文| 中關村儲能產業技術聯盟
陳海生·中國科學院工程熱物理研究所研究員
非常高興來到格致論道論壇，我是來自中科院工程熱物理所的陳海生，今天和大家分享的題目是《給電網裝上空氣「充電寶」》。
為什麼儲能研究如此重要？
在談空氣充電寶之前，我們先來談一談能源。
▲第一次工業革命：蒸汽時代（左）
第二次工業革命：電氣時代（中）
第三次工業革命：電子信息化時代（右）
我們都知道，能源是工業的糧食，每一次能源變革都伴隨着一次工業革命。煤炭的廣泛使用使人類經歷了蒸汽時代；油氣和電力的廣泛使用帶領人類進入了電氣時代。人類現在正在經歷第三次工業革命，也就是我們通常所說的電子信息化時代，其能源變革的主要特徵是可再生能源逐步替代化石能源，成為主力能源。
除了和工業聯繫密切，能源也與我們的日常生活息息相關。我國的「雙碳」目標力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，其主要手段就是提高可再生能源的應用比例，用以替代化石能源。我們的目標是：2025年可再生能源發電裝機占比將超過50%，2060年非化石能源的能源消費占比要達到80%。
▲風力發電（左）與太陽能光伏發電（右）
但是，可再生能源和化石能源相比有一個鮮明的特點，或者說缺點，那就是它的不可控性——我們通常講叫「靠天吃飯」。具體地說，就是間歇性、波動性和周期性。所謂間歇性是指有時候有、有時候沒有；所謂波動性就是有的時候也不穩定；而周期性是指隨着時間和季節，比如白天、晚上還有四季的變化，有周期性的波動。
這種不可控性會帶來什麼後果或者影響呢？我們先來看看傳統電力系統的運行模式。
傳統的電力系統將電力從發電廠發出來之後，通過輸、配到達用戶。用戶端的負荷是不可控的，而發電端是可控的，電力系統通過控制發電端出力進行電網的調度，來配合負荷的變化，達到實現動態平衡的目的。
隨着可再生能源的大規模發展，電力系統的發電側和用戶側都安裝了大量的不可控的可再生能源，這就為電網的穩定運行、控制和安全帶來了很大影響，甚至造成很多發出來的電無法上網的情況，也就是我們通常所說的棄風、棄光現象。那麼如何解決這個問題？根本上要靠儲能來實現平衡。
就好比一個供水系統：進水管是不穩定的，出水管也是不穩定的，那就需要修建一個水池來保證整個系統的穩定運行。在電力系統當中，它需要的這個水池就是儲能。
根據預測，在未來以可再生能源為主的電力系統當中，儲能裝機占比要達到10%-15%。正由於儲能的重大戰略需求，它被《科學》列為人類面臨的125個終極科學問題之一，同時它也是第三次工業革命的關鍵支撐技術和國家的戰略性新興產業。
▲上（物理儲能）：抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、儲熱儲冷
目前已有的儲能技術大致可以分為兩類：一類是物理儲能，包括抽水蓄能、壓縮空氣、蓄熱和飛輪等；另一類是化學儲能，主要包括各種電池，如我們經常用到的鉛酸電池、鋰電池、鈉電池和液流電池等。
不同的儲能技術有不同的性能特點。從左圖中，可以看出不同儲能方式的儲存時間和功率有各自的適用特點。同時，從右圖中可以看到整個電網對儲能的需求也不同，也就說對儲能有着不同的性能要求。
如果我們把這兩張圖放在一起，就會發現不同的儲能技術有不同的應用場景。我們今天所提到的空氣充電寶，也就是壓縮空氣儲能，它在這張圖的右上角，是一項比較適合於大規模、長時間的儲能技術。
