2022年3月發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》提出，將百兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)作為“十四五”新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點(diǎn)方向之一。
這一規(guī)劃的提出，讓原本小眾的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)開始更加受到風(fēng)險(xiǎn)投資的關(guān)注。實(shí)際上，在規(guī)劃提出來之前，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)站到了一級(jí)市場(chǎng)的風(fēng)口上。
2022年1月10日，加拿大的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能公司 Hydrostor獲得來自投資銀行公司Goldman Sachs的資產(chǎn)管理集團(tuán)2.5億美元投資。這是壓縮空氣儲(chǔ)能行業(yè)有史以來獲得的最大的單筆投資。
2021年10月，國(guó)內(nèi)的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)備公司中儲(chǔ)國(guó)能(北京)技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中儲(chǔ)國(guó)能”)宣布完成新一輪1.8億元Pre-A輪融資，由招銀國(guó)際領(lǐng)投，天使輪領(lǐng)投方、老股東中科創(chuàng)星追投，聯(lián)想之星、普華資本、華控基金、南京麒麟等機(jī)構(gòu)跟投。此前，2020年12月底中儲(chǔ)國(guó)能獲得了由中科創(chuàng)星、株洲高科領(lǐng)投的1.6億元天使輪投資。
所謂壓縮空氣儲(chǔ)能是一種可以實(shí)現(xiàn)大容量和長(zhǎng)時(shí)間電能存儲(chǔ)的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，可將低谷電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等不容易儲(chǔ)藏的電力用于壓縮空氣，將壓縮后的高壓空氣密封在儲(chǔ)氣設(shè)備中，在需要時(shí)給釋放出來，再轉(zhuǎn)化為電能的方式，被認(rèn)為是繼抽水蓄能之后第二大適合GW級(jí)大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的電力儲(chǔ)能的技術(shù)。
中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)主任、中科院工程熱物理所研究員陳海生在2022年1月對(duì)媒體表示，“在新型電力系統(tǒng)建設(shè)和‘雙碳’目標(biāo)的需求牽引下，長(zhǎng)時(shí)間大容量的儲(chǔ)能需求會(huì)越來越多，對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能在未來幾年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，我總體持樂觀態(tài)度。”
大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能
在雙碳背景下，各種儲(chǔ)能技術(shù)爭(zhēng)奇斗艷
從儲(chǔ)存能量類型的角度分類，儲(chǔ)能技術(shù)主要可以分為熱儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能幾大類。其中，電儲(chǔ)能分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能這幾種最常用的儲(chǔ)能方式，壓縮空氣儲(chǔ)能屬于與抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能并列的機(jī)械儲(chǔ)能方式之一。
從原理來看 ，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是以高壓空氣壓力能作為能量?jī)?chǔ)存形式，并在需要時(shí)通過高壓空氣膨脹做功來發(fā)電的系統(tǒng)，其技術(shù)原理發(fā)展自燃?xì)廨啓C(jī)，即由高速旋轉(zhuǎn)葉輪構(gòu)成的，將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械功對(duì)外輸出的回轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。
在儲(chǔ)能時(shí)段，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)利用低谷電能、風(fēng)能或太陽(yáng)能帶動(dòng)壓縮機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲(chǔ)于報(bào)廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或者人造的儲(chǔ)氣罐中;釋能時(shí)段，通過放出高壓空氣推動(dòng)膨脹機(jī)，將存儲(chǔ)的空氣壓力能再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者電能。
