壓縮氣體儲能技術(shù)，會成為解決新能源不穩(wěn)定的關(guān)鍵嗎？

2030年非化石能源消費(fèi)比重25%，2060年該比重要過80%......這兩天，國務(wù)院接連發(fā)布“雙碳”戰(zhàn)略重磅文件，將非化石能源再度拉上了輿論熱點(diǎn)。

但眾所周知，非化石能源中裝機(jī)增長最快的風(fēng)電和光伏波動很大，需要搭配儲能?，F(xiàn)有的儲能方式里，最穩(wěn)定可靠的抽水蓄能在選址上存在先天限制;電化學(xué)儲能發(fā)展迅猛但在安全、壽命等方面還有待加強(qiáng)。要想建立堅(jiān)實(shí)可靠的新型電力系統(tǒng)，還需要更多新型儲能技術(shù)的加入。

這當(dāng)中，壓縮氣體儲能憑借其壽命長、成本低、安全環(huán)保的特性，被認(rèn)為是繼抽水儲能之后第二大適合GW(吉瓦)級大規(guī)模電力儲能的技術(shù)。

壓縮氣體儲能捷報(bào)頻傳

壓縮氣體儲能是利用用電低谷將氣體壓縮到鹽穴或壓力容器中，等到用電高峰時(shí)再釋放出來發(fā)電，從而提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和新能源消納能力的技術(shù)。

它包括壓縮空氣儲能、壓縮二氧化碳儲能和其他壓縮氣體儲能。壓縮空氣儲能又分為非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能(常溫高壓空氣存于鹽穴、壓力容器等)、補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能(結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)使用)、液化壓縮空氣儲能等。

據(jù)《科技日報(bào)》10月1日報(bào)道，位于江蘇金壇的鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項(xiàng)目在前一天并網(wǎng)試驗(yàn)成功，向國家電網(wǎng)發(fā)出我國首個(gè)大型壓縮空氣儲能電站第一度電。這是我國壓縮空氣儲能領(lǐng)域唯一國家示范項(xiàng)目，還是全球首個(gè)非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，其發(fā)電裝機(jī)達(dá)60MW(兆瓦)，儲能容量300MW/h(兆瓦時(shí))，遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)模1000兆瓦。根據(jù)本地的地質(zhì)條件，理論上最大可以建設(shè)超過4000兆瓦的壓縮空氣儲能電站。

金壇項(xiàng)目現(xiàn)場圖 圖片來源：科技日報(bào)　　

另據(jù)《中國日報(bào)》10月22日報(bào)道，近日位于貴州畢節(jié)的先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)正式并網(wǎng)發(fā)電，這是目前國際上容量最大、功能最全、測量范圍最寬的先進(jìn)壓縮空氣儲能集成驗(yàn)證與示范平臺，最大儲能容量40MWh，最大發(fā)電功率10MW。同金壇項(xiàng)目相比，這套系統(tǒng)不僅不燃燒化石燃料，而且還不依賴儲氣洞穴，即不受地理?xiàng)l件和燃料限制，是壓縮空氣儲能技術(shù)的主要發(fā)展方向。

該系統(tǒng)由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)，已于2016年底實(shí)現(xiàn)示范運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過4000小時(shí)?？蓪?shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)相、旋轉(zhuǎn)備用、應(yīng)急響應(yīng)、黑啟動等功能。

畢節(jié)項(xiàng)目現(xiàn)場圖 視頻截圖　　

在壓縮氣體儲能的另一個(gè)分支——新型二氧化碳儲能方面，我國也開始布局。據(jù)中國新聞網(wǎng)10月22日報(bào)道，國內(nèi)首個(gè)“新型二氧化碳儲能驗(yàn)證項(xiàng)目”正式開工，該項(xiàng)目位于四川德陽，是利用多余電力將常溫、常壓的二氧化碳?xì)怏w壓縮為液體，并將壓縮過程中產(chǎn)生的熱能儲存起來;在用電高峰期，利用存儲的熱能加熱液態(tài)二氧化碳至氣態(tài)。

同一般的壓縮空氣儲能相比，二氧化碳儲能在工質(zhì)存儲方面有明顯優(yōu)勢，二氧化碳常溫即可液化，可以方便實(shí)現(xiàn)液態(tài)存儲，不受地域條件約束，存儲成本低。該系統(tǒng)同樣無需使用化石燃料，不產(chǎn)生固體廢棄物，零碳排放，是一種綠色儲能系統(tǒng)。