我為什麼選擇壓縮空氣儲能作為自己的研究方向呢？最主要就是因為壓縮空氣儲能有着優異的性能，它的規模大、壽命長、儲能的周期不受限制、建設和運行成本低。其次，壓縮空氣儲能所涉及的學科主要包括動力工程和工程熱物理，正好是我所在的工程熱物理所的主流學科。而且，壓縮空氣儲能所涉及的壓縮機、膨脹機、蓄熱換熱還有工程熱力學，我都有相應的研究基礎。
還有另外一個原因。2004年我開始做壓縮空氣儲能研究時，國內基本上處於一個空白狀態。因為當時可再生能源的應用比例非常低，只有百分之零點幾。很多關心我的老先生也曾經提醒我：「進去4度電，出來3度電，海生你好好考慮，這個研究方向對不對。」
但是考慮到既然可再生能源是我們的發展趨勢，儲能在未來就一定會有大的發展前景，我就堅持下來了。現在回頭看，能夠把自己的研究興趣、工作以及具有發展前景的創新性方向結合在一起，真的是一種幸運。
▲人相當於壓縮機，氣球相當於儲氣室，風車相當於膨脹機
其實它的基本原理很簡單，就是在用電低谷的時候通過壓縮機把空氣壓縮成高壓空氣，就好比我們吹氣；將它存儲在儲氣裝置中，如圖中的這個氣球；在用電高峰的時候釋放高壓空氣，驅動膨脹機，類似我們吹風讓風車旋轉起來，就可以驅動發電機發電了。
我們做基礎研究一般都先去看文獻，查一下前人做了哪些工作。我們驚奇地發現，我們的祖先在1000年前就使用過壓縮空氣儲能。宋朝的《朱子語類》就記載了我們用水輪機鼓韛（bài，一種皮囊）為煉鐵爐鼓風的操作。實際上這是世界上最早的壓縮空氣儲能，而且它用水能進行驅動。這可是可再生能源加儲能，是現在最前沿、最熱門的研究方向！
第一個現代的壓縮空氣儲能專利是美國在1943年申請的，1948年獲得了授權。
▲德國Huntorf電站：第一個商業運行的現代壓縮空氣儲能電站
而第一個商業運行的現代壓縮空氣儲能電站，是德國在1978年建成Huntorf電站。在用電低谷的時候，它通過壓縮機將空氣壓縮存儲在儲氣洞穴當中；在用電高峰的時候，高壓空氣釋放，同燃料燃燒產生的高壓、高溫空氣一起驅動膨脹機發電。從建成到現在，Huntorf電站已經運行了40多年，仍具有很好的效果，非常穩定，可靠性也很強。
但是，這種傳統的壓縮空氣儲能在推廣的過程中發現了問題：第一，它依賴於地理條件；第二，依賴於化石燃料；第三，系統的效率相對較低。
究其原因主要有三個方面。一個就是空氣在壓縮過程中產生的壓縮熱沒有回收。我們在生活中有這個感受：用氣筒給自行車打氣的時候，氣筒會發熱，這個就是壓縮熱，而傳統空氣儲能系統沒有回收壓縮熱。其次，空氣的儲能密度比較低，所以需要大規模的儲氣裝置。第三，壓縮、膨脹等系統過程相互獨立，使得它的總體效率不高。
那麼，如何解決這些問題？我們的總體思路就是通過壓縮熱的回收，氣體高壓或者液化的高密度存儲，以及高效過程和耦合匹配，同時解決這三個問題。
具體地說，我們首先在空氣壓縮的過程中，通過換熱器將壓縮機的壓縮熱交換、回收回來，再在蓄熱器當中存儲起來。在發電的時候，膨脹機再通過蓄熱器回收熱量，從而擺脫對化石燃料的依賴。
其次，通過壓力容器球形儲罐或者液態的杜瓦罐等儲氣裝置，擺脫對地理條件的依賴。
最後，通過高效的壓縮和膨脹、釋熱和放熱，來提高單個過程的效率。同時，我們在壓縮和膨脹、儲熱和釋熱的過程中，儘量使這兩個系統的參數與過程相匹配，也就是讓我們右上圖中的紅線和綠線接近，從而使它的損失更小、效率更高。
