中國儲能網(wǎng)訊：隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的深入，對長周期、高安全性以及具備物理轉(zhuǎn)動慣量的新型儲能需求越來越迫切，壓縮空氣儲能因其優(yōu)秀的綜合性能日益受到關(guān)注。尤其是金壇項目的成功商業(yè)化運(yùn)行，引爆了壓縮空氣儲能的市場，壓縮空氣也成為新一批國家新型儲能試點(diǎn)示范名單中最亮眼的技術(shù)路線。行業(yè)對壓縮空氣儲能等新技術(shù)路線的關(guān)注，體現(xiàn)了尋找更加安全、成熟和與電力系統(tǒng)相匹配的新型儲能技術(shù)路線的廣泛愿望。
一、壓縮空氣儲能原理及優(yōu)勢
類似抽水蓄能，壓縮空氣儲能也是一種采用機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)電能儲存和轉(zhuǎn)移的技術(shù)，兩者都遵循電能-勢能-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候?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變?yōu)樗闹亓菽埽鴫嚎s空氣儲能則是將電能轉(zhuǎn)換為空氣的分子勢能（氣體分子宏觀的壓力勢能）。按照熱力學(xué)定律，壓縮空氣的過程中將產(chǎn)生熱量，而壓縮空氣膨脹做功的過程中，需要進(jìn)行吸熱。所以壓縮空氣儲能存在分子壓力勢能、熱能兩個循環(huán)，而實(shí)現(xiàn)兩個循環(huán)的優(yōu)化匹配，是壓縮空氣儲能技術(shù)的關(guān)鍵。
圖1 壓縮空氣儲能原理圖
壓縮空氣儲能成為儲能界新寵，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”問題中，前者主要帶來發(fā)用電平衡等問題；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、弱電壓支撐等問題，使整個電力系統(tǒng)存在崩潰的危險，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”問題示意（《新型電力系統(tǒng)藍(lán)皮書》）
與電化學(xué)儲能相比，壓縮空氣儲能是解決“雙高”問題的良方。電化學(xué)儲能雖然有助于解決高比例可再生能源帶來的發(fā)用電平衡問題，但電化學(xué)儲能本身也是通過電力電子設(shè)備并網(wǎng)，加劇了高比例電力電子設(shè)備并網(wǎng)的問題。與之相比，壓縮空氣儲能系統(tǒng)不但具有長時儲能特性，其機(jī)械旋轉(zhuǎn)特性也有助于解決“雙高”中的第二個問題。
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業(yè)的原理分析，筆者也僅略知皮毛。但形象來說，其根本區(qū)別可以回溯至特斯拉與愛迪生的交直流電之爭，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，麥克斯韋方程是對電磁學(xué)的完美詮釋，而直流電僅是麥克斯韋方程的特殊解，或許是直流電的工程實(shí)踐并沒有完全利用電磁學(xué)的奧秘，所以帶來直流設(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題。
綜上，壓縮空氣儲能具有更強(qiáng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定支撐能力，同時主要構(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能等新型儲能方式。
二、壓縮空氣儲能的發(fā)展歷程
2021年金壇壓縮空氣儲能電站（60MW*5小時）的投運(yùn)，驗證了壓縮空氣儲能商業(yè)化應(yīng)用的可行性，從而引爆了壓縮空氣儲能路線的崛起。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)隊起到了決定性的推進(jìn)作用。
1949年，德國就提出了壓縮空氣儲能電站的概念，美國、英國、德國均先后建設(shè)了壓縮空氣儲能工程，但早期一般采用補(bǔ)燃的技術(shù)路線，即不對壓縮過程中產(chǎn)生的熱能進(jìn)行儲存，而在發(fā)電時通過天然氣等燃料進(jìn)行補(bǔ)燃，由于熱量散失嚴(yán)重，該技術(shù)路線綜合效率較低，詳見圖3。
圖3 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能原理圖
為克服補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能的缺點(diǎn)，清華大學(xué)盧強(qiáng)院士團(tuán)隊提出高效率非補(bǔ)燃的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，與補(bǔ)燃式的主要區(qū)別在于，非補(bǔ)燃路線對壓縮產(chǎn)生的熱進(jìn)行儲存，并在空氣膨脹做功的過程中將熱量進(jìn)行回饋。先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能又可分為高溫絕熱式和中溫絕熱式兩個不同技術(shù)路線。當(dāng)前，由于高溫壓縮機(jī)對工藝的要求極高，實(shí)現(xiàn)難度非常大，已開展的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能工程均采用中溫技術(shù)路線（原理詳見圖4）。
圖4 中溫非補(bǔ)燃先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能原理圖
經(jīng)過分階段的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，盧強(qiáng)院士、梅生偉教授團(tuán)隊經(jīng)過十幾年的努力，終于使先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能成為現(xiàn)實(shí)。具體發(fā)展過程可大致分為以下三個階段：
