中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的深入，對(duì)長(zhǎng)周期、高安全性以及具備物理轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的新型儲(chǔ)能需求越來(lái)越迫切，壓縮空氣儲(chǔ)能因其優(yōu)秀的綜合性能日益受到關(guān)注。尤其是金壇項(xiàng)目的成功商業(yè)化運(yùn)行，引爆了壓縮空氣儲(chǔ)能的市場(chǎng)，壓縮空氣也成為新一批國(guó)家新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范名單中最亮眼的技術(shù)路線(xiàn)。行業(yè)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能等新技術(shù)路線(xiàn)的關(guān)注，體現(xiàn)了尋找更加安全、成熟和與電力系統(tǒng)相匹配的新型儲(chǔ)能技術(shù)路線(xiàn)的廣泛愿望。
一、壓縮空氣儲(chǔ)能原理及優(yōu)勢(shì)
類(lèi)似抽水蓄能，壓縮空氣儲(chǔ)能也是一種采用機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移的技術(shù)，兩者都遵循電能-勢(shì)能-電能的轉(zhuǎn)換流程。二者差異在于，抽水蓄能是在電能富余的時(shí)候?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變?yōu)樗闹亓?shì)能，而壓縮空氣儲(chǔ)能則是將電能轉(zhuǎn)換為空氣的分子勢(shì)能（氣體分子宏觀(guān)的壓力勢(shì)能）。按照熱力學(xué)定律，壓縮空氣的過(guò)程中將產(chǎn)生熱量，而壓縮空氣膨脹做功的過(guò)程中，需要進(jìn)行吸熱。所以壓縮空氣儲(chǔ)能存在分子壓力勢(shì)能、熱能兩個(gè)循環(huán)，而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)循環(huán)的優(yōu)化匹配，是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵。
圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能原理圖
壓縮空氣儲(chǔ)能成為儲(chǔ)能界新寵，很重要的原因在于它能與電力系統(tǒng)特性進(jìn)行很好的匹配。隨著新能源發(fā)電滲透率越來(lái)越高，新型電力系統(tǒng)“雙高”（高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備）特性日益凸顯，成為電力系統(tǒng)運(yùn)行的根本威脅?！半p高”問(wèn)題中，前者主要帶來(lái)發(fā)用電平衡等問(wèn)題；而后者破壞了同步電網(wǎng)為主導(dǎo)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致低慣量、低阻尼、弱電壓支撐等問(wèn)題，使整個(gè)電力系統(tǒng)存在崩潰的危險(xiǎn)，也成為新能源發(fā)展的終極壁壘。
圖2 新型電力系統(tǒng)“雙高”問(wèn)題示意（《新型電力系統(tǒng)藍(lán)皮書(shū)》）
與電化學(xué)儲(chǔ)能相比，壓縮空氣儲(chǔ)能是解決“雙高”問(wèn)題的良方。電化學(xué)儲(chǔ)能雖然有助于解決高比例可再生能源帶來(lái)的發(fā)用電平衡問(wèn)題，但電化學(xué)儲(chǔ)能本身也是通過(guò)電力電子設(shè)備并網(wǎng)，加劇了高比例電力電子設(shè)備并網(wǎng)的問(wèn)題。與之相比，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不但具有長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能特性，其機(jī)械旋轉(zhuǎn)特性也有助于解決“雙高”中的第二個(gè)問(wèn)題。
關(guān)于電力電子并網(wǎng)的機(jī)理，涉及到交直流方面非常專(zhuān)業(yè)的原理分析，筆者也僅略知皮毛。但形象來(lái)說(shuō)，其根本區(qū)別可以回溯至特斯拉與愛(ài)迪生的交直流電之爭(zhēng)，交流電戰(zhàn)勝直流電并不是偶然，而是基礎(chǔ)理論發(fā)展的必然。眾所周知，麥克斯韋方程是對(duì)電磁學(xué)的完美詮釋?zhuān)绷麟妰H是麥克斯韋方程的特殊解，或許是直流電的工程實(shí)踐并沒(méi)有完全利用電磁學(xué)的奧秘，所以帶來(lái)直流設(shè)備制造和組網(wǎng)的困難。當(dāng)年的直流電機(jī)在設(shè)備復(fù)雜度上高于交流電機(jī)，其可靠性也遠(yuǎn)不如后者，而今天借助電力電子設(shè)備的直流系統(tǒng)也同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、電壓頻率耐受能力差等問(wèn)題。
綜上，壓縮空氣儲(chǔ)能具有更強(qiáng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定支撐能力，同時(shí)主要構(gòu)成是機(jī)械部件，其運(yùn)行可靠性高，不存在容量衰減等問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行年限可以達(dá)到30-40年，也使全壽命周期成本低于鋰電儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)能方式。
二、壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展歷程
2021年金壇壓縮空氣儲(chǔ)能電站（60MW*5小時(shí)）的投運(yùn)，驗(yàn)證了壓縮空氣儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的可行性，從而引爆了壓縮空氣儲(chǔ)能路線(xiàn)的崛起。但壓縮空氣的發(fā)展也經(jīng)歷了艱難的歷程，其中中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)電機(jī)系教授盧強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)起到了決定性的推進(jìn)作用。
