中國儲能網(wǎng)訊：4月30日，國際首套300兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲能國家示范電站在山東肥城首次并網(wǎng)發(fā)電成功。這意味著，我國具有了目前國際上規(guī)模最大、效率最高、性能最優(yōu)、成本最低的新型壓縮空氣儲能電站。
儲能，就是把多余的電先存起來，需要的時(shí)候再拿出來，相當(dāng)于給電網(wǎng)安裝一臺大“充電寶”，使“靠天吃飯”的太陽能、風(fēng)能發(fā)電都能穩(wěn)定、流暢地接入電網(wǎng)，存儲備用。
壓縮空氣儲能則是以空氣為介質(zhì)充放電的“空氣充電寶”。它性能優(yōu)異，規(guī)模大、壽命長、成本低，發(fā)展勢頭迅猛。
與鋰電池、抽水蓄能等其他儲能技術(shù)相比，壓縮空氣儲能非?！澳贻p”，在中國僅有10多年的開發(fā)史，卻發(fā)展迅猛，成為后起之秀，令許多業(yè)內(nèi)人士坦言“沒想到”。
三條標(biāo)準(zhǔn)選定一個(gè)研究方向
壓縮空氣儲能的概念起源較早，第一個(gè)專利于1949年在美國問世。德國和美國分別于1978年和1991年建成壓縮空氣儲能電站，并運(yùn)行至今。雖然世界各國對壓縮空氣儲能都有布局，但并非熱門，真正將它發(fā)揚(yáng)光大的還是中國。
2004年，剛剛參加工作的中國科學(xué)院工程熱物理研究所（以下簡稱工程熱物理所）副研究員陳海生開始思考未來的研究方向。他給自己定下3條標(biāo)準(zhǔn)：朝陽產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新性領(lǐng)域、同工程熱物理專業(yè)相關(guān)。但是，滿足這3條標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)是什么？
經(jīng)過3個(gè)多月的調(diào)研分析，陳海生相中了儲能技術(shù)。這在當(dāng)時(shí)是極其冷門的方向。
那時(shí)，我國正處于火電“大干快上”的時(shí)代，再生能源裝機(jī)占比不足1%，是妥妥的“小兄弟”，更不存在并網(wǎng)難題。很難想象，有朝一日，太陽能和風(fēng)能會撼動火力發(fā)電的主體地位，儲能也將由“冷”轉(zhuǎn)“熱”。
陳海生畫了一張表，縱坐標(biāo)是各種儲能技術(shù)，橫坐標(biāo)是創(chuàng)新性、技術(shù)成熟度、專業(yè)相關(guān)度等指標(biāo)，結(jié)果壓縮空氣儲能以5顆星領(lǐng)跑其他技術(shù)。
而當(dāng)時(shí)壓縮空氣儲能在中國僅有理論研究，沒有技術(shù)攻關(guān)，展現(xiàn)在他面前的是一片空白。
“中國科學(xué)院的使命是什么？創(chuàng)新為民?！标惡ＩX得，國家未來需要什么，得有人提前思考、提前攻關(guān)、提前實(shí)踐。
他決定挑戰(zhàn)一下。一輩子要做的事，就這么決定了。
如今回頭看，過去10年我國風(fēng)電和光伏裝機(jī)增長了8倍，2023年風(fēng)電和光伏裝機(jī)更是歷史性超過火電，占比達(dá)50.4%，是全世界對儲能需求最強(qiáng)烈的國家。儲能不僅登上了能源發(fā)展的歷史舞臺，而且將扮演重要角色。
來一場徹底的創(chuàng)新
2005年，陳海生被公派去英國利茲大學(xué)訪學(xué)，這正是一次技術(shù)探索的好機(jī)會。
在英國，他和導(dǎo)師共同提出了液態(tài)空氣儲能的概念，很快得到英國政府和投資機(jī)構(gòu)600萬英鎊的經(jīng)費(fèi)支持。為了完成這個(gè)項(xiàng)目，原本為期一年的訪問變成了4年的正式工作。最終，他們在2009年建成國際首套兆瓦級液態(tài)空氣儲能裝置。由于液態(tài)空氣的密度遠(yuǎn)大于氣態(tài)空氣，該系統(tǒng)解決了依賴大型儲氣洞穴的問題，比傳統(tǒng)技術(shù)更為先進(jìn)。
有了這次試水，2009年回國后，陳海生立志發(fā)展比液態(tài)空氣更先進(jìn)的壓縮空氣儲能技術(shù)。
當(dāng)時(shí)，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)存在效率不高的缺點(diǎn)。德、美兩國儲能電站的效率分別僅為42%、54%。也就是說，存進(jìn)去1度電，只能放出來大約半度，另外半度在存、放的過程中被消耗了。而且，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能裝置必須依賴天然氣提供熱源。
這兩個(gè)缺點(diǎn)在油氣資源豐富的國家尚可接受，但放到“缺油少氣”的中國，無疑是致命短板。
要從根本上突破這兩大技術(shù)瓶頸、在中國走通壓縮空氣儲能這條路，顯然不能僅僅依靠跟蹤、模仿、改進(jìn)，必須來一場徹底的技術(shù)創(chuàng)新。而創(chuàng)新的底氣，源自我國科學(xué)家在動力工程及工程熱物理專業(yè)的多年積累。
傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，在用電低谷時(shí)，利用富余的電能將空氣壓縮并儲存在儲氣室中；在用電高峰時(shí)，釋放高壓空氣進(jìn)入燃燒室，同燃料一起燃燒，驅(qū)動透平發(fā)電。這相當(dāng)于讓燃?xì)廨啓C(jī)分時(shí)工作，儲能、釋能過程相互獨(dú)立，最終起到削峰填谷的作用。
該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于葉輪機(jī)械的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。工程熱物理所自1956年建所以來，在葉輪機(jī)械方面研究基礎(chǔ)深厚，創(chuàng)始人吳仲華先生是國際公認(rèn)的“葉輪機(jī)械先鋒”。
基于自身的“金剛鉆”，2009年工程熱物理所提出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(shù)：在用電低谷時(shí)，用壓縮機(jī)取代燃?xì)廨啓C(jī)壓縮空氣，同時(shí)回收壓縮熱；在用電高峰時(shí)，釋放儲存的熱量加熱高壓空氣，驅(qū)動膨脹機(jī)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
這一改進(jìn)不僅不使用額外的燃料，實(shí)現(xiàn)零排放，還將原先浪費(fèi)掉的壓縮熱能利用起來，儲能效率大幅提高，理論上可達(dá)70%以上。因地制宜，本土化的條件就此建立起來。
但這一改，也意味著從基礎(chǔ)研究到關(guān)鍵技術(shù)，再到工程開發(fā)，都沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。
敢不敢做“第一個(gè)吃螃蟹的人”？陳海生沒有猶豫：“我們一定要掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，哪怕多花幾年時(shí)間，也一定要掌握核心技術(shù)，不能總是模仿跟蹤，更不能受制于人。”
不斷“釘釘子”，突破“一堵墻”
自壓縮空氣儲能概念提出后，世界各國一直沿用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的技術(shù)路線，直到中國科學(xué)家提出換掉核心部件，業(yè)界才看到了一條新路。但是，我國在這項(xiàng)技術(shù)上并無技術(shù)儲備，更談不上產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。陳海生形容當(dāng)時(shí)面臨的困難就像一堵墻。
“蒙著頭往墻上撞，撞得頭破血流也沒用。要想取得突破，必須把有限的時(shí)間、有限的資源放到有限的目標(biāo)上，加大攻關(guān)強(qiáng)度，就像在墻上釘釘子?！彼f。
2010年，陳海生帶領(lǐng)一支新成立的小團(tuán)隊(duì)，設(shè)立了一個(gè)“釘釘子”時(shí)間表：用3年時(shí)間完成1.5兆瓦示范項(xiàng)目，用4年建成10兆瓦示范項(xiàng)目，用5年建成100兆瓦示范項(xiàng)目。
首先要攻克的是核心部件壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的內(nèi)部流動與傳熱機(jī)理相關(guān)的難題。
工程熱物理所儲能研發(fā)中心（以下簡稱儲能研發(fā)中心）副主任李文介紹，先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的空氣膨脹機(jī)負(fù)荷高，膨脹比達(dá)常規(guī)燃?xì)馀蛎洐C(jī)2倍以上，且流量大、轉(zhuǎn)速高，不僅要在高壓、高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速下高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，還要解決與其他葉輪機(jī)械之間的相互耦合問題。為此，團(tuán)隊(duì)建設(shè)了一系列實(shí)驗(yàn)平臺，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬，反復(fù)測試、優(yōu)化改進(jìn)。
蓄熱蓄冷技術(shù)是決定技術(shù)成敗的一大關(guān)鍵點(diǎn)。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)需要補(bǔ)燃，消耗大量天然氣，工程熱物理所儲能團(tuán)隊(duì)經(jīng)過努力，用先進(jìn)的蓄熱蓄冷技術(shù)彌補(bǔ)了這一不足。并且，他們用的蓄熱蓄冷介質(zhì)是成本最低的水。
“這是一個(gè)全世界都沒有出現(xiàn)過的方案。”工程熱物理所研究員王亮說。