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)的不同之處在于，燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是同時(shí)處于工作狀態(tài)，而壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的壓縮過程和膨脹過程卻是分時(shí)進(jìn)行工作。
根據(jù)中科院的研究，壓縮空氣系統(tǒng)可以儲(chǔ)存的能量很大。當(dāng)壓縮空氣壓力為100倍大氣壓、溫度為環(huán)境溫度時(shí)，1立方米空氣內(nèi)部的能量(可轉(zhuǎn)化為電能)為12.9度電;當(dāng)壓力增至200倍大氣壓時(shí)，1立方米空氣儲(chǔ)存電能為28.3度，進(jìn)一步將空氣加熱至300攝氏度，可釋放的電能變?yōu)?4.4度。
同時(shí)，縮空氣儲(chǔ)能具有工作時(shí)間和壽命長(zhǎng)、場(chǎng)地限制少、經(jīng)濟(jì)性能好、安全性能高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是繼抽水蓄能之后第二大適合GW級(jí)大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間的電力儲(chǔ)能的技術(shù)。
具體來說，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以持續(xù)工作數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，工作時(shí)間長(zhǎng)，通過較好的維護(hù)壽命可以達(dá)到40-50年，接近抽水蓄能的50年，并且效率可以達(dá)到60%左右，接近抽水蓄能電站;傳統(tǒng)上將壓縮空氣儲(chǔ)存在合適的地下礦井或者熔巖下的洞穴中是最經(jīng)濟(jì)的方式，但是現(xiàn)代壓縮空氣儲(chǔ)存的解決方法是可以用地面儲(chǔ)氣罐取代溶洞;建造成本和運(yùn)行成本比較低，低于鈉硫電池或液流電池，而且也低于抽水蓄能電站，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，隨著絕熱材料的應(yīng)用，使用少量或不使用天然氣或石油等燃料加熱壓縮空氣，燃料成本占比逐漸減少;壓縮空氣儲(chǔ)能使用的原料是空氣，不會(huì)燃燒，沒有爆炸的危險(xiǎn)，不產(chǎn)生任何有毒的氣體，萬一發(fā)生儲(chǔ)氣罐漏氣事故，罐內(nèi)壓力會(huì)驟然降低，空氣既不會(huì)爆炸也不會(huì)燃燒，安全系數(shù)高。
當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)也就有不少缺點(diǎn)，根據(jù)陳海生的介分析，一是它的系統(tǒng)是在燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上改造來的，系統(tǒng)效率不夠，比電化學(xué)儲(chǔ)能的85%到90%的效率低;二是需要燃燒天然氣或者其他化石燃料;三是需用儲(chǔ)氣洞穴來進(jìn)行儲(chǔ)氣，受地理?xiàng)l件限制。
蓋茨、高盛紛紛入局
從全球來看，壓縮空氣儲(chǔ)能雖然已有40多年的產(chǎn)業(yè)化歷史，但整體的產(chǎn)業(yè)規(guī)模還比較小。
全球第一座是1978年投入商業(yè)運(yùn)行的德國(guó)Huntorf電站。目前仍在運(yùn)行中，是世界上最大容量的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，主要用于熱備用和平滑負(fù)荷。機(jī)組的壓縮機(jī)功率60MW，釋能輸出功率為290MW。系統(tǒng)將壓縮空氣存儲(chǔ)在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)10MPa。機(jī)組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。該電站在1979年至1991年期間共啟動(dòng)并網(wǎng)5000多次，平均啟動(dòng)可靠性97.6%。實(shí)際運(yùn)行效率約為42%。
第二座是1991年投入商業(yè)運(yùn)行的美國(guó)Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站。儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW。儲(chǔ)氣洞穴在地下450m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲(chǔ)氣壓力為7.5MPa。可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)41h空氣壓縮和26h發(fā)電，機(jī)組從啟動(dòng)到滿負(fù)荷約需9min。該電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。實(shí)際運(yùn)行效率約為54%。
日本于2001年投入運(yùn)行的上砂川盯壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，位于北海道空知郡，輸出功率為2MW，是日本開發(fā)400MW機(jī)組的工業(yè)試驗(yàn)用中間機(jī)組。它利用廢棄的煤礦坑(約在地下450m處)作為儲(chǔ)氣洞穴，最大壓力為8MPa。
2003年，當(dāng)時(shí)的瑞士ABB公司(后并入法國(guó)的阿爾斯通公司)正在開發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電功率為422MW，空氣壓力為3.3MPa，系統(tǒng)充氣時(shí)間為8h，儲(chǔ)氣洞穴為硬巖地質(zhì)，采用水封方式
