文 | 季偉
中國科學院理化技術(shù)研究所副研究員
2020年6月，國家能源局印發(fā)《2020年能源工作指導意見》指出“穩(wěn)妥有序推進能源關(guān)鍵技術(shù)裝備攻關(guān)，推動儲能技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。加大儲能發(fā)展力度”。大規(guī)模長時儲能技術(shù)是世界各國科技創(chuàng)新的重要戰(zhàn)略，也是實現(xiàn)技術(shù)引領(lǐng)的主要方向。
近年來，全球儲能產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲能市場規(guī)模在萬億美元以上，且每年以9%的速度增長，遠高于全球電力行業(yè)2.5%的增長率。尤其是以風、光為代表的可再生能源迅速發(fā)展為儲能行業(yè)發(fā)展帶來巨大市場空間。
截至2019年底，全國風電裝機2.1億千瓦，風電發(fā)電量4057億千瓦時，占全部發(fā)電量的5.5%；光伏發(fā)電裝機2.04億千瓦，光伏發(fā)電量2243億千瓦時，占全部發(fā)電量的3.1%。國內(nèi)外專家學者一致認為到2050年，全球可再生能源占比將超過50%。然而，由于新能源間歇性和不穩(wěn)定性，可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)和安全穩(wěn)定地運行仍存在壓力。
大規(guī)模儲能技術(shù)的應(yīng)用能有效解決上述問題。在諸多儲能技術(shù)中，可以規(guī)模應(yīng)用的主要為抽水蓄能、大容量電池儲能和壓縮空氣儲能。抽水蓄能須建在具有合適地勢差和豐富水源的非嚴寒地帶，受地理條件限制較高；大容量電池儲能在經(jīng)濟性、安全性、循環(huán)壽命及廢舊電池處理等方面將面臨制約；壓縮空氣儲能具有綠色、安全、長壽命等優(yōu)點，但遺憾的是其嚴重依賴地理條件，儲能密度低，難以廣泛推廣。
基于新型深冷科技的液態(tài)空氣儲能（LAES）技術(shù)是實現(xiàn)新能源并網(wǎng)消納、合理吸收低谷電、余熱資源，并可以穩(wěn)定輸出冷、熱、電及工業(yè)用氣等多種能源的新型儲能方法。
液態(tài)空氣儲能技術(shù)原理
液態(tài)空氣儲能具有大規(guī)模長時儲能、清潔低碳、安全、長壽命和不受地理條件限制等突出優(yōu)點，其應(yīng)用場景廣泛，尤其是在可再生能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、黑啟動、分布式能源、微網(wǎng)和綜合能源服務(wù)等領(lǐng)域具有特別優(yōu)勢。
從技術(shù)原理看，在儲能階段，儲能系統(tǒng)利用可再生能源電能或電網(wǎng)夜間低谷電驅(qū)動壓縮機壓縮環(huán)境空氣，高壓空氣經(jīng)蓄冷器預(yù)冷后節(jié)流液化，將電能以常壓低溫液態(tài)空氣形式儲存，同時存儲壓縮熱。
在釋能階段，液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵增壓后，通過蓄冷器儲存冷量并氣化，經(jīng)壓縮熱（可選太陽能光熱或工業(yè)中低溫余熱）加熱后，產(chǎn)生高壓高溫氣體驅(qū)動空氣透平旋轉(zhuǎn)做功，帶動發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)。同時，系統(tǒng)中富余的壓縮熱能可部分用于生活熱水供應(yīng)或冬季采暖，部分用于吸收式制冷機組供應(yīng)空調(diào)冷水用于夏季供冷。系統(tǒng)可根據(jù)不同季節(jié)不同的能量需求靈活調(diào)整冷熱電供應(yīng)比例，實現(xiàn)經(jīng)濟性最優(yōu)。