（1）非補(bǔ)燃先進(jìn)絕熱的首次應(yīng)用。2012年，在國家電網(wǎng)的支持下，清華大學(xué)聯(lián)合中國電力科學(xué)研究院、中科院理化所，在國內(nèi)率先開展非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能的技術(shù)驗證和工程實(shí)踐，于2014年在安徽蕪湖市建成了裝機(jī)為500kW的非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站。該電站是國內(nèi)首個非補(bǔ)燃技術(shù)路線的成功應(yīng)用，也是國內(nèi)首個系統(tǒng)完善和實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的壓縮空氣儲能電站。電站儲熱系統(tǒng)以加壓水作為儲熱介質(zhì)，蓄熱溫度為120°C，電-電效率為41%。
（2）新的儲熱技術(shù)的應(yīng)用。通過提升壓縮機(jī)排氣溫度，并進(jìn)行更高溫度的存儲，能大幅提升壓縮空氣儲能的效率。2017年，清華大學(xué)壓儲團(tuán)隊聯(lián)合青海大學(xué)在青海西寧建成了100kW新一代非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，該技術(shù)應(yīng)用了導(dǎo)熱油進(jìn)行儲熱，相對蕪湖項目儲熱溫度更高。同時創(chuàng)新應(yīng)用當(dāng)?shù)靥柲苜Y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，也驗證了更高溫度儲熱在大規(guī)模壓縮空氣儲能項目中的應(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)儲熱壓縮空氣儲能技術(shù)方面取得的研究和實(shí)踐成果，2017年國家能源局批復(fù)立項江蘇金壇壓縮空氣儲能技術(shù)，由清華大學(xué)、中鹽集團(tuán)和華能聯(lián)合建設(shè)，項目一期建設(shè)60MW*5h鹽穴壓縮空氣儲能電站，未來將分期建設(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，項目已實(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400個完整的“儲能+發(fā)電”循環(huán)，累計發(fā)電1.6億千瓦時。項目整體性能優(yōu)良，各子系統(tǒng)性能達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)測試，電-電效率為62.3%。金壇電站的成功，正式按下了壓縮空氣儲能發(fā)展的快捷鍵。
在上述成績的基礎(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，通過采用恒壓壓縮空氣、高溫儲熱等技術(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
金壇項目的成功商業(yè)化應(yīng)用，成為我國壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)起步的爆發(fā)點(diǎn)。 據(jù)不完全統(tǒng)計，山東、河南、河北、江蘇、內(nèi)蒙古、青海等12省規(guī)劃、在建項目超過30個，合計規(guī)模達(dá)到8GW。2023年年底，國家能源局公示新一批新型儲能試點(diǎn)示范項目，共有56個項目列入，該名單包含了壓縮空氣、全釩液流、重力儲能、飛輪等多種項目類型，其中壓縮空氣儲能項目達(dá)到11個（不含二氧化碳儲能），成為最亮眼的新型儲能技術(shù)路線。
壓縮空氣儲能行業(yè)也涌現(xiàn)出了中能建數(shù)科、中儲國能等專注壓儲技術(shù)研發(fā)和工程服務(wù)的企業(yè)，前者作為大型能源央企，利用雄厚的財力、工程優(yōu)勢不斷攻城略地；而后者通過技術(shù)創(chuàng)新和理念宣傳，一度在資本市場掀起一陣旋風(fēng)。
但是縱觀產(chǎn)業(yè)圈，先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(shù)的首創(chuàng)者——清華系似乎略顯低調(diào)。但故事并非如此簡單，2023年11月14日，三峽國水集團(tuán)發(fā)布了一則壓縮空氣儲能應(yīng)用示范項目的中標(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壓縮空氣儲能項目納入此次國家能源局公布的新型儲能試點(diǎn)示范名單。
與中儲國能揚(yáng)名于資本市場不同，佑賽科技似乎知名度較低，但通過草蛇灰線不難尋見其清華傳承。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)隊基本來自清華大學(xué)電機(jī)系，并且大多來自盧強(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時，就透露佑賽科技科研力量源于盧強(qiáng)院士團(tuán)隊，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。也是在盧院士號召下，源源不斷的清華學(xué)子加入團(tuán)隊，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)如果沒有一定的經(jīng)驗歷練，是沒有什么發(fā)言權(quán)的，而當(dāng)前正是80一代嶄露頭角的當(dāng)口。來自清華電機(jī)系的80后高管團(tuán)隊，都有著近20年能源行業(yè)學(xué)習(xí)從業(yè)經(jīng)歷，對電力系統(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能研究和實(shí)踐的過程，用“清華傳承、十年磨劍”來形成佑賽科技在壓儲方面的布局再恰當(dāng)不過。
誠如“行勝于言”的清華校風(fēng)，在新型儲能市場風(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)、市場開拓和力量整合。就像火山一樣，沉默雖然是其常態(tài)，但火山不會一直沉默下去。在壓縮空氣儲能市場的初步亮相，正是佑賽科技釋放力量的開始，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)軍壓縮空氣儲能領(lǐng)域的宣言！
