◎本刊主筆 劉國偉
為加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，支撐碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，4月21日國家發(fā)改委和國家能源局就《國家發(fā)展改革委 國家能源局關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》向社會(huì)公開征求意見。儲(chǔ)能作為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要支撐基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，其規(guī)?；瘧?yīng)用趨勢(shì)已逐漸呈現(xiàn)，在多種儲(chǔ)能技術(shù)并存的當(dāng)下，不同的技術(shù)路線在不同的應(yīng)用領(lǐng)域各有擅長(zhǎng)。本文將向您介紹目前國際上部分若干有代表性的儲(chǔ)能技術(shù)案例和項(xiàng)目——
技術(shù)成熟度決定儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用
經(jīng)過上百年的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)如今已經(jīng)是智能電網(wǎng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要手段。
從技術(shù)上看，雖然很多儲(chǔ)能技術(shù)都具備“可行性”，但無論是規(guī)?；髢?chǔ)能技術(shù)自身的安全性與能量密度，還是災(zāi)害發(fā)生后由儲(chǔ)能配置引發(fā)次生災(zāi)害的可能性，目前已有的各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)都還達(dá)不到承擔(dān)超大規(guī)模能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的水平。
許多外媒認(rèn)為，在面對(duì)殘酷的市場(chǎng)環(huán)境和復(fù)雜的利益沖突時(shí)，目前能同時(shí)滿足技術(shù)可行、可獲得投資和具備市場(chǎng)吸引力這三個(gè)條件的儲(chǔ)能選擇并不多。儲(chǔ)能技術(shù)的成本和開發(fā)周期對(duì)開發(fā)這些儲(chǔ)能技術(shù)的企業(yè)尤其是嚴(yán)峻的考驗(yàn)，所以開發(fā)出一種能夠利用電能儲(chǔ)存的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來獲得經(jīng)濟(jì)回報(bào)的商業(yè)模式是關(guān)鍵。
《環(huán)境與生活》雜志記者看到一份2017年前后發(fā)布的報(bào)告，該報(bào)告對(duì)20種儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)成熟度做了比較和分析，這份材料發(fā)布至今已經(jīng)過了快10年了，僅供大家參考。
這份報(bào)告認(rèn)為，稱得上完全成熟的儲(chǔ)能技術(shù)只有抽水蓄能電站（PHS）和鉛酸電池，兩者為人類服務(wù)約有百年了；基本成熟的技術(shù)包括鋰電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、鎳鎘電池、鈉硫電池、幾種液流電池、超導(dǎo)磁能、飛輪、電容、儲(chǔ)熱（冷）等技術(shù)，它們已經(jīng)完成研發(fā)并開始商業(yè)化，距離大規(guī)模普及還有距離；在研技術(shù)包括燃料電池、金屬-空氣電池和太陽能燃料等，雖然在技術(shù)上缺乏商業(yè)成熟度，但已經(jīng)通過多家科研機(jī)構(gòu)的研究論證。在能源成本和環(huán)境問題的驅(qū)動(dòng)下，它們的商業(yè)潛力不容忽視。
在儲(chǔ)能技術(shù)戰(zhàn)國紛爭(zhēng)的局面下，各國也不乏共識(shí)，那就是太陽能和風(fēng)能等間歇性的新能源要想和化石能源競(jìng)爭(zhēng)，就必須和儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合起來，以維持足夠長(zhǎng)的運(yùn)營時(shí)間。接下來，我們就來看看受到市場(chǎng)青睞的部分儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的部署和運(yùn)用。
抽水蓄能仍然是低調(diào)的王者