未來的液空儲能電站將是一座可實現(xiàn)多能互補和多能聯(lián)供的智慧綜合能源基站。由于液態(tài)空氣的密度遠大于壓縮空氣的密度，其儲能密度（單位儲氣容積的發(fā)電量）是壓縮空氣儲能的15-20倍，不需要依賴特殊地理條件（地下鹽穴、礦井），也無需使用大量高壓容器，系統(tǒng)無任何安全性問題。正是基于其顯著優(yōu)勢，液態(tài)空氣儲能有望成為最具發(fā)展前景的新興能源技術(shù)之一，也是未來智能電網(wǎng)的主流支撐技術(shù)之一。
低溫蓄冷技術(shù)是液空儲能核心
從液態(tài)空氣儲能的實踐看，英國Highview公司和伯明翰大學正在對液態(tài)空氣儲能技術(shù)進行研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，于2012年在英國建成350kW/2.5MWh實驗平臺。同時，該團隊于2014年開始建造5MW/15MWh示范項目，并正在美國開展50MW/250MWh儲能電站建設(shè)，將在2022年開始運轉(zhuǎn)。
在國內(nèi)，2017年中科院理化所團隊在廊坊中試基地完成了100kW低溫液態(tài)空氣儲能示范平臺的建設(shè)，取得了良好的實驗結(jié)果，蓄冷效率達到了90%，系統(tǒng)整體效率可達60%，達到國際領(lǐng)先水平。
低溫蓄冷技術(shù)是液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的核心，決定系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率。依托低溫蓄冷技術(shù)可以存儲液態(tài)空氣復(fù)溫過程中產(chǎn)生的高品位冷能，可以用于預(yù)冷液化系統(tǒng)中的高壓空氣，大幅增加了空氣液化率。中科院理化所在該領(lǐng)域開展了多年研究，團隊與國家電網(wǎng)科研團隊密切合作，在新型蓄冷介質(zhì)、深低溫冷能傳遞機理等基礎(chǔ)研究，以及新型蓄冷工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面取得了一系列原創(chuàng)成果。
2020年，團隊搭建了500kW級固相蓄冷工程驗證平臺，可實現(xiàn)大功率模塊化串、并聯(lián)蓄冷；搭建了100kW級混合工質(zhì)蓄冷工程驗證平臺，可實現(xiàn)多種蓄冷工質(zhì)的低溫蓄冷實驗，并完成了-160℃溫區(qū)的混合工質(zhì)測試。
同時，團隊完成了液空儲能系統(tǒng)和風電、太陽能光熱、燃氣輪機調(diào)峰電站、深度調(diào)峰火電廠及LNG接收站的深度耦合應(yīng)用研究，建立了多個功率等級基于液空儲能的多能互補和多能聯(lián)供系統(tǒng)工程化實施方案以及經(jīng)濟分析模型，促進了液空儲能技術(shù)在智慧綜合能源領(lǐng)域的應(yīng)用。
建議推進百兆瓦級液空儲能技術(shù)研究
針對液態(tài)空氣儲能大功率，高能量轉(zhuǎn)換效率、高可靠性的需求，未來建議開展百兆瓦級高效液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)共性關(guān)鍵技術(shù)研究，重點部署大功率液態(tài)空氣儲能關(guān)鍵工藝研究、冷/熱能多級儲存利用技術(shù)研究、高效寬工況壓縮/膨脹技術(shù)研究、系統(tǒng)集成及運行控制技術(shù)研究。
目前，儲能商業(yè)模式并不明晰，且液態(tài)空氣儲能技術(shù)尚處于示范到商業(yè)化應(yīng)用的過渡階段。我們認為，積極開展液態(tài)空氣儲能在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)等不同應(yīng)用場景中應(yīng)用分析，將有助于該技術(shù)的廣泛推廣，獲得能源投資企業(yè)、電網(wǎng)、用戶等各方的廣泛支持。同時，基于液態(tài)空氣儲能的大規(guī)模長時儲能的優(yōu)勢，在傳統(tǒng)分散儲能設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究大規(guī)模共享儲能將會釋放液態(tài)空氣儲能更大的商業(yè)價值。
