◎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。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爭，就必須和儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合起來，以維持足夠長的運(yùn)營時(shí)間。接下來，我們就來看看受到市場青睞的部分儲(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內(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，且主要增長量在中國，市場潛力巨大。
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了，其給出的方案是在南澳州的號(hào)角谷風(fēng)電場附近建設(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”。
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)能界的有力競爭者，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、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、大容量儲(chǔ)能，具有安全性好、循環(huán)壽命長、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╇姡@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。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?。?/span>
