在英語俚語中，人們常用“Catch lighting in a bottle”（把閃電裝進(jìn)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(guó)物理學(xué)家本杰明·富蘭克林早已在費(fèi)城風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)中完成了這一壯舉。
近三個(gè)世紀(jì)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(gè)遙不可及的挑戰(zhàn)，人們給了它一個(gè)新的名字——儲(chǔ)能。
但今天的儲(chǔ)能系統(tǒng)，早已不局限于簡(jiǎn)陋的“萊頓瓶”，我們已經(jīng)可以將暫時(shí)無法消納的電能，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、熱能、動(dòng)能、化學(xué)能、重力勢(shì)能等。光大證券等機(jī)構(gòu)均認(rèn)為，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能市場(chǎng)空間將達(dá)到萬億元級(jí)別。
為什么儲(chǔ)能這么“值錢”？
新能源很重要，但儲(chǔ)能是個(gè)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(dāng)?shù)赖?ldquo;綠色世界”，沒有誰能割舍掉儲(chǔ)能。
馬斯克在他的宏圖計(jì)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(shí)現(xiàn)人類“能源自由”，在他的美好愿景中，儲(chǔ)能是進(jìn)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(shí)行的是“計(jì)劃經(jīng)濟(jì)”，調(diào)度機(jī)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(shí)完成的。但風(fēng)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(fēng)季和晴天發(fā)電量多，雨季和晚上幾乎不發(fā)電。
而儲(chǔ)能可以解決連續(xù)供電和間斷用電之間，供需錯(cuò)配的情況。此外，通過儲(chǔ)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(duì)于具有間歇性和波動(dòng)性的風(fēng)光電等新能源來說，儲(chǔ)能是并網(wǎng)的必要條件。
新能源不能沒有儲(chǔ)能，就好比電動(dòng)車不能沒有充電樁。
早在2015年，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)的《電動(dòng)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(guó)新能源汽車的車樁比要達(dá)到接近1:1的水平。但這一目標(biāo)截至2021年底也仍未實(shí)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(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2022年，全國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電新增裝機(jī)突破1.2億千瓦，創(chuàng)下歷史新高。但同年，我國(guó)新增儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模16.1GW（約合0.161億千瓦），同比增長(zhǎng)109.1%，但這仍未到達(dá)新建新能源項(xiàng)目配建15%儲(chǔ)能規(guī)模的原則標(biāo)準(zhǔn)。
從存量上看，在在內(nèi)蒙古、新疆等風(fēng)光電資源豐富的地區(qū)，棄風(fēng)、棄光率居高不下，造成了大量能源和資源浪費(fèi)。
一方面大量電力無法消納，另一方面風(fēng)光電還在加緊建設(shè)。
4月12日，國(guó)家能源局發(fā)布《2023年能源工作指導(dǎo)意見》，文件提出了2023年全年風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)新增1.6億千瓦左右的規(guī)模目標(biāo)，風(fēng)光電規(guī)劃裝機(jī)容量再創(chuàng)新高。
以北京市周邊風(fēng)光電資源相對(duì)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(jī)規(guī)模809萬千瓦，但儲(chǔ)能規(guī)模僅13萬千瓦，儲(chǔ)能規(guī)模占比只有1.6%。
為新能源電站配備合適的儲(chǔ)能基礎(chǔ)設(shè)施刻不容緩。
今年3月21日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局正式印發(fā)《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，指出要開展不同技術(shù)路線分類試點(diǎn)示范、推動(dòng)多時(shí)間尺度新型儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)示范等，并明確到2025年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)模化發(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件。
一個(gè)月后，國(guó)家能源局綜合司就《關(guān)于加強(qiáng)新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》公開征求意見，在科學(xué)安排儲(chǔ)能建設(shè)方面提出，要按需建設(shè)儲(chǔ)能、有序建設(shè)抽水蓄能、積極推進(jìn)新型儲(chǔ)能建設(shè)等要求。
不難看出，在新能源蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，儲(chǔ)能的重要性已然水漲船高。可儲(chǔ)能手段千千萬，“怎么儲(chǔ)”是個(gè)問題。
要儲(chǔ)能，更要壓縮空氣儲(chǔ)能
從定義上講，儲(chǔ)能就是通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)再釋放的過程。根據(jù)能量?jī)?chǔ)存的形式，我們可以把儲(chǔ)能分為機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能5大類，這5類儲(chǔ)能方式下又細(xì)分了各種具體手段。
在前述政策文件中，“新型儲(chǔ)能”的概念被多次提及。什么是新型儲(chǔ)能？簡(jiǎn)單來說，除了抽水儲(chǔ)能外，前述所有儲(chǔ)能方式均屬于新型儲(chǔ)能技術(shù)。
與抽水儲(chǔ)能相比，新型儲(chǔ)能對(duì)選址要求更低、建設(shè)周期更快，能夠短期內(nèi)快速增加儲(chǔ)能規(guī)模，以應(yīng)對(duì)目前的儲(chǔ)能短板。這也是為什么我們?nèi)绱诵枰罅ㄔO(shè)新型儲(chǔ)能系統(tǒng)。
但是諸多新型儲(chǔ)能手段，其適用的細(xì)分場(chǎng)景也有所不同。
飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)及超級(jí)電容等屬于短時(shí)高頻儲(chǔ)能，它能夠快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻等功能；而中長(zhǎng)時(shí)的電化學(xué)儲(chǔ)能和超長(zhǎng)時(shí)的壓縮空氣儲(chǔ)能，則在儲(chǔ)能系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的功能。
據(jù)媒體統(tǒng)計(jì)，“十四五”期間我國(guó)30省/市風(fēng)光裝機(jī)規(guī)劃目標(biāo)達(dá)874.037GW，而小容量的儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)將會(huì)成為電力行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)之一”。
“十四五”期間，我國(guó)30省/市風(fēng)光裝機(jī)規(guī)劃目標(biāo)達(dá)874.037GW，全國(guó)可再生能源發(fā)電增量在全社會(huì)用電增量中的占比將超過50%，小規(guī)模、小容量的儲(chǔ)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(chǔ)能為代表的大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。
中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)碳中和能源研究院院長(zhǎng)趙天壽也曾公開表示，發(fā)展長(zhǎng)時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是提高風(fēng)光能源占比的必然要求。
這一趨勢(shì)從新型儲(chǔ)能裝機(jī)量中可見一斑——《中國(guó)新型儲(chǔ)能發(fā)展報(bào)告2023》提到，雖然在已投產(chǎn)的新型儲(chǔ)能裝機(jī)中，鋰離子電池儲(chǔ)能仍占主導(dǎo)地位，占比約94.5%。不過自2022年起，壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能兩種長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能手段發(fā)展提速，在當(dāng)年新增裝機(jī)的占比分別達(dá)到3.4%、2.3%。
壓縮空氣空氣儲(chǔ)能究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
簡(jiǎn)單來說，這是一種用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)，將空氣壓縮后密封在報(bào)廢礦井、洞穴或?qū)ｉT的儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)透平膨脹機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，完成空氣壓力能到電能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能方式。
壓縮空氣儲(chǔ)能除了能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模儲(chǔ)能的需求外，還有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
第一，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)成熟、安全性高，不存在爆炸和燃燒的風(fēng)險(xiǎn)；
第二，壓縮空氣儲(chǔ)能受建設(shè)條件影響小，在礦區(qū)可利用廢棄鹽穴、巖洞儲(chǔ)氣，非礦區(qū)則能通過氣罐及人造硐室來儲(chǔ)氣，擺脫環(huán)境限制；
第三，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)全部為機(jī)械設(shè)備，壽命長(zhǎng)達(dá)30~50年，不會(huì)存在電化學(xué)儲(chǔ)能等容量、性能衰減的問題；
此外，壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能有諸多優(yōu)勢(shì)，那為什么直到今天才大規(guī)模爆發(fā)呢？
壓縮空氣儲(chǔ)能，前景在哪？
關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能的研究，可以追溯到1949年，德國(guó)工程師StalLaval提出了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。到1978年，德國(guó)已建成世界*座傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能電站（Huntorf 電站）——這遠(yuǎn)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(shí)傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的缺陷有關(guān)。
首先，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能依賴于化石燃料。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是來源于燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)，在儲(chǔ)能時(shí)，被壓縮的空氣對(duì)外做功，一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能散失，在釋能時(shí)，還要消耗化石能源燃燒加熱空氣提高空氣推力，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功，以提高電能的輸出效率，這一過程也被稱為“補(bǔ)燃”。一來二去，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅沒有擺脫對(duì)化石燃料的依賴，綜合儲(chǔ)能效率也大打折扣，而Huntorf 電站采用的，正是補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能時(shí)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(shí)加熱空氣，新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
新型壓縮空氣儲(chǔ)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(bǔ)燃化石燃料。中儲(chǔ)國(guó)能用于儲(chǔ)存壓縮熱的材料價(jià)格低廉、換熱效果好，蓄熱效率可達(dá)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(duì)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(huì)大幅提高。
