文｜昆仲資本
作為動(dòng)力電池的核心原材料，被譽(yù)為"白色石油"的鋰價(jià)格已經(jīng)“高不可攀”了。
先是從今年年初以來(lái)，國(guó)內(nèi)電池級(jí)碳酸鋰和氫氧化鋰價(jià)格均已實(shí)現(xiàn)翻倍，其中氫氧化鋰價(jià)格更是從年初的每噸22.5萬(wàn)漲至57.5萬(wàn)；再就是國(guó)外也“捂緊”了鋰資源的口袋：上個(gè)月，加拿大工業(yè)部以所謂國(guó)家安全為由，要求三家中國(guó)公司剝離其在加拿大關(guān)鍵礦產(chǎn)公司（即鋰礦）的投資。
牽一發(fā)而動(dòng)全身，原本以鋰電池為代表的新型儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在快速發(fā)展中，在預(yù)計(jì)未來(lái)5年儲(chǔ)能裝機(jī)容量年增長(zhǎng)率大于50%的前提下，儲(chǔ)能之路該何去何從？
什么樣的技術(shù)能夠在匹配未來(lái)新能源發(fā)電行業(yè)發(fā)展速度的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)所必需的大規(guī)模、低成本、安全穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能？
在我們看來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)有望憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的儲(chǔ)能市場(chǎng)占據(jù)至關(guān)重要的地位。
在下文中，我們將回答以下三個(gè)問(wèn)題：
1）為什么現(xiàn)在要大力發(fā)展儲(chǔ)能？?jī)?chǔ)能行業(yè)的潛在市場(chǎng)規(guī)模有多大？
2）為什么我們看好壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展？
3）在壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)中，為什么二氧化碳儲(chǔ)能是更值得關(guān)注的細(xì)分領(lǐng)域？
01.儲(chǔ)能行業(yè)：能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定器
為什么現(xiàn)在要大力發(fā)展儲(chǔ)能？
先來(lái)看這張中國(guó)2060能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖：
信息來(lái)源：昆仲資本分析和整理
為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，就必須發(fā)展以光伏、風(fēng)電等新能源為主要發(fā)電出力方的現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)，但由于新能源發(fā)電天然具有波動(dòng)性大、資源地理分配不均衡的特點(diǎn)，因此，儲(chǔ)能作為靈活性電源，未來(lái)勢(shì)必承擔(dān)起電網(wǎng)“削峰填谷”的主要責(zé)任，起到電網(wǎng)“穩(wěn)定器”的作用。
那什么是新型儲(chǔ)能？市場(chǎng)潛力有多大？
所謂新型儲(chǔ)能，其實(shí)就是指除抽水蓄能以外的所有新興儲(chǔ)能技術(shù)，之所以將其定義為新型技術(shù)，主要是因?yàn)榇饲拔覈?guó)電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求有限，規(guī)?；膬?chǔ)能憑借抽水蓄能就夠了，因此，其他技術(shù)均停留在科研層面，相對(duì)較新。
但是，在新能源發(fā)電裝機(jī)容量快速提升的大背景下，新型儲(chǔ)能的發(fā)展也在這兩年步入了快車(chē)道，首先，政策層面正不斷給出強(qiáng)力支持。
2021年，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，緊接著，2022年2月份發(fā)布了《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》（后簡(jiǎn)稱(chēng)為《實(shí)施方案》），目前，我國(guó)已經(jīng)有23個(gè)省市已明確新能源配儲(chǔ)要求，配儲(chǔ)比例10%+，儲(chǔ)能成為剛需，行業(yè)正進(jìn)入快速發(fā)展期。
其次，在市場(chǎng)規(guī)模方面，我們預(yù)計(jì)，到2030年，我國(guó)新型儲(chǔ)能設(shè)施累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到130GW，年儲(chǔ)存電量超9000億度，期間投資規(guī)模將達(dá)4000億；到2060年，累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到500GW，年儲(chǔ)存電量超36000億度電，期間投資規(guī)模將達(dá)1.5萬(wàn)億。
在如此大的市場(chǎng)潛力預(yù)期之下，各種類(lèi)型儲(chǔ)能技術(shù)自然也開(kāi)始“卷”起來(lái)了。
主要儲(chǔ)能技術(shù)成熟度分析示意圖
信息來(lái)源：A.T Kearney Energy Transition Institute Analysis
根據(jù)儲(chǔ)能原理的不同，儲(chǔ)能技術(shù)大致可以被劃分為電化學(xué)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能兩大類(lèi)，如上圖所示，不同技術(shù)的成熟度也不盡相同：
在電化學(xué)儲(chǔ)能中，鋰離子電池技術(shù)最為成熟，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；b機(jī)，而近兩年來(lái)頗受關(guān)注的鈉離子電池、液流電池還處于研發(fā)階段，預(yù)計(jì)在未來(lái)2-3年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；