作為技術(shù)成熟度最高的選擇，抽水蓄能電站看似簡(jiǎn)單，卻是目前儲(chǔ)能技術(shù)中規(guī)模最大、應(yīng)用最廣泛的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，被應(yīng)用于能量管理、頻率控制和備用電源等多種用途。
19世紀(jì)末，第一座抽水蓄能電站在意大利和瑞士投入使用。1929年，第一臺(tái)大規(guī)模商用抽水蓄能電站（洛基河抽水蓄能電站）在美國開始運(yùn)行，其歷史之悠久可見一斑。據(jù)美國能源部的“全球能源存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫”的統(tǒng)計(jì)，截至2020年，全世界的抽水蓄能電站總裝機(jī)容量高達(dá)181吉瓦，儲(chǔ)存電量高達(dá)16億度，中國、日本和美國在發(fā)電量上遙遙領(lǐng)先其他國家。
圖｜世界裝機(jī)容量最大的美國弗吉尼亞州巴斯縣抽水蓄能電站廠房?jī)?nèi)部
目前，世界在運(yùn)營的抽水蓄能電站中，裝機(jī)容量3003兆瓦的美國弗吉尼亞州巴斯縣抽水蓄能電站仍然是最大的。不過，它的“世界最大號(hào)充電寶”頭銜很快就要讓給中國的河北豐寧抽水蓄能電站（3600兆瓦）。該電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，2013年5月開工，2020年11月電站下水庫正式實(shí)現(xiàn)蓄水。有數(shù)據(jù)稱，預(yù)計(jì)到2030年，全球抽水蓄能裝機(jī)容量預(yù)計(jì)還要增加約78吉瓦，且主要增長(zhǎng)量在中國，市場(chǎng)潛力巨大。
圖｜德國普羅斯珀-哈尼爾煤礦正在被改造成200兆瓦抽水蓄能電站，這是世界上第一個(gè)被用作儲(chǔ)能設(shè)施的煤礦。
德國雄心勃勃的能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃要求可再生能源占比在未來30年要大幅提升（2025年的中期目標(biāo)為35%～40%，2035年為55%～60%。到2050年提高到80%）。實(shí)際上，近些年來，在德國許多地方，白天的太陽能、風(fēng)能的發(fā)電量已經(jīng)超過了當(dāng)?shù)氐挠秒娏?，為了把這些多余的電能存起來留到晚上用，德國從技術(shù)上做了很多探索和研究。但由于許多地區(qū)缺乏建設(shè)抽水蓄能電站所需的地形落差，德國人另辟蹊徑，給出了一個(gè)別致的解決方案，很好地解決了抽水蓄能電站建設(shè)周期長(zhǎng)和一次性投資巨大的短板，那就是把煤礦用作儲(chǔ)能設(shè)施的一部分。
圖｜芬蘭動(dòng)力公司瓦錫蘭在美國加州承建了一套儲(chǔ)能系統(tǒng)。此類儲(chǔ)能系統(tǒng)和不穩(wěn)定的可再生能源相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)有的基于化石能源建立起來的電力系統(tǒng)形成了極大的挑戰(zhàn)。
位于德國和荷蘭邊境附近的北萊茵-威斯特法倫州的普羅斯珀-哈尼爾煤礦在近半個(gè)世紀(jì)里一直在出產(chǎn)煤炭。但受制于國家能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃，這座煤礦在2018年被關(guān)閉了。幸運(yùn)的是，該煤礦大約26公里長(zhǎng)的豎井和上百萬立方米的蓄水量給技術(shù)人員提供了便利，他們正在將其改建成200兆瓦的抽水蓄能水電站，在電力需求低谷期再把水抽上來，用電高峰期時(shí)讓水往低處流驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)來發(fā)電。這些電能足以為40多萬個(gè)家庭提供日常電力，當(dāng)?shù)匦℃?zhèn)的礦工們不會(huì)失業(yè)，可以繼續(xù)在新的崗位發(fā)光發(fā)熱。在把更多的工業(yè)革命時(shí)期留下的遺跡加以利用、轉(zhuǎn)化成為工業(yè)規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)施方面，德國為我們提供了創(chuàng)新的思路。
重力儲(chǔ)能曙光初現(xiàn)
如果拓展一下利用機(jī)械能來儲(chǔ)存能量的思維，把流水換成其他重物是否也可行？循著這個(gè)思路，還真有一些機(jī)構(gòu)別出心裁地在這方面做了嘗試。
圖｜今年3月在蘇格蘭首都愛丁堡建成的重力儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
在蘇格蘭首都愛丁堡市，初創(chuàng)公司“重力三聯(lián)”（Gravitricity）幾年來一直在從事重力儲(chǔ)能裝置的研發(fā)工作，專業(yè)的荷蘭絞車公司惠斯曼承擔(dān)了關(guān)鍵部件的制造工作。
