中國儲能網訊：4月30日，國際首套300兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范電站在山東肥城首次并網發(fā)電成功。這意味著，我國具有目前國際上規(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，需要的時候再拿出來，相當于給電網安裝一臺大“充電寶”，使“靠天吃飯”的太陽能、風能發(fā)電都能穩(wěn)定、流暢地接入電網，存儲備用。
壓縮空氣儲能則是以空氣為介質充放電的“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相比，壓縮空氣儲能非常“年輕”，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)內人士坦言“沒想到”。
1 三條標準選定一個研究方向
壓縮空氣儲能的概念起源較早，第一個專利于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)揚光大的還是中國。
2004年，剛剛參加工作的中國科學院工程熱物理研究所（以下簡稱工程熱物理所）陳海生博士開始思考未來的研究方向。他給自己定下3條標準：朝陽產業(yè)、創(chuàng)新性領域、同工程熱物理專業(yè)相關。但是，滿足這3條標準的技術是什么？
經過3個多月的調研分析，陳海生相中了儲能技術。這在當時是極其冷門的方向。
那時，我國正處于火電“大干快上”的時代，再生能源裝機占比不足1%，是妥妥的“小兄弟”，更不存在并網難題。很難想象，有朝一日，太陽能和風能會撼動火力發(fā)電的主體地位，儲能也將由“冷”轉“熱”。
陳海生畫了一張表，縱坐標是各種儲能技術，橫坐標是創(chuàng)新性、技術成熟度、專業(yè)相關度等指標，結果壓縮空氣儲能以5顆星領跑其他技術。
而當時壓縮空氣儲能在中國僅有理論研究，沒有技術攻關，展現(xiàn)在他面前的是一片空白。
“中國科學院的使命是什么？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、提前實踐。
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年我國風電和光伏裝機增長了8倍，2023年風電和光伏裝機更是歷史性超過了火電，占比達到50.4%，是全世界對儲能需求最強烈的國家。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。
2 來一場徹底的創(chuàng)新
2005年，陳海生被公派去英國利茲大學訪學，這正是一次技術探索的好機會。
在英國，他和導師共同提出了液態(tài)空氣儲能的概念，很快得到英國政府和投資機構600萬英鎊的經費支持。為了完成這個項目，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)技術更為先進。
有了這次試水，2009年回國后，陳海生立志發(fā)展比液態(tài)空氣更先進的壓縮空氣儲能技術。
當時，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術存在效率不高的缺點。德、美兩國儲能電站的效率僅分別為42%、54%。也就是說，存進去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。
這兩個缺點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，必須來一場徹底的技術創(chuàng)新。而創(chuàng)新的底氣，源自我國科學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)基于燃氣輪機技術，在用電低谷時，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，釋放高壓空氣進入燃燒室，同燃料一起燃燒，驅動透平發(fā)電。這相當于讓燃氣輪機分時工作，儲能、釋能過程相互獨立，最終起到削峰填谷的作用。
該系統(tǒng)的關鍵在于葉輪機械的高效運轉。工程熱物理所自1956年建所以來，在葉輪機械方面研究基礎深厚，創(chuàng)始人吳仲華先生是國際公認的“葉輪機械先鋒”。
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權的先進壓縮空氣儲能技術：在用電低谷時，用壓縮機取代燃氣輪機壓縮空氣，同時回收壓縮熱；在用電高峰時，釋放儲存的熱量加熱高壓空氣，驅動膨脹機，帶動發(fā)電機發(fā)電。
這一改進不僅不使用額外的燃料，實現(xiàn)零排放，還將原先浪費掉的壓縮熱能利用起來，儲能效率大幅提高，理論上可達70%以上。因地制宜，本土化的條件就此建立起來。
但這一改，也意味著從基礎研究到關鍵技術，再到工程開發(fā)，都沒有成熟經驗可供借鑒。
敢不敢做“第一個吃螃蟹的人”？陳海生沒有猶豫：“我們一定要掌握自主知識產權，哪怕多花幾年時間，也一定要掌握核心技術，不能總是模仿跟蹤，更不能受制于人?！?