在物理儲(chǔ)能中，除傳統(tǒng)抽水蓄能之外，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)最成熟，且在全國(guó)范圍內(nèi)已有多個(gè)示范項(xiàng)目落地，其次是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。
從商業(yè)化程度來(lái)看，得益于技術(shù)和供應(yīng)鏈的雙重成熟，目前鋰離子電池以90%的市場(chǎng)份額暫時(shí)領(lǐng)先，但考慮到其高昂的單位成本、相對(duì)較短的使用壽命（高頻使用下只能用5~8年）以及潛在嚴(yán)重的安全隱患，儲(chǔ)能行業(yè)急需“物美價(jià)廉”的新技術(shù)來(lái)滿足需求。
這樣一來(lái)，新技術(shù)開(kāi)始不斷涌現(xiàn)，目前具體分為兩大路線：
繼續(xù)走電化學(xué)儲(chǔ)能路線，通過(guò)采用更加便宜的成分（如：鈉離子電池）降低電池成本，亦或利用更加安全、穩(wěn)定的化學(xué)流程（如：釩液流電池）。
走物理儲(chǔ)能路線，采用更加綠色、高效的儲(chǔ)存介質(zhì)（如：氫），亦或采用更加穩(wěn)定安全、且具備規(guī)模效應(yīng)的工作介質(zhì)和流程（如：空氣等）。
主流儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較分析
信息來(lái)源：昆仲分析總結(jié)
如上圖所示，綜合考慮技術(shù)本身的特點(diǎn)和成熟度，我們認(rèn)為未來(lái)幾年，壓縮空氣儲(chǔ)能有望憑借其較高的技術(shù)成熟度、明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和明確的技術(shù)改進(jìn)路線，成為繼鋰離子電池之后，又一重要的、可落地的儲(chǔ)能技術(shù)。
02.壓縮空氣儲(chǔ)能：重登“舞臺(tái)”，銳意進(jìn)取
其實(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能并不是一門(mén)“新技術(shù)”，如下圖所示：
第一代壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，即補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能（Diabatic-Compressed Air Energy Storage或D-CAES）起源1950年代，此后于2000年代初又迭代出熱利用效率更高的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能（Advanced Adiabatic-Compressed Air Energy Storage或AA-CAES），這也是當(dāng)前我國(guó)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地的主要技術(shù)。
與此同時(shí)，為了降低對(duì)氣體儲(chǔ)存空間的要求，也為了降低建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本并提高系統(tǒng)效率，科學(xué)家們從1970年代后半段就開(kāi)始研究液態(tài)空氣儲(chǔ)能（Liquid Air Energy Storage或LAES），并在2000年代初開(kāi)始研究理論效率更高的液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)（Liquid CO2 Energy Storage或LCES）。
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)迭代概覽
信息來(lái)源：昆仲分析總結(jié)
從工作原理來(lái)看，壓縮空氣儲(chǔ)能的原理極為簡(jiǎn)單，即在用電低谷，通過(guò)壓縮機(jī)將空氣或其他氣體壓縮至高壓氣態(tài)/液態(tài)并存于儲(chǔ)氣室/儲(chǔ)液罐中，使電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能存儲(chǔ)起來(lái)；在用電高峰，將高壓空氣/液態(tài)氣體從儲(chǔ)氣室/儲(chǔ)液罐釋放出來(lái)，形成高壓流體，驅(qū)動(dòng)透平機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電
LAES工作原理示意圖
信息來(lái)源：Liquid air energy storage (LAES): A review on technology state-of-the-art, integration pathways and future perspectives（2021）
分析上述原理我們可以看出，如何減少系統(tǒng)中的能量損失，充分利用工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱能量和冷能量，是提升系統(tǒng)循環(huán)效率(Round Trip Efficiency或RTE)的核心手段；而選擇何種工作介質(zhì)則將直接決定了系統(tǒng)的理論儲(chǔ)能密度（Energy Storage Density或ESD）、工藝復(fù)雜程度和建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本。
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)比較
信息來(lái)源：昆仲分析總結(jié)
以D-CAES和AA-CAES比較為例，由于AA-CAES采用了蓄熱裝置回收了壓縮中產(chǎn)生的熱能量，從而使得其系統(tǒng)效率有了明顯的提升；再以AA-CAES和LAES比較為例，由于LAES以液態(tài)空氣為工作介質(zhì)，其存儲(chǔ)成本有望大幅下降，但也由于增加了液化空氣環(huán)節(jié)，導(dǎo)致其工藝復(fù)雜程度更高。
目前，不同的技術(shù)路徑均有相關(guān)團(tuán)隊(duì)關(guān)注且有的技術(shù)已經(jīng)有項(xiàng)目落地：
