新型壓縮空氣儲(chǔ)能電站

儲(chǔ)能，就是把多余的電先存起來，需要的時(shí)候再拿出來，相當(dāng)于給電網(wǎng)安裝一臺(tái)大“充電寶”，使“靠天吃飯”的太陽能、風(fēng)能發(fā)電都能穩(wěn)定、流暢地接入電網(wǎng)，存儲(chǔ)備用。

壓縮空氣儲(chǔ)能則是以空氣為介質(zhì)充放電的“空氣充電寶”。它性能優(yōu)異，規(guī)模大、壽命長、成本低，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。

與鋰電池、抽水蓄能等其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，壓縮空氣儲(chǔ)能非?！澳贻p”，在中國僅有1 0多年的開發(fā)史，卻發(fā)展迅猛，成為后起之秀，令許多業(yè)內(nèi)人士坦言“沒想到”。

一張表

壓縮空氣儲(chǔ)能的概念起源較早，第一個(gè)專利于1 9 4 9年在美國問世。德國和美國分別于1 9 7 8年和1 9 9 1年建成壓縮空氣儲(chǔ)能電站，并運(yùn)行至今。雖然世界各國對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能都有布局，但并不熱門，真正將它發(fā)揚(yáng)光大的還是中國。

2 0 0 4年，剛剛參加工作的中國科學(xué)院工程熱物理研究所（以下簡稱“工程熱物理所”）副研究員陳海生開始思考未來自己的研究方向。他給自己定下3條選定標(biāo)準(zhǔn)：朝陽產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新性領(lǐng)域、同工程熱物理專業(yè)相關(guān)。但是，滿足這3條標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)是什么？

經(jīng)過3個(gè)多月的調(diào)研分析，陳海生相中了儲(chǔ)能技術(shù)。這在當(dāng)時(shí)是極其冷門的方向。

那時(shí)，我國再生能源裝機(jī)占比不足1%，是能源領(lǐng)域里的“小兄弟”，更不存在并網(wǎng)難題。那時(shí)的人們很難想象，有朝一日，太陽能和風(fēng)能會(huì)撼動(dòng)火力發(fā)電的主體地位，儲(chǔ)能也將由“冷”轉(zhuǎn)“熱”。

陳海生畫了一張表，縱坐標(biāo)是各種儲(chǔ)能技術(shù)，橫坐標(biāo)是創(chuàng)新性、技術(shù)成熟度、專業(yè)相關(guān)度等指標(biāo)，結(jié)果壓縮空氣儲(chǔ)能以5顆星領(lǐng)跑其他技術(shù)。但在當(dāng)時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能在中國僅有理論研究，沒有技術(shù)攻關(guān)，在他面前的是一片空白。

如今回頭看，過去1 0年，我國風(fēng)電和光伏裝機(jī)增長了8倍。2 0 2 3年，風(fēng)電和光伏裝機(jī)更是歷史性地超過火電，占比達(dá)5 0.4%。儲(chǔ)能不僅登上了能源發(fā)展的歷史舞臺(tái)，而且將扮演重要角色。

一場創(chuàng)新

2 0 0 5年，陳海生被公派去英國利茲大學(xué)訪學(xué)，這是一次技術(shù)探索的好機(jī)會(huì)。

在英國，他和導(dǎo)師共同提出了液態(tài)空氣儲(chǔ)能的概念，很快得到6 0 0萬英鎊的經(jīng)費(fèi)支持。為了完成這個(gè)項(xiàng)目，原本為期1年的訪學(xué)變成了4年的正式工作。最終，他們?cè)? 0 0 9年建成國際首套兆瓦級(jí)液態(tài)空氣儲(chǔ)能裝置。由于液態(tài)空氣的密度遠(yuǎn)大于氣態(tài)空氣，該系統(tǒng)解決了依賴大型儲(chǔ)氣洞穴的問題，比傳統(tǒng)技術(shù)更為先進(jìn)。

有了這次試水，2 0 0 9年回國后，陳海生立志發(fā)展比液態(tài)空氣更先進(jìn)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。

當(dāng)時(shí)，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)存在效率不高的缺點(diǎn)。德、美兩國儲(chǔ)能電站的效率分別僅為42%、54%。也就是說，存進(jìn)去1度電，只能放出來大約0.5度，另外0.5度在存、放的過程中被消耗了。而且，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能裝置必須依賴天然氣提供熱源。

要從根本上突破這兩大技術(shù)瓶頸，在中國走通壓縮空氣儲(chǔ)能這條路，顯然不能僅依靠模仿、改進(jìn)，必須來一場徹底的技術(shù)創(chuàng)新。而創(chuàng)新的底氣，源自我國科學(xué)家在動(dòng)力工程及工程熱物理領(lǐng)域的多年積累。

傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，在用電低谷時(shí)，利用富余的電能將空氣壓縮并儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室中；在用電高峰時(shí)，釋放高壓空氣進(jìn)入燃燒室，同燃料一起燃燒，驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)發(fā)電。這相當(dāng)于讓燃?xì)廨啓C(jī)分時(shí)工作，儲(chǔ)能、釋能過程相互獨(dú)立，最終起到削峰填谷的作用。

該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于葉輪機(jī)械的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。工程熱物理所自1 9 5 6年建所以來，在葉輪機(jī)械方面研究基礎(chǔ)深厚，創(chuàng)始人吳仲華先生是國際公認(rèn)的“葉輪機(jī)械先鋒”。

基于自身的“金剛鉆”，2 0 0 9年，工程熱物理所提出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)：在用電低谷時(shí)，用壓縮機(jī)取代燃?xì)廨啓C(jī)壓縮空氣，同時(shí)回收壓縮熱；在用電高峰時(shí)，釋放儲(chǔ)存的熱量加熱高壓空氣，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

這一改進(jìn)不僅不使用額外的燃料，實(shí)現(xiàn)了零排放，還將原先浪費(fèi)的壓縮熱能利用起來，儲(chǔ)能效率大幅提高，理論上可達(dá)70% 以上。因地制宜，本土化的條件就此建立起來。但這一改，也意味著從基礎(chǔ)研究到關(guān)鍵技術(shù)，再到工程開發(fā)，都沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

一堵“墻”

自壓縮空氣儲(chǔ)能概念提出后，世界各國一直沿用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的技術(shù)路線，直到中國科學(xué)家提出換掉核心部件，業(yè)界才看到一條新路。但是，我國在這項(xiàng)技術(shù)上并無技術(shù)儲(chǔ)備，更談不上產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。陳海生形容當(dāng)時(shí)面臨的困難就像一堵墻。

2 0 1 0年，陳海生帶領(lǐng)一支新成立的小團(tuán)隊(duì)，確定了一個(gè)“釘釘子”時(shí)間表：用3年時(shí)間完成1.5兆瓦示范項(xiàng)目，用4年建成1 0兆瓦示范項(xiàng)目，用5年建成1 0 0兆瓦示范項(xiàng)目。

項(xiàng)目需要攻克的除了核心部件壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)與傳熱機(jī)理相關(guān)的難題，蓄熱蓄冷技術(shù)也是決定技術(shù)成敗的一大關(guān)鍵點(diǎn)。

傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)需要補(bǔ)燃，消耗大量天然氣，工程熱物理所儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)經(jīng)過努力，用先進(jìn)的蓄熱蓄冷技術(shù)彌補(bǔ)了這一不足。并且，他們用的蓄熱蓄冷介質(zhì)是成本最低的水。“這是一個(gè)全世界都沒有出現(xiàn)過的方案?！惫こ虩嵛锢硭芯繂T王亮說。

要“啃下”這樣的硬科技，必須具備足夠的硬實(shí)力。從1.5兆瓦到1 0兆瓦再到1 0 0兆瓦，每一次規(guī)模放大，都不是簡單的技術(shù)疊加，而是從原理到關(guān)鍵部件的重新研發(fā)設(shè)計(jì)。就這樣，隨著一個(gè)“釘子”接著一個(gè)“釘子”被楔入，在堵路的“墻面”連點(diǎn)成線、連線成面，“厚墻”終于被突破了。

2 0 2 1年，國際首套百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目在河北省張家口順利并網(wǎng)，發(fā)電效率達(dá)到7 0.4%，每年可發(fā)電1.3 2億度以上，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4.2萬噸，減少二氧化碳排放1 0.9萬噸。

通過進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新，山東肥城3 0 0兆瓦示范電站設(shè)計(jì)效率達(dá)到7 2.1%，與儲(chǔ)能技術(shù)的“老大哥”——抽水蓄能相當(dāng)。該電站年發(fā)電量約6億度，在用電高峰可為2 0萬～3 0萬戶居民提供電力保障，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1 8.9萬噸，減少二氧化碳排放約4 9萬噸。未來，這將是更適合我國發(fā)電行業(yè)的主流技術(shù)路線。

“成本必須降下來，要大規(guī)模推廣，無論如何都得降?！标惡Ｉf，從投入研發(fā)的第一天起，他們的目標(biāo)就是讓這一技術(shù)真正在中國落地，造福于民。

一個(gè)“螃蟹”