3 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氣輪機發(fā)電的技術路線，直到中國科學家提出換掉核心部件，業(yè)界才看到了一條新路。但是，我國在這項技術上并無技術儲備，更談不上產業(yè)基礎。陳海生形容當時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，必須把有限的時間、有限的資源放到有限的目標上，加大攻關強度，就像在墻上釘釘子?！彼f。
2010年，陳海生帶領一支新成立的小團隊，設立了一個“釘釘子”時間表：用3年時間完成1.5兆瓦示范項目，用4年建成10兆瓦示范項目，用5年建成100兆瓦示范項目。
首先要攻克的是核心部件壓縮機、膨脹機的內部流動與傳熱機理相關的難題。
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，先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的空氣膨脹機負荷高，膨脹比達常規(guī)燃氣膨脹機2倍以上，且流量大、轉速高，不僅要在高壓、高負荷、高轉速下高效率運轉，還要解決與其他葉輪機械之間的相互耦合問題。為此，團隊建設了一系列實驗平臺，并結合計算機模擬，反復測試、優(yōu)化改進。
蓄熱蓄冷技術是決定技術成敗的一大關鍵點。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術需要補燃，消耗大量天然氣，工程熱物理所儲能團隊經過努力，用先進的蓄熱蓄冷技術彌補了這一不足。并且，他們用的蓄熱蓄冷介質是成本最低的水。
“這是一個全世界都沒有出現(xiàn)過的方案?！惫こ虩嵛锢硭芯繂T王亮說。
要“啃下”這樣的硬科技，必須具備足夠的硬實力。從1.5兆瓦到10兆瓦再到100兆瓦，每一次規(guī)模放大，都不是簡單的技術疊加，而是從原理到關鍵部件的重新研發(fā)設計。
就這樣，隨著一個“釘子”接著一個“釘子”被楔入，在堵路的“墻面”連點成線、連線成面，“厚墻”終于被突破了。
2021年，國際首套百兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范項目在河北省張家口順利并網，發(fā)電效率達到70.4%，每年可發(fā)電1.32億度以上，節(jié)約標準煤4.2萬噸，減少二氧化碳排放10.9萬噸。
張家口百兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范項目蓄冷蓄熱罐。
回看當年制定的時間表，大家感慨，竟然真的沿著這條路一步一個腳印走了下來。不過，這條路還遠沒有走到終點。
通過進一步技術創(chuàng)新，山東肥城300兆瓦示范電站設計效率達到72.1%，與儲能技術的“老大哥”——抽水蓄能相當。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)約標準煤約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)的主流技術路線。
山東肥城300兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范項目全景。
“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，他們的目標就是讓這一技術真正在中國落地，造福于民。
4 總是“第一個吃螃蟹”
第一個試驗臺、第一個示范項目、第一個并網發(fā)電……一路走來，工程熱物理所都在做中國壓縮空氣儲能“第一個吃螃蟹的人”。
王亮至今記得，搭建第一個15千瓦試驗臺時，由于沒有合適的場地，他們在兩棟樓之間的夾道里搭了個頂棚、裝了扇門就成了實驗室，因為里面有一棵很粗的樹，安裝試驗臺時大家繞來轉去，很不方便。
做技術攻關，試驗臺是必需品，但對一支剛起步的團隊來說，這是“奢侈品”。由于投入巨大，2012年建設1.5兆瓦中試平臺時，經費非常緊張，必須集中所有可以用到的資源。
2013年建成的1.5兆瓦先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)。工程熱物理所供圖
除了經費緊張，沒有經驗可循也是這些年輕人面對的一道坎。
“當時幾名剛畢業(yè)的博士帶著幾名沒畢業(yè)的博士生，經常在現(xiàn)場一待就是一個月?！崩钗谋硎荆鞘谴蠹业谝淮闻Π芽茖W思想變成設計圖紙，再把設計圖紙變成儀器設備。由于國內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、在摸索中成長的歷程中得到的啟示是：“技術開發(fā)沒有任何捷徑可走，必須一步一個腳印。但事實證明只要肯摸索，就能解決問題?！?
