要靠儲能這個重要的調(diào)節(jié)手段，來提高電力系統(tǒng)的運行效率、經(jīng)濟性和可靠性，而壓縮空氣儲能是未來儲能領(lǐng)域不可缺少的一環(huán)。
無論短時高頻，還是中長時、長時低頻的儲能技術(shù)，都有其適用的場景。比如短時高頻儲能領(lǐng)域，飛輪、超導、超級電容等技術(shù)更有優(yōu)勢；中長時的電化學儲能，目前還是以鋰電池儲能為主，但未來鈉電池也很有前景；超長時儲能方面，壓縮空氣儲能、液流電池、氫儲能等也各有優(yōu)勢。它們未來很長一段時間內(nèi)會并存，但每一個路線都會越來越聚焦，最后可能會有一兩個技術(shù)成為主流。
無論市場如何競爭、行業(yè)如何洗牌，好的技術(shù)路線和持續(xù)深耕技術(shù)的精神會帶領(lǐng)公司穿越周期。
原標題：儲能很重要，但怎么儲是個問題
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