第一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)、第一個(gè)示范項(xiàng)目、第一個(gè)并網(wǎng)發(fā)電……一路走來，工程熱物理所都在做中國壓縮空氣儲(chǔ)能“第一個(gè)吃螃蟹的人”。

王亮至今記得，搭建第一個(gè)1 5千瓦試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，由于沒有合適的場地，他們?cè)趦蓷潣侵g的夾道里搭了個(gè)頂棚、裝了扇門就成了實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)槔锩嬗幸豢煤艽值臉?，安裝試驗(yàn)臺(tái)時(shí)大家繞來轉(zhuǎn)去，很不方便。

做技術(shù)攻關(guān)，試驗(yàn)臺(tái)是必需品，但對(duì)一支剛起步的團(tuán)隊(duì)來說，這是“奢侈品”。由于投入巨大，2 0 1 2年建設(shè)1.5兆瓦中試平臺(tái)時(shí)，經(jīng)費(fèi)非常緊張，必須集中所有可以用到的資源。

除了經(jīng)費(fèi)緊張，沒有經(jīng)驗(yàn)可循也是這些年輕人面對(duì)的一道坎。

“當(dāng)時(shí)幾名剛畢業(yè)的博士帶著幾名在讀博士，經(jīng)常在現(xiàn)場一待就是一個(gè)月”，那是大家第一次努力把科學(xué)思想變成設(shè)計(jì)圖紙，再把設(shè)計(jì)圖紙變成儀器設(shè)備。由于國內(nèi)外都沒有可參考的先例，每走一步都要靠自己摸索。

按照“研發(fā)一代、示范一代、應(yīng)用一代”的發(fā)展策略，工程熱物理所的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)持續(xù)發(fā)展，在上一代技術(shù)示范應(yīng)用的過程中，下一代技術(shù)已經(jīng)馬不停蹄地開始研發(fā)。這些年來，大家跟著項(xiàng)目跑遍了祖國的大江南北。2 0 2 3年團(tuán)隊(duì)開年終總結(jié)會(huì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，半數(shù)以上職工出差天數(shù)超過1 0 0天，有的甚至超過3 0 0天。

張家口百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目首次采用人工硐室，也就是人工開發(fā)的地下儲(chǔ)氣洞穴。由于這是首創(chuàng)的技術(shù)路線，施工過程中遇到許多前所未有的難題，大家笑稱“總是‘吃螃蟹’也有點(diǎn)受不了”。

2 0 2 1年1 2月3 1日，項(xiàng)目成功并網(wǎng)的那一刻，在場的團(tuán)隊(duì)成員情不自禁地歡呼起來。大家激動(dòng)地合影留念，一致推舉現(xiàn)場唯一的女性——測(cè)試工程師付文秀站在“C 位”。她說：“壓力雖然很大，但成功后獲得的幸福感是別人不能體會(huì)的。”

一次成功

對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能的今天，很多人表示“沒有想到”。

一些老先生曾善意地提醒陳海生：“進(jìn)去4度電，出來3度電，你好好考慮，這個(gè)研究方向?qū)Σ粚?duì)?！?/p>

一位國內(nèi)同行感慨道：“以前我們都不看好，因?yàn)榧夹g(shù)上太難了，沒想到真干成了?！?/p>

而在已經(jīng)擔(dān)任工程熱物理所所長的陳海生看來，先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在中國科學(xué)院誕生、發(fā)展，絕非偶然。他說：“第一，中國科學(xué)院鼓勵(lì)創(chuàng)新，支持科學(xué)家開展前瞻性、需要長期探索的技術(shù)研究。第二，中國科學(xué)院有鼓勵(lì)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)，能夠支持一項(xiàng)技術(shù)從研發(fā)走到示范應(yīng)用。第三，中國科學(xué)院能夠形成大團(tuán)隊(duì)，開展大兵團(tuán)作戰(zhàn)?！标惡Ｉ榻B，壓縮空氣儲(chǔ)能是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程，需要搭建大平臺(tái)，提供長時(shí)間、高強(qiáng)度的穩(wěn)定支持。

儲(chǔ)能研發(fā)中心現(xiàn)有職工和學(xué)生2 0 0余人。隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展機(jī)遇，儲(chǔ)能人才成為就業(yè)市場的“香餑餑”。但團(tuán)隊(duì)成立至今，核心成員一個(gè)都沒離開。

王亮表示，在團(tuán)隊(duì)里干活踏實(shí)，可以專心做一件事，未來充滿希望?！坝羞@么一個(gè)平臺(tái)能讓我堅(jiān)持深入干一件事，實(shí)現(xiàn)自己的理想，很幸福?！?/p>