文｜適道
新質(zhì)生產(chǎn)力，區(qū)別于傳統(tǒng)生產(chǎn)力，是生產(chǎn)力“質(zhì)的躍遷”。
回望人類生產(chǎn)方式的演進(jìn)史，從狩獵時(shí)代到農(nóng)耕時(shí)代，從機(jī)械化、電氣化再到信息化的三次工業(yè)革命，能源轉(zhuǎn)型均發(fā)揮了極為重要的作用。
目前，全球電力行業(yè)處于從“化石能源”轉(zhuǎn)型為“可再生能源”的關(guān)鍵時(shí)期。然而，新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)了——以“風(fēng)電和太陽(yáng)能”為代表的可再生能源，其發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性對(duì)現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)造成了巨大的結(jié)構(gòu)性壓力。
一種同時(shí)滿足“大容量、長(zhǎng)時(shí)間”的新型儲(chǔ)能技術(shù)迫在眉睫。
今年“兩會(huì)”上，全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員張振濤表示：“二氧化碳?jí)嚎s儲(chǔ)能和空氣壓縮儲(chǔ)能，是解決可再生能源大規(guī)模發(fā)電并網(wǎng)的最佳新型儲(chǔ)能技術(shù)之一，建議給予新型長(zhǎng)時(shí)物理儲(chǔ)能技術(shù)非歧視性政策，真正做到以實(shí)際行動(dòng)支持新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展?！?/p>
張振濤提及的“二氧化碳儲(chǔ)能”是何種技術(shù)？又該如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用？ 會(huì)成為儲(chǔ)能界的“秘密武器”嗎？
01 新型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)登上舞臺(tái)
1746年，荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克教授用兩片金屬箔和一塊玻璃組成了一個(gè)電容器，這就是人類最早的儲(chǔ)電裝置——“萊頓瓶”。彼時(shí)的“萊頓瓶”只能存放“有限”電荷；今天，人們開始尋找一個(gè)能夠儲(chǔ)存巨量電能的“萊頓瓶”。
首先進(jìn)入大眾視線的是風(fēng)電、光伏儲(chǔ)能。多年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電、光伏的裝機(jī)總量快速增長(zhǎng)，連續(xù)多年位居世界第一，但是由于風(fēng)光發(fā)電不穩(wěn)定，以及風(fēng)光發(fā)電曲線與電力消費(fèi)曲線的差異，導(dǎo)致調(diào)峰難度越來(lái)越大，進(jìn)而影響風(fēng)光消納。
從數(shù)據(jù)中我們也可以略窺一二。據(jù)《中國(guó)能源報(bào)》不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年7月，一年之內(nèi)，山西、陜西、安徽、江西、河北等地陸續(xù)公布最新風(fēng)光項(xiàng)目廢止名單，擬廢止的項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模已超過1000萬(wàn)千瓦。
一方面是能源不夠用；另一方面是“一哄而上”的產(chǎn)能“過?！薄@背后的矛盾如何調(diào)節(jié)？
能否創(chuàng)造出一個(gè)巨大的“萊頓瓶”，將消納不掉的風(fēng)光發(fā)電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在用電高峰時(shí)放電，不僅可以有效地調(diào)節(jié)電網(wǎng)供需，還能提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)做到綠色低碳？
由此，“新型儲(chǔ)能”登上了歷史舞臺(tái)。但面對(duì)“百花爭(zhēng)艷”的新技術(shù)，誰(shuí)才能擔(dān)此重任？
第一個(gè)條件，要能滿足“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”。
長(zhǎng)期以來(lái)，行業(yè)之外都存在一個(gè)誤區(qū)——增加儲(chǔ)能可以解決風(fēng)光消納95%以上的問題。
這個(gè)觀點(diǎn)非常片面。舉個(gè)例子，如果你想一次性存放3噸水，是選擇“礦泉水瓶”，還是選擇一個(gè)游泳池？
同樣的道理，想要消納巨量的風(fēng)光發(fā)電，用再多的“礦泉水瓶”——“短時(shí)儲(chǔ)能”也不夠。