1949年，德國(guó)就提出了壓縮空氣儲(chǔ)能電站的概念，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)均先后建設(shè)了壓縮空氣儲(chǔ)能工程，但早期一般采用補(bǔ)燃的技術(shù)路線(xiàn)，即不對(duì)壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，而在發(fā)電時(shí)通過(guò)天然氣等燃料進(jìn)行補(bǔ)燃，由于熱量散失嚴(yán)重，該技術(shù)路線(xiàn)綜合效率較低，詳見(jiàn)圖3。
圖3 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能原理圖
為克服補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能的缺點(diǎn)，清華大學(xué)盧強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)提出高效率非補(bǔ)燃的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，與補(bǔ)燃式的主要區(qū)別在于，非補(bǔ)燃路線(xiàn)對(duì)壓縮產(chǎn)生的熱進(jìn)行儲(chǔ)存，并在空氣膨脹做功的過(guò)程中將熱量進(jìn)行回饋。先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能又可分為高溫絕熱式和中溫絕熱式兩個(gè)不同技術(shù)路線(xiàn)。當(dāng)前，由于高溫壓縮機(jī)對(duì)工藝的要求極高，實(shí)現(xiàn)難度非常大，已開(kāi)展的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能工程均采用中溫技術(shù)路線(xiàn)（原理詳見(jiàn)圖4）。
圖4 中溫非補(bǔ)燃先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能原理圖
經(jīng)過(guò)分階段的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，盧強(qiáng)院士、梅生偉教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十幾年的努力，終于使先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能成為現(xiàn)實(shí)。具體發(fā)展過(guò)程可大致分為以下三個(gè)階段：
（1）非補(bǔ)燃先進(jìn)絕熱的首次應(yīng)用。2012年，在國(guó)家電網(wǎng)的支持下，清華大學(xué)聯(lián)合中國(guó)電力科學(xué)研究院、中科院理化所，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能的技術(shù)驗(yàn)證和工程實(shí)踐，于2014年在安徽蕪湖市建成了裝機(jī)為500kW的非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站。該電站是國(guó)內(nèi)首個(gè)非補(bǔ)燃技術(shù)路線(xiàn)的成功應(yīng)用，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)系統(tǒng)完善和實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)以加壓水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，蓄熱溫度為120°C，電-電效率為41%。
（2）新的儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)提升壓縮機(jī)排氣溫度，并進(jìn)行更高溫度的存儲(chǔ)，能大幅提升壓縮空氣儲(chǔ)能的效率。2017年，清華大學(xué)壓儲(chǔ)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合青海大學(xué)在青海西寧建成了100kW新一代非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站，該技術(shù)應(yīng)用了導(dǎo)熱油進(jìn)行儲(chǔ)熱，相對(duì)蕪湖項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱溫度更高。同時(shí)創(chuàng)新應(yīng)用當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源，采用光熱的方式進(jìn)行補(bǔ)熱。盡管該電站裝機(jī)容量小，但仍然實(shí)現(xiàn)了51%的電-電效率，也驗(yàn)證了更高溫度儲(chǔ)熱在大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目中的應(yīng)用可行性。
（3）商業(yè)化應(yīng)用邁出重要一步。鑒于清華大學(xué)在先進(jìn)儲(chǔ)熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)方面取得的研究和實(shí)踐成果，2017年國(guó)家能源局批復(fù)立項(xiàng)江蘇金壇壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，由清華大學(xué)、中鹽集團(tuán)和華能聯(lián)合建設(shè)，項(xiàng)目一期建設(shè)60MW*5h鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站，未來(lái)將分期建設(shè)總?cè)萘繛?000MW的電站集群。2022年電站整體并網(wǎng)發(fā)電以來(lái)，項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行并正式納入江蘇省調(diào)調(diào)度運(yùn)行范圍。目前已完成超過(guò)400個(gè)完整的“儲(chǔ)能+發(fā)電”循環(huán)，累計(jì)發(fā)電1.6億千瓦時(shí)。項(xiàng)目整體性能優(yōu)良，各子系統(tǒng)性能達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試，電-電效率為62.3%。金壇電站的成功，正式按下了壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展的快捷鍵。