按照“研發(fā)一代、示范一代、應用一代”的發(fā)展策略，工程熱物理所的壓縮空氣儲能技術持續(xù)發(fā)展，在上一代技術示范應用的過程中，下一代技術已經馬不停蹄開始研發(fā)。這些年來，大家跟著項目跑遍了祖國的大江南北。2023年團隊開年終總結會時發(fā)現(xiàn)，半數以上職工出差天數超過100天，有的甚至超過300天。
他們長年“逐風而居”，到處“餐風飲露”。以國家級可再生能源示范區(qū)張家口為例，這里擁有豐富的風能、太陽能，但正因風大，零下20多攝氏度的冬天體感溫度能達到零下40攝氏度，團隊成員穿著兩層羽絨服在室外幾分鐘就感覺被凍透了。
張家口百兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范項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’也有點受不了”。
2021年12月31日，項目終于成功并網的那一刻，在場的團隊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已在現(xiàn)場堅持工作了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。”
5 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：“進去4度電，出來3度電，你好好考慮，這個研究方向對不對?！?
一位國內同行感慨道：“以前我們都不看好，因為技術上太難了，沒想到真干成了。”
儲能研發(fā)中心主任徐玉杰回憶團隊起步時表示，國內當時連試驗臺都沒有，只能從基礎理論研究開始，誰也想不到這項技術發(fā)展到現(xiàn)在，已經處于國際領先水平。
而在陳海生看來，先進壓縮空氣儲能技術在中國科學院誕生、發(fā)展，絕非偶然。
他說：“第一，中國科學院鼓勵創(chuàng)新，支持科學家開展前瞻性、需要長期探索的技術研究。”
2009年回國后，工程熱物理所支持組建儲能實驗室，開展當時尚有爭議的儲能研究，32歲的陳海生成為實驗室主任。時任所長秦偉帶著他專程去當時的中國科學院高技術研究與發(fā)展局匯報研究方向，得到認可與肯定。后來，中國科學院又提供了寶貴的“第一桶金”，使團隊得以從“零”開始技術研究。
“第二，中國科學院有鼓勵科技成果轉移轉化的傳統(tǒng)，能夠支持一項技術從研發(fā)走到示范應用?！标惡Ｉf。
實驗室創(chuàng)新成果產業(yè)化的歷程常被稱為“死亡之谷”，失敗率極高。工程熱物理所在產業(yè)化過程中也走過不少彎路，但他們堅持以我為主開展工程示范，在中國科學院和國家相關政策支持下，多個項目成功實現(xiàn)示范應用。
“第三，中國科學院能夠形成大團隊，開展大兵團作戰(zhàn)。”陳海生介紹，壓縮空氣儲能是一個多學科交叉的系統(tǒng)工程，需要搭建大平臺，提供長時間、大強度的穩(wěn)定支持。
“攻克這樣的硬科技難題，必須有建制化團隊。”徐玉杰說，“即使把壓縮機、膨脹機、儲熱換熱器這三大關鍵技術分開攻關，每一項單獨技術也需要一個大團隊來突破?！?
儲能研發(fā)中心現(xiàn)有職工和學生200余人。隨著國家“雙碳”目標的提出，儲能產業(yè)迎來發(fā)展機遇，儲能人才成為就業(yè)市場的“香餑餑”。但團隊成立至今，核心成員一個都沒離開。
王亮表示，在團隊里干活踏實，可以專心做一件事，未來充滿希望。“有這么一個平臺能讓我堅持深入干一件事，實現(xiàn)自己的理想，很幸福?！?
電影《中國合伙人》中有一句經典臺詞：“夢想是什么？夢想就是一種讓你感到堅持就是幸福的東西?！睂τ趦δ苎邪l(fā)中心的科研人員而言，讓清潔能源走進千家萬戶的夢想，召喚著他們在先進壓縮空氣儲能關鍵技術的攻關之路上披荊斬棘。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。
《中國科學報》 (2024-05-06 第4版 專題)