基於這三項技術，我們設計出了先進的壓縮空氣儲能。它的工作原理是在用電低谷期，將空氣壓縮、存儲在儲氣裝置當中，同時回收它的壓縮熱；在用電高峰時釋放高壓空氣，將存儲的熱回收回來，最後實現用高溫高壓的空氣驅動膨脹機發電。
從理論到設計製造
以上只是先進壓縮空氣儲能的想法，如果要把這個思路變成原型機或者樣機，又有很多挑戰：首先，我們的理論分析往往都是單學科的，而原型機往往是多學科的；第二，理論分析只要理論可行就可以了，而製造出原型機必須實踐上可以製造。
以膨脹機為例。我們首先開展了空氣動力學的基礎研究，研究其內部詳細的流場漩渦結構、二次流和泄露流，在此基礎上得到它的損失機理，獲得相應的關係式。
接着，我們將基礎研究的成果應用到設計軟件當中，開展氣動設計、強度設計和結構設計，從而完成它的部件設計。
在部件設計的基礎上，我們再進行部件的加工、裝配和測試，最後形成膨脹機的總裝系統。
這是我們10MW（兆瓦）膨脹機的系統，整個系統有4000多個部件，其中40%是通用的，60%是非標準件。由於我們是第一個開展相關的研究，所以這些非標準件都需要自主地設計、加工和製造。
這樣，我們就實現了從機理研究，到部件設計，再到樣機集成的整個跨越。
從1千瓦到100兆瓦的征途
但是，要實現壓縮空氣儲能應用，又要從實驗室的部件、實驗室的樣機向工程示範轉變，這就帶來了更多的挑戰。
首先，它的複雜程度要實現從部件層面到系統層面的轉變；第二，要實現從實驗室里的可運行樣機到工程示範，或者說每次都要可靠地運行的轉變；最後，在實驗室里只要造得出就可以了，到工程示範又要考慮到用得起，也就是它的經濟性，要實現這第三個轉變。
為了實現從實驗室樣機到工程示範的轉變，我們採取了逐步放大、穩步提升的策略，從1千瓦、15千瓦、1.5兆瓦、10兆瓦、100兆瓦，一步一步地紮實地推進，保證我們從一個勝利走向另一個勝利。
▲1kW壓縮空氣儲能系統
這是我們在2010年於中關村建成的1千瓦壓縮空氣儲能系統，它主要進行了概念的驗證和系統的分析，它的占地面積為15平方米。
▲15kW壓縮空氣儲能系統
在此基礎上，我們在2011年完成了中關村15千瓦的壓縮空氣儲能系統，主要開展的是基礎研究和設計的驗證。我們可以看到它占地有70平方米左右。
▲1.5MW先進壓縮空氣儲能示範系統
在我國863項目和其他項目的支持下，2013年，我們在河北廊坊建成了國際首套1.5兆瓦先進壓縮空氣儲能的示範項目，整個占地面積為400平方米，系統效率可以達到52.1%。
▲10MW 先進壓縮空氣儲能示範系統
2016年，在國家的973項目、國家發改委和國家能源局的支持下，我們在貴州畢節建成了國際首套的10兆瓦先進壓縮空氣儲能的示範系統，系統效率達到了60.2%。
從上面的視頻中我們可以看出，這套10兆瓦的系統包括了多級壓縮機、壓縮機電機、蓄熱器、換熱器、發電機、膨脹機等裝置。它同時還包括控制系統、輔助系統、電控系統還有整個中控室，系統現在已經運行超過4000個小時。
▲100MW 先進壓縮空氣儲能示範系統
在此基礎上，我們在2021年底建成了河北張家口國際首套100兆瓦的先進壓縮空氣儲能系統，這是整個示範項目的鳥瞰圖。
這是已經建成的主廠房和中控室。
整個建設過程中湧現出很多感人的故事。張家口是遠近聞名的風電場，主要是因為這個地方的風大，而我們整個建設都在冬天。張家口冬天的最低氣溫可以達到零下25度，但是由於風大，體感溫度能達到零下40度。