目前該項(xiàng)目關(guān)鍵核心設(shè)備方面已完成方案設(shè)計(jì)，已進(jìn)入施工設(shè)計(jì)，馬上進(jìn)行生產(chǎn)制造，將于2022年6月建成。德陽項(xiàng)目的新型二氧化碳儲能技術(shù)目前在全球都處于領(lǐng)先地位。主要應(yīng)用于電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)和用電量較大的企業(yè)。該儲能系統(tǒng)壽命長達(dá)30年以上，在全生命周期內(nèi)，循環(huán)效率不衰減。

德陽項(xiàng)目效果圖 圖片來源：東方汽輪機(jī)　　

安全、長壽、不挑地

壓縮氣體儲能相比其他新型儲能有何優(yōu)勢?在成本和效率方面發(fā)展到了什么水平?有沒有技術(shù)或材料上卡脖子的隱患?觀察者網(wǎng)采訪了金壇和德陽項(xiàng)目的核心部件——透平機(jī)的制造商，東方電氣(18.750, 0.76, 4.22%)集團(tuán)旗下的東方汽輪機(jī)公司。

據(jù)東汽方面介紹，壓縮氣體儲能首先非常安全。以德陽的液化二氧化碳儲能項(xiàng)目為例，由于二氧化碳液化很容易，因此儲存它只需幾兆帕的壓力，不用擔(dān)心高壓儲氣帶來的隱患，同時(shí)二氧化碳無毒、不易燃易爆，本身的安全性就很好。

存儲壓力較高的壓縮空氣儲能需要用十幾兆帕的容器，盡管如此，由于儲存介質(zhì)是空氣，所以同樣不存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。中科院工程熱物理研究所工程師郭文賓曾向媒體表示，十幾兆帕屬于中等壓力范圍，它的風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

畢節(jié)項(xiàng)目所用的集氣管道 視頻截圖　　

其次，除金壇的鹽穴壓縮空氣儲能有天然的選址要求，需依賴地質(zhì)條件外，畢節(jié)的先進(jìn)壓縮空氣儲能和德陽的氣液兩態(tài)二氧化碳儲能都沒有選址上的顧慮，只需要有足夠儲存高壓氣體或液體的容器就夠了。據(jù)東汽介紹，當(dāng)前單位占地面積最小的氣液兩態(tài)二氧化碳儲能同鋰電池儲能所需的占地面積基本相當(dāng)，未來還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

另外，壓縮氣體儲能系統(tǒng)所需要的全部都是常規(guī)材料，儲能要用的空氣更是隨處可見，二氧化碳也是工業(yè)領(lǐng)域常用工質(zhì)，本身易于獲取。不像電化學(xué)儲能會用到鋰、鈷這樣的稀有金屬，或是氫燃料電池要使用鉑這種貴金屬。

而且，現(xiàn)階段無論是壓縮空氣儲能還是氣液兩態(tài)二氧化碳儲能我國均實(shí)現(xiàn)了核心設(shè)備的完全國產(chǎn)。據(jù)東汽介紹，壓縮氣體儲能系統(tǒng)最重要的部件就是儲氣容器、壓縮機(jī)和發(fā)電透平等，以發(fā)電透平為例，以東方汽輪機(jī)為代表的中國透平機(jī)械研制廠商，其技術(shù)水平處于全球先進(jìn)地位，核心技術(shù)均掌握在自己手中。二氧化碳儲氣方面，德陽項(xiàng)目這次的合作伙伴——百穰新能源有限公司也取得了巨大突破，借助一種柔性倉儲容器解決了密封性、可靠性的問題。

金壇項(xiàng)目現(xiàn)場 圖片來源：科技日報(bào)　　

不僅如此，壓縮氣體儲能系統(tǒng)壽命極長。德陽氣液兩態(tài)二氧化碳儲能項(xiàng)目的預(yù)計(jì)壽命為30年以上，另據(jù)《中國能源報(bào)》報(bào)道，其他壓縮空氣儲能項(xiàng)目的壽命則可以達(dá)40-50年。而且同會出現(xiàn)衰減的電化學(xué)儲能不同，壓縮空氣儲能的周期不受限制。