根據(jù)充放電時(shí)長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)一般將儲(chǔ)能技術(shù)劃分為“短時(shí)儲(chǔ)能”（<4小時(shí)）和“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”（≥4小時(shí)）。
主要儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能容量和儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)。圖片來(lái)源：《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》（國(guó)家能源局，2023.06）
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能——以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、二氧化碳儲(chǔ)能、液流電池為代表；
短時(shí)儲(chǔ)能——以鋰離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池、超級(jí)電容為代表。
我們可以將“短時(shí)儲(chǔ)能”想象為一個(gè)迷你“充電寶”，靈活性強(qiáng)、可應(yīng)急，也能滿足小時(shí)級(jí)別的調(diào)峰調(diào)頻需求。但因?yàn)槿萘坑邢蓿到y(tǒng)在充電時(shí)很快就會(huì)飽和。
“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”更像是露營(yíng)用的“戶外電源”，儲(chǔ)能容量大，在風(fēng)光消納中起到了“乾坤大挪移”的作用，實(shí)現(xiàn)跨天、跨月，乃至跨季節(jié)的充放電循環(huán)，滿足新型電力系統(tǒng)負(fù)荷增加的需求。
想要消納龐大的風(fēng)光發(fā)電量，迷你的“短時(shí)儲(chǔ)能”顯然不夠用，大體格“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”則能將其“吞下”，并適用于長(zhǎng)時(shí)段電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源并網(wǎng)等場(chǎng)景。
而且，從“雙碳”的長(zhǎng)周期路徑來(lái)看，越到后期越需要“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”。據(jù)預(yù)測(cè)，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電占電力系統(tǒng)比例達(dá)50%-80%時(shí)，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)需要滿足10小時(shí)以上。
第二個(gè)條件，要能滿足“安全環(huán)?！薄?/p>
儲(chǔ)能技術(shù)大致可以劃分為電化學(xué)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能兩大類，不同技術(shù)的成熟度也不盡相同：
主要儲(chǔ)能技術(shù)成熟度分析，圖片來(lái)源：A.T Kearney Energy Transition Institute Analysis
在電化學(xué)儲(chǔ)能中，鋰離子電池技術(shù)最為成熟，已經(jīng)成為全球電能存儲(chǔ)的主流；以釩電池為代表的液流電池發(fā)展較晚。
在物理儲(chǔ)能中，除了傳統(tǒng)的抽水蓄能之外，壓縮空氣儲(chǔ)能最為成熟，且在全國(guó)范圍內(nèi)已有多個(gè)示范項(xiàng)目落地。
雖然目前來(lái)看，鋰離子電池以超90%的市場(chǎng)份額，成為了儲(chǔ)能市場(chǎng)當(dāng)之無(wú)愧的“王”，為電化學(xué)儲(chǔ)能路線拔得頭籌。
但其背后的安全問題不容忽視——2011—2021年間，全球共報(bào)道了32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，其中25起都與鋰離子電池相關(guān)。
一方面，電池系統(tǒng)存在本征缺陷，過充容易出現(xiàn)內(nèi)部短路；另一方面，儲(chǔ)能裝置多被安裝在遠(yuǎn)郊地區(qū)，諸如荒漠、山地、海邊，晝夜溫差引發(fā)反復(fù)冷凝現(xiàn)象并吸附灰塵，進(jìn)而損壞接地部分的絕緣層，引起火災(zāi)。
雖然我們可以通過補(bǔ)齊安全標(biāo)準(zhǔn)，盡量避免悲劇發(fā)生。但從本質(zhì)上看，鋰離子電池的“安全”只是“相對(duì)意義”。