我們看到，左邊這張照片是廠房內部，門口有積雪，右邊是晚上加班加點趕工期的過程。由於我們經常要搬運設備，來不及關這個廠門，所以風雪就吹進來，當時的條件還是非常艱苦的。在這樣艱苦的條件下，2021年冬天，我們團隊有20多人在張家口出差超過90天，真的很令人感動，確實體現了科技工作者的使命擔當和家國情懷。
這張照片是2021年12月31號晚上10點46分，我們整個項目成功併網送電之後大家的合影。中間「C位」的這位女士是我們的測試工程師付文秀，她也是一個1歲多孩子的媽媽，大家都親切地叫她秀秀。
為了實現我們的按期併網，搶在2021年年底之前併網送電、帶電調試，她堅持工作了103天，所以大家在慶祝合影的時候都堅決要求她站在中間。回來之後我問她說：秀秀，苦不苦？她說：確實任務重、壓力大，但是實現併網送電的那一刻，我心裡真的特別激動，這種幸福感和成就感不是一般人能夠體會的。
關於壓縮空氣儲能的「長征」
相對於10兆瓦，100兆瓦系統的效率將提高10%，規模提高一個數量級（擴大10倍），成本下降30%，其性能指標優於國際同等規模的壓縮空氣儲能系統。
現在全國已經建成了6台壓縮空氣儲能示範項目，正在建設和規劃建設的有20多套。
未來我們還要做好三件事情：一是現有技術的推廣和應用；二是更大規模的系統研發，比如300兆瓦系統；第三就是不斷研發新的壓縮空氣儲能技術，不斷提高效率和其他性能。
相信隨着可再生能源和儲能技術的大規模發展，可再生能源將經歷可再生能源補貼，可再生能源平價，再到可再生能源+儲能平價的時代。只有可再生能源＋儲能實現平價，人類的可再生能源時代才會真正到來。
在1934年到1936年，中國工農紅軍經歷了兩萬五千里的長征，是中國革命走向勝利的重大轉折。那這張圖展示的，就是我們團隊關於壓縮空氣儲能的長征。
18年來，我們團隊始終秉持着理想、專注、堅持、創新的方針，無論是在技術困難還是經費困難的時候，我們始終堅守、埋頭苦幹，實現了從基礎研究到關鍵技術到集成示範再到產業化的跨越，也實現了從千瓦級到兆瓦級，再到百兆瓦的跨越。無論是論文、專利還是系統性能指標，我們均達到了國際領先水平。最近，我們的100兆瓦壓縮空氣儲能也通過技術入股實現了產業化。
研發壓縮空氣儲能、應用壓縮空氣儲能是我們的夢想、我們的使命，也是我們的責任。
最後要感謝我的團隊，所有的工作都是他們做的，我只是代表他們來做報告。能和一幫志同道合的人一起奮進前行，真的是我的幸運。
最後用《何為芳華》來結束我的報告吧：
最美好的生活不是躺在床上睡到自然醒，
也不是坐在家裡無所事事，
更不是走在街上隨意購物。
而是和一群志同道合的人，
一起奔跑在理想的道路上，
回頭有一路的故事，
低頭有堅定的腳步，
抬頭有清晰的遠方。
謝謝大家！
●先進壓縮空氣儲能技術的先行者
●中科院工程熱物理研究所「先進壓縮空氣儲能技術」獲第49屆日內瓦國際發明展金獎
●陳海生：儲能技術是實現「雙碳」目標的關鍵——「十四五」能源領域科技創新規劃解讀之九
●陳海生等業內大咖合力之作：2021年中國儲能技術研究進展
●陳海生：壓縮空氣儲能產業化發展未來可期
End
第十一屆儲能國際峰會暨展覽會
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