目前，中儲(chǔ)國(guó)能的百兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)額定效率可達(dá)70%左右，并且還在進(jìn)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(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率低。
壓縮空氣儲(chǔ)能是一個(gè)系統(tǒng)工程，各個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)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(jì)等。同時(shí)，單個(gè)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(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)系統(tǒng)的核心設(shè)備大多不是為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)量身打造的，設(shè)備運(yùn)行效率并不高。資料顯示，Huntorf電站的壓縮機(jī)源自燃?xì)廨啓C(jī)，其功率只有60兆瓦。其它行業(yè)使用的壓縮機(jī)、膨脹級(jí)等設(shè)備無法直接用于壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的整體運(yùn)行，包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、蓄熱器和換熱器等。這些都十分考驗(yàn)公司的研發(fā)能力。
中儲(chǔ)國(guó)能是中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所百兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司，其創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)自2004年便專注于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，開展包括整體系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、核心部件研發(fā)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程化、產(chǎn)業(yè)化工作。
目前，團(tuán)隊(duì)已掌握壓縮空氣儲(chǔ)能全套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已授權(quán)專利300余項(xiàng)，不存在‘卡脖子’之虞。不僅如此，反而因中國(guó)的舉國(guó)體制和強(qiáng)大的工程優(yōu)勢(shì)，在研發(fā)及工程項(xiàng)目建設(shè)方面*于國(guó)外。
而中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(guó)際首座1.5MW、10MW和100MW國(guó)家示范電站（項(xiàng)目），肥城先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能二期電站也于2022年底開工建設(shè)，該項(xiàng)目單機(jī)功率達(dá)300MW。
其它機(jī)構(gòu)及團(tuán)隊(duì)也在紛紛布局壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目。在中性條件下，2025年我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能裝市場(chǎng)空間將達(dá)到371.80億元，對(duì)應(yīng)在2022年基礎(chǔ)上新增裝機(jī)6.59GW。
最后，壓縮空氣儲(chǔ)能還要依靠持續(xù)研發(fā)，降本增效。
隨著壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)單機(jī)規(guī)模增加，系統(tǒng)效率有望進(jìn)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(chǔ)氣方式主要有天然洞穴改造、人工硐室和儲(chǔ)氣罐三種方式。其中，不銹鋼的大量使用提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體造價(jià)。人工硐室可以進(jìn)一步降低儲(chǔ)氣系統(tǒng)成本，具有更廣闊的應(yīng)用前景。
當(dāng)下，壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)國(guó)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(jìn)一步降低設(shè)備成本。
能源革命的趨勢(shì)：新能源+儲(chǔ)能
7月19日電，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布關(guān)于促進(jìn)民營(yíng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展壯大的意見，指出要加大可再生能源發(fā)電和儲(chǔ)能等領(lǐng)域投資力度，參與碳排放權(quán)、用能權(quán)交易。
我認(rèn)為，新能源加上儲(chǔ)能，是能源革命的趨勢(shì)。我們?cè)瓉淼碾娏ο到y(tǒng)是剛性的，主要依靠火電的靈活性調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)發(fā)電端和需求端的動(dòng)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?jī)?chǔ)能這個(gè)重要的調(diào)節(jié)手段，來提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，而壓縮空氣儲(chǔ)能是未來儲(chǔ)能領(lǐng)域不可缺少的一環(huán)。
無論短時(shí)高頻，還是中長(zhǎng)時(shí)、長(zhǎng)時(shí)低頻的儲(chǔ)能技術(shù)，都有其適用的場(chǎng)景。比如短時(shí)高頻儲(chǔ)能領(lǐng)域，飛輪、超導(dǎo)、超級(jí)電容等技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)；中長(zhǎng)時(shí)的電化學(xué)儲(chǔ)能，目前還是以鋰電池儲(chǔ)能為主，但未來鈉電池也很有前景；超長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方面，壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池、氫儲(chǔ)能等也各有優(yōu)勢(shì)。它們未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)并存，但每一個(gè)路線都會(huì)越來越聚焦，最后可能會(huì)有一兩個(gè)技術(shù)成為主流。
無論市場(chǎng)如何競(jìng)爭(zhēng)、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(huì)帶領(lǐng)公司穿越周期。
原標(biāo)題：儲(chǔ)能很重要，但怎么儲(chǔ)是個(gè)問題
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