因?yàn)殇囯x子電池采用的有機(jī)電解質(zhì)不具備可逆分解與復(fù)原，當(dāng)電池被重復(fù)充電或受外力作用時(shí)，鋰離子會(huì)在負(fù)極表面析出，不可逆地形成固態(tài)金屬鋰。而金屬鋰是導(dǎo)致鋰電安全問題的罪魁禍?zhǔn)?，這些問題在大容量動(dòng)力電池上會(huì)更加嚴(yán)重，即便采用BMS（電池管理系統(tǒng)）也無(wú)法從根本解決。
再來(lái)看以釩電池為代表的液流電池，雖然能夠做到“安全”，但和鋰離子電池類似，其原料涉及化學(xué)污染、電化學(xué)安全問題，更關(guān)鍵的是系統(tǒng)初裝成本還是居高不下。其電解液使用量較大，儲(chǔ)能系統(tǒng)退役后也將涉及回收處理鏈條冗長(zhǎng)復(fù)雜的問題。
由此，同時(shí)滿足“大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)、安全、環(huán)保”的物理儲(chǔ)能路線則優(yōu)勢(shì)凸顯。
例如“抽水蓄能”和“壓縮空氣儲(chǔ)能”，儲(chǔ)能介質(zhì)為“水”和“空氣”，綠色安全。
尤其是“壓縮空氣儲(chǔ)能”家族中的“二氧化碳儲(chǔ)能”，能夠?qū)⒍趸肌白儚U為寶”，深度嵌入“碳捕集、封存與利用”（CCUS）各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步促成“雙碳”目標(biāo)。
第三個(gè)條件，要能滿足“快速落地”。
雖然，抽水蓄能滿足“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”和“物理儲(chǔ)能”，且發(fā)展最為成熟，已經(jīng)被廣泛投入建成，但其限制條件頗多——選址困難，能量密度較低，總投資較高，且建設(shè)周期長(zhǎng)（5-10年）。
當(dāng)建設(shè)速度趕不上新型電力系統(tǒng)的發(fā)展速度，抽水蓄能留下的市場(chǎng)空缺就開始逐漸被新型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)擠占——同時(shí)滿足建設(shè)周期短、環(huán)境影響小、選址要求低等特點(diǎn)，適于在短期內(nèi)增加規(guī)模，能夠快速投入使用。
在此背景下，壓縮空氣儲(chǔ)能“家族”被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ奈锢韮?chǔ)能技術(shù)。
壓縮空氣儲(chǔ)能方面，我國(guó)總體實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑。首先，研發(fā)進(jìn)程遙遙領(lǐng)先，我國(guó)率先研發(fā)了十兆瓦、百兆瓦項(xiàng)目；其次，系統(tǒng)效率位列全球首位，300MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能效率已上升至70%以上。
二氧化碳儲(chǔ)能方面，早于2013年，我國(guó)已有研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了移動(dòng)式二氧化碳?jí)嚎s儲(chǔ)能裝置；近些年更是突破性地研發(fā)了新型二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)具有循環(huán)效率高、建設(shè)難度低、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)成本低、契合碳捕捉技術(shù)，和不受地理?xiàng)l件限制等特點(diǎn)，在全球位列前沿。
據(jù)悉，該研究團(tuán)隊(duì)自研自產(chǎn)的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能電-電效率最高可至75%，可以實(shí)現(xiàn)30年以上的使用壽命，度電成本低至0.25元/KWh左右。
從項(xiàng)目進(jìn)展看，2023年8月，我國(guó)已經(jīng)建成國(guó)內(nèi)首套百千瓦液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能示范驗(yàn)證項(xiàng)目；10月完成項(xiàng)目系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試；12月立項(xiàng)備案國(guó)際首套100MW/400MWh二氧化碳儲(chǔ)能商業(yè)化電站……
可以預(yù)見，前方有我國(guó)研究人員的持續(xù)攻關(guān)，壓縮空氣儲(chǔ)能和二氧化碳儲(chǔ)能將在儲(chǔ)能市場(chǎng)上大放異彩。