成本方面，德陽氣液兩態(tài)二氧化碳儲能由于高壓存儲采用液態(tài)存儲，與采用鹽穴、壓力容器存儲高壓氣體的壓縮空氣儲能相比，成本可降低很多。想進(jìn)一步降低成本那還是要從儲氣成本、系統(tǒng)功率等級這兩方面入手，包括儲氣材料的突破，壓縮機(jī)和透平機(jī)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，像這次德陽項(xiàng)目就是透平排氣的低壓儲氣技術(shù)取得了突破，使儲氣成本大幅下降，讓項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上有了可行性。

最后在轉(zhuǎn)換效率方面，金壇的示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率是60%左右，德陽項(xiàng)目是國內(nèi)首個(gè)新型二氧化碳儲能試驗(yàn)項(xiàng)目，與同功率等級的壓縮空氣儲能效率基本相當(dāng)。從理論上看，壓縮氣體儲能最高效率可以達(dá)到80%以上，但由于不可避免的損耗，估計(jì)最后可以達(dá)到70%的水平。

中國科學(xué)院官方訂閱號“中科院之聲”的消息顯示，目前正在河北張家口建設(shè)的100MW先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，其系統(tǒng)目標(biāo)效率將達(dá)到70%，單位裝機(jī)成本降低至450-750美元/kW，已接近抽水蓄能電站的效率及單位裝機(jī)成本，項(xiàng)目預(yù)計(jì)2021年底建成，有望在未來得到廣泛應(yīng)用。

今年9月，張家口項(xiàng)目的定子吊裝成功

電化學(xué)儲能后的又一個(gè)新星?

具有規(guī)模大、適用性強(qiáng)、效率高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的壓縮氣體儲能系統(tǒng)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一。

觀察者網(wǎng)注意到，壓縮空氣儲能已經(jīng)被寫入國家“十四五”規(guī)劃中。除此之外，在近期發(fā)布的《中共中央　國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》當(dāng)中，壓縮空氣儲能同電化學(xué)儲能一道，被列入加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)、示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新型儲能技術(shù)。

學(xué)術(shù)界則更早意識到了壓縮氣體儲能技術(shù)的重要性。在《中國能源報(bào)》2019年的報(bào)道中，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授盧強(qiáng)稱，壓縮空氣儲能是減少棄電、提高可再生能源利用效率的最佳方式。它可以成為電網(wǎng)削峰填谷的主力，逐漸做到不讓高效火電機(jī)組“深度調(diào)峰”;而且，只需以1：10的比例配置就可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上大幅提高風(fēng)電、光伏發(fā)電等天然綠能的利用率約20%。

中科院工程熱物理研究所研究員、副所長陳海生則更是將壓縮空氣儲能列為唯一可與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模儲能技術(shù)。在《中國能源報(bào)》的報(bào)道中，他表示壓縮空氣儲能的規(guī)模至少要100MW，達(dá)到抽水蓄能的標(biāo)準(zhǔn)，才能發(fā)揮更大的作用。另外，效率要從現(xiàn)在的50%—60%提升到接近70%，這樣相比抽水蓄能和化學(xué)電池，就具有了足夠強(qiáng)的競爭力。

不過，同比肩抽水蓄能這樣的遠(yuǎn)大目標(biāo)相比，目前的壓縮氣體儲能項(xiàng)目規(guī)模顯然有些小。對此，東方汽輪機(jī)有限公司副總工程師孫奇向觀察者網(wǎng)表示，只要德陽新型二氧化碳儲能的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠取得成功，由于受選址約束小，那它就可以迅速獲得推廣，系統(tǒng)擴(kuò)容也要相對容易，只需要增加足夠多的容器，再把壓縮機(jī)和發(fā)電透平功率做大或采用多單元制就可以了，擴(kuò)容后每千瓦時(shí)的成本造價(jià)也會相應(yīng)降低。

他還透露，目前二氧化碳儲能技術(shù)研發(fā)和工程化應(yīng)用我國都處于世界領(lǐng)先的地位，當(dāng)金壇的大規(guī)模鹽穴壓縮空氣儲能項(xiàng)目正式投入商業(yè)運(yùn)營后，那么我國的壓縮氣體儲能技術(shù)就可以說處于世界上一個(gè)比較領(lǐng)先的位置了，后續(xù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>