“重力三聯(lián)”的設(shè)計(jì)初衷是在廢棄的礦井里使用上下移動(dòng)的絞車和配重（1.2萬噸）來儲(chǔ)存和釋放能量，在不到1秒的時(shí)間內(nèi)釋放出巨大能量，為國內(nèi)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行提供支持。在吸引了業(yè)界的目光后，“重力三聯(lián)”2020年通過眾籌活動(dòng)籌集了超過150萬英鎊，并且還從英國政府的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)“創(chuàng)新英國”（Innovate UK）獲得了64萬英鎊的贈(zèng)款。該公司已經(jīng)在歐洲確定了許多潛在的安裝地點(diǎn)，甚至評(píng)估了在南非利用之前廢棄的金礦來進(jìn)行儲(chǔ)能的能力。
今年3月，“重力三聯(lián)”在愛丁堡的重力儲(chǔ)能演示裝置在愛丁堡阿爾伯特王子碼頭亮相。這個(gè)250千瓦演示裝置包括一個(gè)15米高的鐵塔，兩個(gè)由鋼纜懸掛的重達(dá)25噸的配重，以及兩個(gè)并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組。工程項(xiàng)目經(jīng)理弗朗西斯·泰爾尼稱：“我們計(jì)算出，我們?cè)诓坏?秒鐘的時(shí)間內(nèi)，從零到滿功率運(yùn)行——這在頻率響應(yīng)和備用電源市場(chǎng)中非常有價(jià)值。我們將先對(duì)單個(gè)配重進(jìn)行測(cè)試，先驗(yàn)證較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平穩(wěn)能量輸出，同時(shí)進(jìn)行其他測(cè)試程序以驗(yàn)證和完善系統(tǒng)的全部功能，為今年晚些時(shí)候開始的第一個(gè)全尺寸4~8兆瓦項(xiàng)目提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)?！?
鋰電儲(chǔ)能受到廣泛重視
鋰電是有最佳能量質(zhì)量比的電化學(xué)類儲(chǔ)能技術(shù)之一，在不使用時(shí)自放電非常慢，所以在大家手邊的許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品中廣為應(yīng)用。2019年1月，美國能源信息局預(yù)測(cè)，風(fēng)能、太陽能和其他非水電可再生能源將是未來幾年間電力組合中增長(zhǎng)最快的部分，在對(duì)這些能源進(jìn)行存儲(chǔ)的技術(shù)中，鋰電最終必然會(huì)在電網(wǎng)中占據(jù)一席之地：鋰電很可能是今后5到10年中的主導(dǎo)性技術(shù)，不斷的技術(shù)改進(jìn)將使電池能夠存儲(chǔ)可使用4到8小時(shí)的能量——這樣的時(shí)長(zhǎng)足夠把用太陽能發(fā)的電保存到晚間，以滿足晚上用電高峰時(shí)段使用。
不過，把手機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品使用的鋰電升格為千家萬戶的備用電源，既需要技術(shù)支持也需要機(jī)遇，前者交給了美國特斯拉公司這樣富有創(chuàng)意的公司，后者則出現(xiàn)在澳大利亞。
2016年秋，一場(chǎng)暴風(fēng)雨使澳大利亞南澳州地區(qū)連日大面積斷電；次年夏季用電高峰期，當(dāng)?shù)赜忠螂娏Σ蛔愣鴮?shí)施間歇供電政策飽受批評(píng)。南澳州政府隨后制定一項(xiàng)新的能源計(jì)劃，旨在向南澳州提供更清潔、更經(jīng)濟(jì)、更可靠的能源，當(dāng)?shù)刂菡芸炀褪盏搅?0份提案。
圖｜2017年11月，美國特斯拉公司在澳大利亞建成了當(dāng)時(shí)世界最大的鋰電池儲(chǔ)能站。
這時(shí)候，美國特斯拉公司登場(chǎng)了，其給出的方案是在南澳州的號(hào)角谷風(fēng)電場(chǎng)附近建設(shè)大型鋰電儲(chǔ)能設(shè)施，儲(chǔ)存可再生能源，緩解夏季用電高峰時(shí)的壓力。該公司老板馬斯克更是公開高調(diào)宣稱，這個(gè)輸出功率為100兆瓦容量的大電池將在簽訂合同后100天內(nèi)交付。如果食言就免費(fèi)白送。當(dāng)時(shí)世界排名第二的大型鋰電儲(chǔ)能設(shè)備輸出功率僅為30兆瓦，特斯拉的這個(gè)世界最大號(hào)電池確實(shí)不是吹的。特斯拉動(dòng)作極快，2017年9月29日電網(wǎng)合同簽訂時(shí)，部分電池組已經(jīng)投入運(yùn)營，到鋰電站全部竣工只用了63天，耗資1.61億美元。