那么，我們縱深對(duì)比，這兩種儲(chǔ)能技術(shù)各自有什么特點(diǎn)？誰(shuí)更勝一籌？
02 長(zhǎng)時(shí)+安全+商業(yè)化，如何“既要、又要、還要”？
壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）在用電低谷，通過壓縮機(jī)把空氣壓縮成高壓空氣，在用電高峰，釋放高壓空氣，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)就可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）原理圖，圖片來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)，《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》
隨著時(shí)代的發(fā)展，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）也在不斷進(jìn)化。
1.0版本-補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能（D-CAES）——熱量回收率差，需要燃燒大量化石燃料輔助發(fā)電，已經(jīng)被時(shí)代淘汰；2.0版本-非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES）——實(shí)現(xiàn)了無(wú)燃燒、零碳排，但對(duì)系統(tǒng)熱效率要求高，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較高；2.5版本-液化空氣儲(chǔ)能(LAES)——直接進(jìn)入“液化單元”儲(chǔ)能，減少熱能浪費(fèi)，降低儲(chǔ)存空間要求。但空氣的液化條件過于苛刻，導(dǎo)致建設(shè)成本較高、實(shí)現(xiàn)難度大，影響進(jìn)一步批量落地。
液化空氣儲(chǔ)能（LAES）原理圖，圖片來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)，《油氣與新能源》
當(dāng)前我國(guó)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要還是2.0版本AA-CAES。
然而，技術(shù)的革命性突破有時(shí)只需轉(zhuǎn)一個(gè)彎——將液化“空氣”換成更容易液化的氣體，是否就可以“魚和熊掌得兼”，一舉實(shí)現(xiàn)“高效+易落地”？
于是，壓縮空氣儲(chǔ)能家族的3.0版“黑科技”——二氧化碳儲(chǔ)能（CCES），登上了歷史舞臺(tái)。
將空氣換成二氧化碳有哪些好處？
首先，安全第一。二氧化碳無(wú)毒、不易燃、安全等級(jí)達(dá)到A1，泄漏風(fēng)險(xiǎn)低，用起來(lái)大膽放心。
其次，液化條件簡(jiǎn)單。二氧化碳在常溫31℃以下，70個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，即可液化保存。其存儲(chǔ)條件相較于液態(tài)空氣（-193℃）簡(jiǎn)單很多，也便宜很多；
再次，臨界二氧化碳（S-CO2）具備優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)。二氧化碳在31℃，74個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓以上進(jìn)入超臨界區(qū)，會(huì)變成兼具液態(tài)高密度氣態(tài)低粘度特性的超臨界狀態(tài)，黏度小、密度大、導(dǎo)熱性能好，有利于系統(tǒng)運(yùn)行過程中的高效儲(chǔ)熱和換熱，明顯優(yōu)于當(dāng)前用于火電發(fā)電的高壓水蒸汽。
二氧化碳儲(chǔ)能（CCES）原理圖 ，圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所
從數(shù)據(jù)來(lái)看，二氧化碳儲(chǔ)能（CCES）的電-電效率最高可達(dá)70%以上，液態(tài)儲(chǔ)存溫度僅為常溫，沒有其他能量損失，這兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)明顯優(yōu)于液態(tài)空氣儲(chǔ)能(LAES)。
這意味著，二氧化碳儲(chǔ)能（CCES）同時(shí)具備“更小的身板擁有更大的能量”。
從成本來(lái)看，二氧化碳儲(chǔ)能（CCES）系統(tǒng)雖然需要配備額外配置低壓氣體儲(chǔ)存裝置，產(chǎn)生了一定的原料和用地成本；但得益于二氧化碳的大分子量，系統(tǒng)所涉及的設(shè)備如壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等的尺寸也更小、更緊湊，實(shí)際加工成本也隨之降低。目前，由國(guó)內(nèi)公司博睿鼎能開發(fā)的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，全生命周期度電成本最低可達(dá)0.25元/kWh，已逼近抽水蓄能的度電成本，未來(lái)的成本優(yōu)化空間也將更加明顯。