值得一提的是，2008年成立的光帆能源(LightSail Energy)是壓縮空氣儲(chǔ)能行業(yè)最有名的創(chuàng)業(yè)公司，截止2016年2月公司累積融資7000萬美元，其股東包括科斯拉投資、比爾蓋茨和彼得蒂爾、道達(dá)爾石油等。但最終燒光投資人的錢之后在2018年不幸倒閉了。
相比之下，在LightSail Energy成立2年之后的另外一家壓縮空氣儲(chǔ)能創(chuàng)業(yè)公司Hydrostor，就幸運(yùn)得多了。它雖然在前期融資很少，主要靠政府的支持資金，但從2019年開始，先后完成3700萬美元、800萬美元和2.5億美元三筆風(fēng)險(xiǎn)投資融資，刷新了行業(yè)的融資紀(jì)錄。
根據(jù)官網(wǎng)資料顯示，它目前只建造了一個(gè)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的 2.2MW/10MWh+ 系統(tǒng)，2019年在加拿大安大略省運(yùn)營(yíng)，但它目前在澳大利亞和加利福尼亞擁有 1.1GW/8.7GWh 的規(guī)劃項(xiàng)目。
這家公司獲得近3億美元融資的原因在于其技術(shù)的創(chuàng)新性——使用液體儲(chǔ)熱裝置來保存熱量，將系統(tǒng)循環(huán)效率從以前的40%提升到65%;選擇地下巖層打造儲(chǔ)氣空間，從而提升了建廠選址的靈活性。因此，其對(duì)外宣稱其裝機(jī)成本僅為1.6元人民幣/Wh，遠(yuǎn)低于行業(yè)平均水平。
根據(jù)智研咨詢的統(tǒng)計(jì)，截止2020年底，壓縮空氣儲(chǔ)能在全球儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模中的占比僅為0.2%，在中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模中的占比僅為0.03%。
產(chǎn)業(yè)化可期
與國(guó)外相比，中國(guó)最近兩年在政策上鼓勵(lì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，示范應(yīng)用上不斷創(chuàng)新。
在政策層面，2019年月31日，工信部發(fā)布《首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄(2019年版)》，專門提到壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，要求每套額定功率≥100MW;系統(tǒng)效率≥65%;壽命≥30 年。
2021年7月23日，發(fā)改委、能源局印發(fā)《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》明確提出要實(shí)現(xiàn)壓縮空氣、液流電池等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期。
2021年10月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》明確提出，加強(qiáng)電化學(xué)、壓縮空氣等新型儲(chǔ)能技術(shù)攻關(guān)、示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
在政策的鼓勵(lì)之下，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)示范項(xiàng)目。其中，金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目是壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域唯一的國(guó)家示范工程，也是首個(gè)商業(yè)化應(yīng)用的鹽穴壓縮空氣發(fā)電站。一期工程發(fā)電裝機(jī)60兆瓦，儲(chǔ)能容量300兆瓦時(shí)，遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)模1000兆瓦。預(yù)計(jì)電-電轉(zhuǎn)換效率將達(dá)60%。
該項(xiàng)目由中鹽集團(tuán)、中國(guó)華能集團(tuán)和清華大學(xué)共同開發(fā)建設(shè)，截止2021年8月正在進(jìn)行主設(shè)備及相關(guān)輔助系統(tǒng)安裝。
另一個(gè)值得關(guān)注的壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目為張北縣百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能，建設(shè)規(guī)模為100MW/400MWh，系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率達(dá)70.4%，項(xiàng)目由張北巨人能源有限公司(巨人集團(tuán))投資，由中儲(chǔ)國(guó)能(北京)技術(shù)有限公司提供全套設(shè)備，技術(shù)來源為中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所。
該項(xiàng)目已于2021年12月完成主要設(shè)備安裝及系統(tǒng)集成，順利并網(wǎng)，現(xiàn)在已進(jìn)入系統(tǒng)帶電調(diào)試階段，各項(xiàng)調(diào)試工作穩(wěn)步開展，相關(guān)技術(shù)參數(shù)良好。