特斯拉在南澳州的大型鋰電儲(chǔ)能設(shè)施輸出功率和儲(chǔ)能容量分別為100兆瓦和129兆瓦時(shí)，這個(gè)數(shù)字是什么概念呢？根據(jù)同時(shí)期南澳州電力需求的平均量來看，充滿電的電池組大約能保證整個(gè)南澳州系統(tǒng)內(nèi)6.7%的用戶1小時(shí)不斷電。所以，這套儲(chǔ)能設(shè)施不是用來作為后備電源使用的，其主要任務(wù)是快速調(diào)頻，順便吸收一下多余的風(fēng)力發(fā)電，從運(yùn)營商與政府簽訂的70兆瓦運(yùn)行10分鐘的服務(wù)合同可看出這一點(diǎn)。
俗話說“是騾子是馬，拉出來溜溜”。在大電池投入使用的14天后，考驗(yàn)隨即發(fā)生。2017年12月中旬的一個(gè)凌晨，號(hào)角谷風(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)機(jī)組跳閘導(dǎo)致風(fēng)電功率急劇下降，大電池快速做出了反應(yīng)，在隨后的28秒內(nèi)向電網(wǎng)注入了7.3兆瓦，有效地穩(wěn)定了系統(tǒng)。然后，昆士蘭州格拉德斯通火電廠才做出反應(yīng)前來“救場(chǎng)”。
有消息稱，在大電池投入運(yùn)營后，估計(jì)運(yùn)營方在電價(jià)上漲時(shí)將儲(chǔ)存的電量賣出就可以每年入賬約1800萬澳元。到2018年底，估計(jì)這套系統(tǒng)就為當(dāng)?shù)毓?jié)省了4000萬澳元的電網(wǎng)調(diào)控成本。2019年，運(yùn)營方投入5300萬歐元將大電池的輸出功率擴(kuò)容到150兆瓦。不過，“世界最大號(hào)電池”的頭銜在2020年8月已經(jīng)被美國加州圣迭戈的電池儲(chǔ)能項(xiàng)目摘得。
特斯拉公司在南澳州的大電池項(xiàng)目在國際上反響很大，越來越多的國家在該技術(shù)方向上展開探索。2017年10月，國家發(fā)改委在《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源〔2017〕1701號(hào)）里列出的重點(diǎn)任務(wù)中，也將100兆瓦級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)列為“試驗(yàn)示范一批具有產(chǎn)業(yè)化潛力的儲(chǔ)能技術(shù)和裝備”之一。
液流電池漸入佳境
作為鋰電池在儲(chǔ)能界的有力競(jìng)爭(zhēng)者，液流電池的活性物質(zhì)是具有流動(dòng)性的液體電解質(zhì)溶液，由于大量的電解質(zhì)溶液可以存儲(chǔ)在外部并通過泵輸送到電池內(nèi)反應(yīng)，液流電池的規(guī)模相對(duì)于普通蓄電池可以大幅提高，其優(yōu)點(diǎn)還包括能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、安全環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等。
近年來，國際上發(fā)展最好的液流電池是全釩氧化還原液流電池，簡(jiǎn)稱釩電池。釩電池作為儲(chǔ)能電源主要應(yīng)用在電廠（電站）調(diào)峰以平衡負(fù)荷，大規(guī)模光電轉(zhuǎn)換、風(fēng)能發(fā)電的儲(chǔ)能電源以及作為邊遠(yuǎn)地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)，不間斷電源或應(yīng)急電源系統(tǒng)。
單從釩電池的應(yīng)用來看，澳大利亞是初期的領(lǐng)跑者。早期，澳大利亞的新南威爾士大學(xué)進(jìn)行了許多實(shí)用化的開發(fā)工作。1998年，該大學(xué)將相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)出售給了澳大利亞VRB公司，2001年VRB公司又被加拿大VRB電力系統(tǒng)公司收購。
圖｜2015年底，日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社在北海道部署了迄今全球規(guī)模最大的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，額定輸出功率為15兆瓦，容量為60兆瓦時(shí)。