要“啃下”這樣的硬科技，必須具備足夠的硬實(shí)力。從1.5兆瓦到10兆瓦再到100兆瓦，每一次規(guī)模放大，都不是簡單的技術(shù)疊加，而是從原理到關(guān)鍵部件的重新研發(fā)設(shè)計(jì)。
就這樣，隨著一個(gè)“釘子”接著一個(gè)“釘子”被楔入，在堵路的“墻面”連點(diǎn)成線、連線成面，“厚墻”終于被突破了。
2021年，國際首套百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲能國家示范項(xiàng)目在河北省張家口順利并網(wǎng)，發(fā)電效率達(dá)到70.4%，每年可發(fā)電1.32億度以上，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4.2萬噸，減少二氧化碳排放10.9萬噸。
回看當(dāng)年制定的時(shí)間表，大家感慨，竟然真的沿著這條路一步一個(gè)腳印走了下來。不過，這條路還遠(yuǎn)沒有走到終點(diǎn)。
通過進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新，山東肥城300兆瓦示范電站設(shè)計(jì)效率達(dá)到72.1%，與儲能技術(shù)的“老大哥”——抽水蓄能相當(dāng)。該電站年發(fā)電量約6億度，在用電高峰可為約20萬~30萬戶居民提供電力保障，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約18.9萬噸，減少二氧化碳排放約49萬噸。未來，這將是更適合我國發(fā)電行業(yè)的主流技術(shù)路線。
“成本必須降下來，要大規(guī)模推廣，無論如何都得降。”陳海生說，從投入研發(fā)的第一天起，他們的目標(biāo)就是讓這一技術(shù)真正在中國落地，造福于民。
總是“第一個(gè)吃螃蟹”
第一個(gè)試驗(yàn)臺、第一個(gè)示范項(xiàng)目、第一個(gè)并網(wǎng)發(fā)電……一路走來，工程熱物理所都在做中國壓縮空氣儲能“第一個(gè)吃螃蟹的人”。
王亮至今記得，搭建第一個(gè)15千瓦試驗(yàn)臺時(shí)，由于沒有合適的場地，他們在兩棟樓之間的夾道里搭了個(gè)頂棚、裝了扇門就成了實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)槔锩嬗幸豢煤艽值臉洌惭b試驗(yàn)臺時(shí)大家繞來轉(zhuǎn)去，很不方便。
做技術(shù)攻關(guān)，試驗(yàn)臺是必需品，但對一支剛起步的團(tuán)隊(duì)來說，這是“奢侈品”。由于投入巨大，2012年建設(shè)1.5兆瓦中試平臺時(shí)，經(jīng)費(fèi)非常緊張，必須集中所有可以用到的資源。
除了經(jīng)費(fèi)緊張，沒有經(jīng)驗(yàn)可循也是這些年輕人面對的一道坎。
“當(dāng)時(shí)幾名剛畢業(yè)的博士帶著幾名沒畢業(yè)的博士生，經(jīng)常在現(xiàn)場一待就是一個(gè)月?！崩钗谋硎荆鞘谴蠹业谝淮闻Π芽茖W(xué)思想變成設(shè)計(jì)圖紙，再把設(shè)計(jì)圖紙變成儀器設(shè)備。由于國內(nèi)外都沒有可參考的先例，每走一步都要靠自己摸索。
李文從那段在摸索中前進(jìn)、在摸索中成長的歷程中得到的啟示是：“技術(shù)開發(fā)沒有任何捷徑可走，必須一步一個(gè)腳印。但事實(shí)證明只要肯摸索，就能解決問題。”
按照“研發(fā)一代、示范一代、應(yīng)用一代”的發(fā)展策略，工程熱物理所的壓縮空氣儲能技術(shù)持續(xù)發(fā)展，在上一代技術(shù)示范應(yīng)用的過程中，下一代技術(shù)已經(jīng)馬不停蹄開始研發(fā)。這些年來，大家跟著項(xiàng)目跑遍了祖國的大江南北。2023年團(tuán)隊(duì)開年終總結(jié)會時(shí)發(fā)現(xiàn)，半數(shù)以上職工出差天數(shù)超過100天，有的甚至超過300天。
他們長年“逐風(fēng)而居”，到處“餐風(fēng)飲露”。以國家級可再生能源示范區(qū)張家口為例，這里擁有豐富的風(fēng)能、太陽能，但正因風(fēng)大，零下20多攝氏度的冬天體感溫度能達(dá)到零下40攝氏度，團(tuán)隊(duì)成員穿著兩層羽絨服在室外幾分鐘就感覺被凍透了。
張家口百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲能國家示范項(xiàng)目首次采用人工硐室，也就是人工開發(fā)的地下儲氣洞穴。由于這是首創(chuàng)的技術(shù)路線，施工過程中遇到許多前所未有的難題，大家笑稱“總是‘吃螃蟹’也有點(diǎn)受不了”。
2021年12月31日，項(xiàng)目終于成功并網(wǎng)的那一刻，在場的團(tuán)隊(duì)成員情不自禁地歡呼起來。大家激動地合影留念，一致推舉現(xiàn)場唯一的女性——測試工程師付文秀站在C位。
這位1歲多孩子的媽媽彼時(shí)已在現(xiàn)場堅(jiān)持工作了103天。她說：“壓力雖然很大，但成功后獲得的幸福感是別人不能體會的?！?