而更為關(guān)鍵的是，二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)（CCES）是一個(gè)典型的二氧化碳利用場(chǎng)景，可以深度嵌入“碳捕集、封存與利用”（CCUS）各個(gè)環(huán)節(jié)，為“雙碳”目標(biāo)提供了一條可行的思路。
我們以一套100MW/600MWh的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)為例。短短幾小時(shí)，該系統(tǒng)就能完成一次充放電，一次完全放電高達(dá)60萬(wàn)度。按我國(guó)人均每日用電2度計(jì)算，可以滿足30萬(wàn)人口，也就是一個(gè)小縣城居民一天的用電需求。
正是出于更高的儲(chǔ)能密度、更低的儲(chǔ)能壓力、更優(yōu)的環(huán)境兼容性，二氧化碳儲(chǔ)能（CCES）展現(xiàn)出了其無(wú)可替代的成本效益，以及可再生能源調(diào)度能力。
接下來(lái)，商業(yè)化也就成為了一件順其自然的事情。
2022年6月，意大利Energy Dome公司成功建成了一套4MWh的“二氧化碳電池”試點(diǎn)項(xiàng)目，這也是世界上首個(gè)二氧化碳儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。
同年4月，一家名為“博睿鼎能”的中國(guó)公司從中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所走出，并以其獨(dú)有的“新型二氧化碳儲(chǔ)能”解決方案，成為“雙碳”背景下的中國(guó)公司代表。
行業(yè)專家指出，博睿鼎能的二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)緊密契合了CCUS（碳捕捉、利用與封存）技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的“變廢為寶”。“通過將二氧化碳制冷、熱泵與儲(chǔ)能耦合，不僅為零碳電廠的建設(shè)提供了創(chuàng)新方案，也在提高工業(yè)園區(qū)能效方面展現(xiàn)了技術(shù)的應(yīng)用潛力?！蹦衬茉搭I(lǐng)域投資人評(píng)價(jià)道。
據(jù)了解，2023年8月，博睿鼎能建成了國(guó)內(nèi)首套百千瓦液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能示范驗(yàn)證項(xiàng)目；10月完成項(xiàng)目系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試；12月立項(xiàng)備案國(guó)際首套100MW/400MWh二氧化碳儲(chǔ)能商業(yè)化電站。二氧化碳儲(chǔ)能距離商業(yè)化更進(jìn)一步。
結(jié)語(yǔ)
據(jù)預(yù)測(cè)，2030年起，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能容量將達(dá)到2億-3億千瓦，需求約占新能源發(fā)電量的10%-20%，將成為維持系統(tǒng)平衡的重要調(diào)節(jié)手段。
在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的解決方案中，壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）最為成熟，但其受地質(zhì)條件影響較大；液化空氣儲(chǔ)能（LCES）雖然擺脫地理?xiàng)l件限制，但系統(tǒng)循環(huán)效率大幅降低，而且空氣液化難度較大，建設(shè)成本較高。
相比之下，二氧化碳儲(chǔ)能（CCES）因其在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)可行性方面的雙重優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)將成為一個(gè)革命性的升級(jí)解決方案。二氧化碳儲(chǔ)能不僅提高了系統(tǒng)的循環(huán)效率和多場(chǎng)景的適應(yīng)性，其利用溫室氣體作為儲(chǔ)能介質(zhì)的特點(diǎn)，也為“減碳”提供了一個(gè)創(chuàng)新的途徑。
或許，它將帶領(lǐng)壓縮氣體儲(chǔ)能（CGES）產(chǎn)業(yè)迎接新的產(chǎn)業(yè)拐點(diǎn)。