在上述成績(jī)的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)仍在不斷夯實(shí)在該領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)采用恒壓壓縮空氣、高溫儲(chǔ)熱等技術(shù)創(chuàng)新，正在向更大容量、更高效率和更低成本邁進(jìn)。
三、行業(yè)爆發(fā)與異軍突起
金壇項(xiàng)目的成功商業(yè)化應(yīng)用，成為我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)起步的爆發(fā)點(diǎn)。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，山東、河南、河北、江蘇、內(nèi)蒙古、青海等12省規(guī)劃、在建項(xiàng)目超過(guò)30個(gè)，合計(jì)規(guī)模達(dá)到8GW。2023年年底，國(guó)家能源局公示新一批新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范項(xiàng)目，共有56個(gè)項(xiàng)目列入，該名單包含了壓縮空氣、全釩液流、重力儲(chǔ)能、飛輪等多種項(xiàng)目類(lèi)型，其中壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目達(dá)到11個(gè)（不含二氧化碳儲(chǔ)能），成為最亮眼的新型儲(chǔ)能技術(shù)路線(xiàn)。
壓縮空氣儲(chǔ)能行業(yè)也涌現(xiàn)出了中能建數(shù)科、中儲(chǔ)國(guó)能等專(zhuān)注壓儲(chǔ)技術(shù)研發(fā)和工程服務(wù)的企業(yè)，前者作為大型能源央企，利用雄厚的財(cái)力、工程優(yōu)勢(shì)不斷攻城略地；而后者通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和理念宣傳，一度在資本市場(chǎng)掀起一陣旋風(fēng)。
但是縱觀(guān)產(chǎn)業(yè)圈，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的首創(chuàng)者——清華系似乎略顯低調(diào)。但故事并非如此簡(jiǎn)單，2023年11月14日，三峽國(guó)水集團(tuán)發(fā)布了一則壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用示范項(xiàng)目的中標(biāo)公告，中標(biāo)聯(lián)合體就包括清華大學(xué)，另外還有安徽佑賽科技股份有限公司值得大家關(guān)注。據(jù)悉，佑賽科技也支撐了多個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目納入此次國(guó)家能源局公布的新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范名單。
與中儲(chǔ)國(guó)能揚(yáng)名于資本市場(chǎng)不同，佑賽科技似乎知名度較低，但通過(guò)草蛇灰線(xiàn)不難尋見(jiàn)其清華傳承。相關(guān)信息顯示，安徽佑賽科技創(chuàng)始人、董事長(zhǎng)陳任峰正是盧強(qiáng)院士的博士和博士后，安徽佑賽的常務(wù)副總、技術(shù)副總等高管團(tuán)隊(duì)基本來(lái)自清華大學(xué)電機(jī)系，并且大多來(lái)自盧強(qiáng)院士課題組。
今年8月份，佑賽科技常務(wù)副總譚偉在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)，就透露佑賽科技科研力量源于盧強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)，正是盧院士指導(dǎo)創(chuàng)建了佑賽科技，其本人也曾擔(dān)任佑賽科技首席技術(shù)顧問(wèn)。也是在盧院士號(hào)召下，源源不斷的清華學(xué)子加入團(tuán)隊(duì)，立志建成佑賽的“清華天團(tuán)”。
迥異于互聯(lián)網(wǎng)、金融行業(yè)的出名要趁早，能源行業(yè)如果沒(méi)有一定的經(jīng)驗(yàn)歷練，是沒(méi)有什么發(fā)言權(quán)的，而當(dāng)前正是80一代嶄露頭角的當(dāng)口。來(lái)自清華電機(jī)系的80后高管團(tuán)隊(duì)，都有著近20年能源行業(yè)學(xué)習(xí)從業(yè)經(jīng)歷，對(duì)電力系統(tǒng)和新能源行業(yè)發(fā)展有獨(dú)到的理解，他們也大多親歷了壓縮空氣儲(chǔ)能研究和實(shí)踐的過(guò)程，用“清華傳承、十年磨劍”來(lái)形成佑賽科技在壓儲(chǔ)方面的布局再恰當(dāng)不過(guò)。
誠(chéng)如“行勝于言”的清華校風(fēng)，在新型儲(chǔ)能市場(chǎng)風(fēng)起云涌之際，佑賽科技以沉默的姿態(tài)致力于技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)開(kāi)拓和力量整合。就像火山一樣，沉默雖然是其常態(tài)，但火山不會(huì)一直沉默下去。在壓縮空氣儲(chǔ)能市場(chǎng)的初步亮相，正是佑賽科技釋放力量的開(kāi)始，如譚偉所言，“將在清華10余年所學(xué)所得，應(yīng)用到實(shí)業(yè)當(dāng)中，為能源行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)佑賽力量、貢獻(xiàn)清華力量，真正踐行自強(qiáng)不息、厚德載物的清華校訓(xùn)”成為佑賽科技領(lǐng)軍壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的宣言！