意料之外，情理之中
對于壓縮空氣儲能的今天，很多人表示“沒有想到”。
一些老先生曾善意地提醒陳海生：“進(jìn)去4度電，出來3度電，你好好考慮，這個(gè)研究方向?qū)Σ粚Α！?
一位國內(nèi)同行感慨道：“以前我們都不看好，因?yàn)榧夹g(shù)上太難了，沒想到真干成了?！?
儲能研發(fā)中心主任徐玉杰回憶團(tuán)隊(duì)起步時(shí)表示，國內(nèi)當(dāng)時(shí)連試驗(yàn)臺都沒有，只能從基礎(chǔ)理論研究開始，誰也想不到這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。
而在已經(jīng)擔(dān)任工程熱物理所所長的陳海生看來，先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(shù)在中國科學(xué)院誕生、發(fā)展，絕非偶然。
他說：“第一，中國科學(xué)院鼓勵創(chuàng)新，支持科學(xué)家開展前瞻性、需要長期探索的技術(shù)研究?！?
2009年回國后，工程熱物理所支持組建儲能實(shí)驗(yàn)室，開展當(dāng)時(shí)尚有爭議的儲能研究，32歲的陳海生成為實(shí)驗(yàn)室主任。時(shí)任所長秦偉帶著他專程去當(dāng)時(shí)的中國科學(xué)院高技術(shù)研究與發(fā)展局匯報(bào)研究方向，得到認(rèn)可與肯定。后來，中國科學(xué)院又提供了寶貴的“第一桶金”，使團(tuán)隊(duì)得以從“零”開始技術(shù)研究。
“第二，中國科學(xué)院有鼓勵科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)，能夠支持一項(xiàng)技術(shù)從研發(fā)走到示范應(yīng)用?！标惡Ｉf。
實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化的歷程常被稱為“死亡之谷”，失敗率極高。工程熱物理所在產(chǎn)業(yè)化過程中也走過不少彎路，但他們堅(jiān)持以我為主開展工程示范，在中國科學(xué)院和國家相關(guān)政策支持下，多個(gè)項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用。
“第三，中國科學(xué)院能夠形成大團(tuán)隊(duì)，開展大兵團(tuán)作戰(zhàn)。”陳海生介紹，壓縮空氣儲能是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程，需要搭建大平臺，提供長時(shí)間、大強(qiáng)度的穩(wěn)定支持。
“攻克這樣的硬科技難題，必須有建制化團(tuán)隊(duì)?！毙煊窠苷f，“即使把壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、儲熱換熱器這三大關(guān)鍵技術(shù)分開攻關(guān)，每一項(xiàng)單獨(dú)技術(shù)也需要一個(gè)大團(tuán)隊(duì)來突破。”
儲能研發(fā)中心現(xiàn)有職工和學(xué)生200余人。隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，儲能產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展機(jī)遇，儲能人才成為就業(yè)市場的“香餑餑”。但團(tuán)隊(duì)成立至今，核心成員一個(gè)都沒離開。
王亮表示，在團(tuán)隊(duì)里干活踏實(shí)，可以專心做一件事，未來充滿希望?！坝羞@么一個(gè)平臺能讓我堅(jiān)持深入干一件事，實(shí)現(xiàn)自己的理想，很幸福。”
電影《中國合伙人》中有一句經(jīng)典臺詞：“夢想是什么？夢想就是一種讓你感到堅(jiān)持就是幸福的東西?！睂τ趦δ苎邪l(fā)中心的科研人員而言，讓清潔能源走進(jìn)千家萬戶的夢想，召喚著他們在先進(jìn)壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)之路上披荊斬棘。如今，這條路越走越寬，他們還將繼續(xù)前行，去追尋更大的幸福。