日本住友電氣公司（SEI）也是一個(gè)釩電池的重要開發(fā)商和供應(yīng)商。2005年，住友公司在日本北海道苫前町建立了4兆瓦的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以用于與36兆瓦風(fēng)力發(fā)電站匹配，平滑風(fēng)電輸出。這套全釩液流儲(chǔ)能電池工程示范系統(tǒng)在國際上影響很大。據(jù)住友公司介紹，三年的應(yīng)用示范結(jié)果表明，液流儲(chǔ)能電池技術(shù)是最適合風(fēng)電調(diào)峰的儲(chǔ)能技術(shù)。2015年底，住友在北海道再次出手，部署了迄今全球規(guī)模最大的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，額定輸出功率為15兆瓦，容量為60兆瓦時(shí)。
2009年11月，美國政府資助恩斯維爾電力公司與俄亥俄州電力管理局合作，在一個(gè)32兆瓦的燃煤發(fā)電廠進(jìn)行1兆瓦/8兆瓦時(shí)的液流儲(chǔ)能電池示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目是美國首個(gè)兆瓦級(jí)全釩液流儲(chǔ)能電池項(xiàng)目。
歐洲各國也積極開展液流電池技術(shù)的研究和應(yīng)用示范。西班牙REDES 2025項(xiàng)目，開發(fā)智能電網(wǎng)，就用到1兆瓦/2兆瓦時(shí)的液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。德國弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)（歐洲最大的應(yīng)用科研機(jī)構(gòu)）研究了用于離網(wǎng)可再生能源發(fā)電儲(chǔ)能用1千瓦~10千瓦級(jí)液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。奧地利的塞爾斯特羅姆公司研制的10千瓦/100千瓦時(shí)全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)被用于新能源電動(dòng)車。
我國從20世紀(jì)80年代末開始液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作。中國地質(zhì)大學(xué)、北京大學(xué)、東北大學(xué)、中南大學(xué)、清華大學(xué)等均開展了全釩液流儲(chǔ)能電池的研究工作。自2002年開始，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在關(guān)鍵材料、系統(tǒng)集成、測(cè)試方法、工程化開發(fā)及應(yīng)用示范等方面開展了系統(tǒng)深入的研究工作，建成了100千瓦/200千瓦時(shí)全釩液流儲(chǔ)能電池示范系統(tǒng)，并于2010年開發(fā)出國內(nèi)首套260千瓦全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。
2020年12月，大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國家示范項(xiàng)目的220千伏送出工程正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目位于大連市西崗區(qū)，是國家能源局批準(zhǔn)的首個(gè)大型化學(xué)儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目，建設(shè)規(guī)模達(dá)到200兆瓦/800兆瓦時(shí)，于2016年11月開工建設(shè)，總投資38億元。其采用國內(nèi)自主研發(fā)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)，適用于大功率、大容量?jī)?chǔ)能，具有安全性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、能源轉(zhuǎn)換效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
壓縮空氣儲(chǔ)能在洞穴里做文章
除了上述鋰電儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)（CAES）也被國際上視為基本成熟的儲(chǔ)能技術(shù)選項(xiàng)。世界上已有兩座大型壓縮空氣儲(chǔ)能電站投入商業(yè)運(yùn)行，第一個(gè)公用事業(yè)規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目1978年建于德國的亨托夫。盡管亨托夫的壓縮空氣儲(chǔ)能電站最初是為了化石燃料發(fā)電的負(fù)載平衡而開發(fā)的，但在全球邁向可再生的間歇性能源之際，這種技術(shù)激發(fā)了人們的新興趣。