AA-CAES方向，清華大學(xué)電機(jī)系梅生偉教授提出了非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能設(shè)計(jì)方法，已建成位于蕪湖的500kW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目（系統(tǒng)效率35%）及位于江蘇常州的60MW級(jí)金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能?chē)?guó)家試驗(yàn)示范項(xiàng)目。
LAES方向，中科院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心主任陳海生老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成建設(shè)了位于廊坊的1.5MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目1座（理想系統(tǒng)效率52%）及位于貴州畢節(jié)的10MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目1座（理想系統(tǒng)效率60.2%）；
此外，中科院理化所王俊杰老師在低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)理論及模擬仿真方面開(kāi)展了細(xì)致而深入的研究，創(chuàng)新性地提出采用梯級(jí)恒溫蓄冷、小溫差傳熱的高效蓄冷流程，并于2018年在理化所廊坊園區(qū)搭建了國(guó)際首套基于雙級(jí)液相工質(zhì)蓄冷的液態(tài)空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
LCES方向，西安交通大學(xué)謝永慧教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型二氧化碳儲(chǔ)能是一種氣液互轉(zhuǎn)、兩態(tài)協(xié)同儲(chǔ)能技術(shù)。其四川德陽(yáng)“新型二氧化碳儲(chǔ)能驗(yàn)證項(xiàng)目”于2022年8月完工試運(yùn)營(yíng)；
此外，中科院理化所張振濤老師長(zhǎng)期從事碳中和路徑上能源節(jié)約與綠色工業(yè)相關(guān)研究，首次提出了充分利用超臨界二氧化物性優(yōu)勢(shì)的雙液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能方案，并計(jì)劃在2023年完成建設(shè)其首個(gè)中試項(xiàng)目。
03.昆仲觀點(diǎn)：神奇的超臨界二氧化碳可能成為突破儲(chǔ)能技術(shù)的“矛”
在我們看來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能具有裝機(jī)容量大、儲(chǔ)能周期長(zhǎng)、系統(tǒng)效率高、規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯等優(yōu)點(diǎn)，且一般可儲(chǔ)釋能上萬(wàn)次，壽命達(dá)40-50年，將是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一，可以與抽水蓄能相媲美。
在不同的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)方向中，我們綜合各種新式儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)劣，認(rèn)為液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能，也可稱(chēng)為超臨界二氧化碳儲(chǔ)能（業(yè)內(nèi)習(xí)慣簡(jiǎn)稱(chēng)“超二”），是一項(xiàng)更具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，它具有綜合性能高，儲(chǔ)能效率高和系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)，而這一切的根源在于超臨界二氧化碳的獨(dú)特物性。
如下圖所示，二氧化碳在-30度，10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，即可以進(jìn)行液化保存，其存儲(chǔ)條件相較液態(tài)空氣（-193度）簡(jiǎn)單了很多也便宜很多；
而在+31度，74個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，二氧化碳將變成固液混合的超臨界狀態(tài)，是推動(dòng)透平機(jī)發(fā)電的高效工作介質(zhì)（明顯由于當(dāng)前用于火電發(fā)電的高壓水蒸氣）。
二氧化碳物性示意圖
從數(shù)據(jù)角度來(lái)比較，與液態(tài)空氣儲(chǔ)能對(duì)比，液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能的儲(chǔ)能效率（52.2~62.1%）和儲(chǔ)能密度（22~50kWh/ m3）兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的表現(xiàn)更好；系統(tǒng)儲(chǔ)能效率也可達(dá)到52.2~62.1%，超過(guò)液態(tài)空氣儲(chǔ)能(LAES)的37.0~49.7%。
當(dāng)然，超臨界二氧化碳作為壓縮空氣儲(chǔ)能的一種工質(zhì)，既有明顯優(yōu)勢(shì)，也有較大的技術(shù)難度，比如二氧化碳在壓縮過(guò)程其物性參數(shù)隨著壓力溫度變化大，因此氣動(dòng)設(shè)計(jì)很難準(zhǔn)確計(jì)算；再比如，二氧化碳分子量比較大，相應(yīng)二氧化壓縮機(jī)壓力高，壓比大，對(duì)比空氣壓縮機(jī)其軸向力會(huì)大很多，設(shè)計(jì)過(guò)程軸向力準(zhǔn)確計(jì)算難度大等……
但具備技術(shù)門(mén)檻才能成就稀缺性，這也正體現(xiàn)了我們做風(fēng)險(xiǎn)投資的底層方法論：投早、投新，堅(jiān)持做“難而正確”的事情，雖道阻且長(zhǎng)，但行則將至。
本文由昆仲資本執(zhí)行董事閭琤原創(chuàng)，編輯獅刀。