圖｜德國亨托夫壓縮空氣儲(chǔ)能電站是世界上第一個(gè)公用事業(yè)規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目，1978年建成。
亨托夫壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組的壓縮機(jī)功率60兆瓦，釋放能量輸出功率為290兆瓦，系統(tǒng)將壓縮空氣存儲(chǔ)在地下600米深的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)31萬立方米，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)100Bar。亨托夫的機(jī)組可連續(xù)充氣8小時(shí)，連續(xù)發(fā)電2小時(shí)。該電站在1979年至1991年期間運(yùn)行的數(shù)據(jù)表明，共啟動(dòng)并網(wǎng)5000多次，平均啟動(dòng)可靠性97.6%。
第二座投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目是美國亞拉巴馬州的麥金托什壓縮空氣儲(chǔ)能電站，由亞拉巴馬州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。該電站的地下儲(chǔ)氣洞穴位于地下450米，總?cè)莘e為56萬立方米，壓縮空氣儲(chǔ)氣壓力為7.5兆帕。該儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)組功率為50兆瓦，發(fā)電功率為110兆瓦，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)41小時(shí)空氣壓縮和26小時(shí)發(fā)電。
美國的地質(zhì)形態(tài)，有很大一部分是適合壓縮空氣儲(chǔ)能的層狀鹽和鹽丘地質(zhì)，這給開展更大規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)項(xiàng)目提供了天然條件。美國俄亥俄州諾頓從2001年起開始建一座2700兆瓦的大型壓縮空氣儲(chǔ)能商業(yè)電站，該電站由9臺(tái)300兆瓦機(jī)組組成，壓縮空氣存儲(chǔ)于地下670米的地下巖鹽層洞穴內(nèi)，儲(chǔ)氣洞穴容積為957萬立方米。目前，除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、盧森堡、南非、以色列和韓國等也在積極開發(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。
我國對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開發(fā)比較晚，但隨著電力儲(chǔ)能需求的快速增加，相關(guān)研究逐漸引起一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的重視。中國科學(xué)院工程熱物理研究所、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位已經(jīng)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能電站開展了研究，但大多集中在理論和小型實(shí)驗(yàn)層面，目前還沒有投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。不過，國家發(fā)改委2017年在《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源〔2017〕1701號(hào)）里列出的重點(diǎn)任務(wù)中，已將10兆瓦/100兆瓦時(shí)級(jí)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)列為“試驗(yàn)示范一批具有產(chǎn)業(yè)化潛力的儲(chǔ)能技術(shù)和裝備”之一。
熔鹽儲(chǔ)熱可多輸出3成電力
在美國聯(lián)邦層面，美國能源和自然資源委員會(huì)推出的《更好的儲(chǔ)能技術(shù)法案》（BEST）修訂版由一系列儲(chǔ)能法案構(gòu)成，包括2019年的《促進(jìn)電網(wǎng)儲(chǔ)能法案》《降低儲(chǔ)能成本法案》《聯(lián)合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能法案》等，采購儲(chǔ)能系統(tǒng)流程、回收儲(chǔ)能系統(tǒng)材料（例如鋰、鈷、鎳和石墨）的激勵(lì)機(jī)制，以及聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）制定的收回儲(chǔ)能系統(tǒng)部署成本的規(guī)則與流程。
在各州層面，儲(chǔ)能市場(chǎng)處于領(lǐng)先地位的州正在審查將儲(chǔ)能設(shè)備連接到電網(wǎng)的可行性，將儲(chǔ)能系統(tǒng)作為未來強(qiáng)大電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，并對(duì)互聯(lián)過程中儲(chǔ)能系統(tǒng)部署有明確規(guī)定，以確保靈活性和響應(yīng)性。稅收方面，美國政府為鼓勵(lì)綠色能源投資，出臺(tái)了投資稅收減免政策，提出先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)都可以申請(qǐng)投資稅收減免，可以通過獨(dú)立方式或并入微電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)等形式運(yùn)行。在這些激勵(lì)措施下，部分州在探索和應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)方面邁的步子很大，亞利桑那州的索拉納太陽能發(fā)電站的熔鹽儲(chǔ)熱裝置即是一個(gè)典型案例。
圖｜美國亞利桑那州索拉納太陽能電站的熔鹽儲(chǔ)熱罐，借助熔鹽保持的熱度該電站夜間可釋放電力6小時(shí)。
索拉納在西班牙語是“陽光明媚之地”的意思，這個(gè)名字和電站所在地區(qū)的天氣條件很匹配，負(fù)責(zé)承建電站的是著名的西班牙太陽能企業(yè)阿本格公司。該電站聲名在外，不僅是2013年建成投產(chǎn)時(shí)是世界最大的使用槽式太陽能技術(shù)（利用槽式聚光鏡將太陽光聚在一條線上，集中加熱管狀集熱器，再借助蒸汽的動(dòng)力循環(huán)來發(fā)電）的電站，還因?yàn)槭侨赖谝患也捎萌埯}儲(chǔ)熱技術(shù)來進(jìn)行能量存儲(chǔ)的太陽能發(fā)電站。
索拉納太陽能電站運(yùn)行時(shí)，先通過槽式太陽能聚光鏡把陽光集中到中央塔上，然后塔將熱量轉(zhuǎn)移到塔內(nèi)的熔鹽。這種熔鹽的性能優(yōu)于導(dǎo)熱油：油狀物只能在最高約400攝氏度的溫度下使用，但熔鹽在565攝氏度下還能保持穩(wěn)定。這樣一來，就可以在更高的溫度下產(chǎn)生蒸汽，能大大提升蒸汽輪機(jī)的效率。白天，熔鹽在中央塔的吸收器中被太陽的熱量加熱至565攝氏度之后就流入儲(chǔ)藏罐里，在里面停留數(shù)小時(shí)并保持溫度恒定。到了夜間或者是白天云層遮蔽太陽的時(shí)候，熔鹽會(huì)被抽取到蒸汽發(fā)生器，在這里熔鹽的熱量釋放出來產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，隨后熔鹽冷卻下來完成循環(huán)。
從技術(shù)難點(diǎn)上來看，熔鹽的凝固和和泄漏是其主要風(fēng)險(xiǎn)，一旦熔鹽在完成循環(huán)返回中央塔的時(shí)候溫度低于228攝氏度，就會(huì)凝固并堵塞在管道里，給正常運(yùn)營帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)，危及企業(yè)的盈利能力，因此熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)對(duì)溫度管理技術(shù)和能力要求很高。
索拉納太陽能電站運(yùn)營以來，每年能減排47.5萬噸二氧化碳，為7萬戶當(dāng)?shù)丶彝ス╇?，這套熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)功不可沒。據(jù)計(jì)算，這套能量存儲(chǔ)裝置能夠每天為電站提供6個(gè)小時(shí)的熱量存儲(chǔ)，一年下來能夠讓電站多輸出38%的額定電量，如此搶眼的性能引起了國際上的普遍關(guān)注。我國目前也將大容量新型熔鹽儲(chǔ)熱裝置視為“具有產(chǎn)業(yè)化潛力的儲(chǔ)能技術(shù)”，擬開展試驗(yàn)示范工作。
今年4月，國內(nèi)許多媒體報(bào)道了由集中供熱企業(yè)北京熱力集團(tuán)在北京豐臺(tái)區(qū)投建的熔鹽蓄熱產(chǎn)業(yè)化推廣研究與示范項(xiàng)目正在積極推進(jìn)建設(shè)。作為國內(nèi)落地的首個(gè)熔鹽儲(chǔ)能供蒸汽項(xiàng)目，該項(xiàng)目已在發(fā)改委立項(xiàng)備案，并獲得了國資委專項(xiàng)資金支持，由北京熱力市政工程建設(shè)有限公司承建，采用了北京民利儲(chǔ)能技術(shù)有限公司開發(fā)的新型熔鹽儲(chǔ)能蒸汽系統(tǒng)。據(jù)悉，該項(xiàng)目將建設(shè)8兆瓦熔鹽儲(chǔ)能裝置一套。主要配置高/低溫熔鹽儲(chǔ)罐、熔鹽加熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、智慧控制系統(tǒng)等設(shè)備，系統(tǒng)建成后將直接為北京西站地區(qū)供應(yīng)飽和蒸汽。該項(xiàng)目已申請(qǐng)綠電補(bǔ)助，建成后單噸蒸汽成本可低至119元/噸。
儲(chǔ)能新秀卡諾電池
近10年來，德國政府一直致力于推動(dòng)本國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型變革，為此當(dāng)局部署了大量電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、制氫與燃料電池研發(fā)和應(yīng)用示范項(xiàng)目，使儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用成為能源轉(zhuǎn)型的支柱之一，卡諾電池就是其中受到重視的并正在邁向應(yīng)用的一種儲(chǔ)能技術(shù)。
圖｜德國黑森州克拉岑巴赫的一處抽水蓄能模型，麻雀雖小五臟俱全。
卡諾電池的名稱來自卡諾定理，該定理描述了把電能轉(zhuǎn)化成熱能的效率問題。作為一種相對(duì)較新的可再生能源技術(shù)，熱能儲(chǔ)存在專門介質(zhì)中，需要時(shí)再轉(zhuǎn)化為電能，這使得它成為可再生能源儲(chǔ)存的理想解決方案之一。雖然卡諾電池的效率（40%~70%）低于抽水蓄能電站（65%~80%左右），但勝在運(yùn)行過程環(huán)保而且成本低廉，環(huán)境足跡小，預(yù)期壽命長(zhǎng)達(dá)20~30年，而最突出的優(yōu)點(diǎn)是原有的化石燃料發(fā)電廠的部分部件可以用來構(gòu)建電池。
因?yàn)榈聡?guī)定燃煤發(fā)電廠的最終截止運(yùn)行日期為2038年，到2023年就要關(guān)閉裝機(jī)容量7吉瓦燃煤發(fā)電廠，到2030年還要關(guān)閉裝機(jī)容量23吉瓦的燃煤發(fā)電廠。由于大量的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施可以被卡諾電池儲(chǔ)能裝置重新利用，其許可證和電網(wǎng)連接措施已經(jīng)到位，因此改造燃煤發(fā)電廠的成本預(yù)計(jì)不會(huì)太高。
圖｜柏林路透火力發(fā)電廠這樣的老式發(fā)電設(shè)施，是德國試驗(yàn)和推廣卡諾電池技術(shù)的好地方。
自2014年以來，德國航天中心（DLR）一直在研究卡諾電池，其主要的挑戰(zhàn)在于如何使鹽儲(chǔ)存和電池適合燃煤電廠。去年9月，最新消息稱一套容量為1000兆瓦時(shí)的卡諾電池儲(chǔ)能裝置原型已經(jīng)開工，由德國航天中心下屬的斯圖加特工程熱力學(xué)研究所（ITT）和歐洲可再生壓縮熱能儲(chǔ)存集團(tuán)合作建設(shè)。這套使用了簡(jiǎn)單和低價(jià)材料的系統(tǒng)據(jù)稱比傳統(tǒng)電池更加環(huán)保，可以為斯圖加特這樣規(guī)模大小的城市提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，并把供熱和供電部門有力地聯(lián)結(jié)在一起。
中國的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但近幾年發(fā)展速度令人矚目。據(jù)國際知名的能源市場(chǎng)研究咨詢機(jī)構(gòu)伍德麥肯茲預(yù)測(cè)，到2024年中國儲(chǔ)能部署基數(shù)將增加25倍，儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)電量分別達(dá)到12.5吉瓦和32.1吉瓦時(shí)，將成為亞太地區(qū)最大的儲(chǔ)能市場(chǎng)。中國政府在儲(chǔ)能領(lǐng)域的積極政策激勵(lì)是促進(jìn)行業(yè)快速發(fā)展的主要原因，也是儲(chǔ)能部署的主要推動(dòng)力。在中國邁向碳中和的當(dāng)下，合理借鑒上述國外案例對(duì)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，支撐和推動(dòng)能源革命無疑是具有重要意義的。
（本文寫作中參考了美國環(huán)保署、美國《財(cái)富》雜志、《鳳凰城新時(shí)報(bào)》、英國《獨(dú)立報(bào)》、德國航天中心、澳大利亞號(hào)角谷儲(chǔ)能網(wǎng)等網(wǎng)站的信息，在此一并致謝！）
