压缩空气储能拐点已至！中关村储能产业与技术联盟理事长陈海生聊储能战略意义
发布日期：2022/11/23
随着新能源替代传统化石能源这一能源革命进程的加速推进，储能未来将拥有巨大的增长空间。其中，具有低成本、大规模、长寿命、绿色环保等优势的压缩空气储能产业拐点已至，技术被认为逐步迈向主流。
中储国能是中国压缩空气储能领域的开拓者和引领者，同时也是国际领先的先进压缩空气储能系统解决方案提供商，技术来源于中国科学院工程热物理研究所。根据CNESA发布的“2021年度国内新增投运装机量储能技术提供商”排行榜，中储国能位列新型储能全国第二，压缩空气储能领域全国第一。高榕资本于2022年投资中储国能Pre A+轮融资。
近期，我们对话了中国能源研究会储能专委会主任、中关村储能产业与技术联盟理事长、中国科学院工程热物理所研究员陈海生，和他聊了聊储能战略意义、先进压缩空气储能技术的前世今生，以及如何带领团队将前沿技术从实验室推向产业化。
储能行业的“黄金时代”战略意义与产业图景
Q：中国正经历有史以来规模最大的储能投资和建设周期，进入储能行业的“黄金时代”。为什么储能在今天拥有如此重要的战略意义？
陈海生：储能与能源发展历程密切相关。能源是人类经济社会发展的基础，人类每一次能源革命都伴随着一次工业革命。煤炭的广泛使用，让人类进入蒸汽时代；油、气和电力的广泛使用，推动人类进入电气时代；今天人类正经历电子信息化时代。过程中，能源结构会逐步从以化石能源为主体，过渡到以可再生能源为主体。
今天第三次工业革命和能源革命，至少在三个方面对储能提出重大的需求。
首先，随着移动互联网时代的到来，除了要求信息的移动互联互通，也对移动电源即便携式储能提出了重大需求。
第二个重大需求来自交通电气化的发展。交通电气化既是交通的发展趋势，也关乎国家能源安全，因为中国约70%的石油依靠进口，其中石油的约50%用于交通领域。近年来随着电动汽车等产业的发展，对储能提出了几十倍的增长需求。
第三，随着可再生能源的大规模发展，对规模化储能提出了重大需求。今年中国可再生能源装机总量已接近12亿千瓦，尤其在双碳目标下，从2020年到2060年可再生能源占比要从15%提高到80%。我们知道，可再生能源的特点之一是不可控，即经常讲的三性——间歇性、不稳定性、周期性。所谓间歇性是指有时候有，有时候没有；不稳定性，就是指能源状态有的时候不稳定；还有周期性，比如说太阳能白天有、晚上没有，水力发电量枯水季少、丰水期就多。对于一个14亿人的大国来说，保证能源安全，必须解决可再生能源的不可控性，根本上还是要靠储能来实现平衡。
Q：在以新能源为主体的新型电力系统中，储能将占据怎样的地位？
陈海生：随着可再生能源从补充能源转变为主体能源，电力系统也正发生革命。我国电力市场改革的方向很明确，即从政府定价逐步走向电力现货市场。未来电力现货市场可能会像今天的股票市场一样，电价根据供需情况灵活波动，峰谷电价差可能从今天的1:3提升到最高1:10，甚至出现负电价。
在此背景下，电力系统正从此前源、网、荷三大业态，转变为源、网、荷、储四大业态，储能成为电力系统四大主体之一，未来将占据10%-15%的市场规模。今后储能企业既可以单独服务其他三个主体，也可以同时服务几个主体，包括为发电企业上网提供服务，为电网安全、电能质量提供服务，以及为用户侧的电能质量管理和峰谷差套利等提供服务。多重收益叠加，实现储能在经济性效益的大幅提升。
国际上目前已有的储能技术总体可以分为两类：一类是物理储能，包括抽水蓄能、压缩空气储能，以及短时高频的飞轮等；另一类是化学储能，主要包括各种电池，如铅酸电池、锂电池、钠电池和液流电池等。
中国从“十二五”期间开始有了国家级的储能发展计划，现已度过技术研发、技术示范和产业化初期阶段，预计2025年后将形成比较成熟的商业模式和比较稳定的市场与政策环境，进入规模化的良性发展阶段。
“空气充电宝”：压缩空气储能技术的前世今生
Q：压缩空气储能技术，其原理和实现方式是怎样的，最适配的场景是什么？
陈海生：压缩空气储能的基本原理是在用电低谷时，通过压缩机将空气压缩到高压状态，并存储起来；在用电高峰期，再将高压的空气释放，驱动膨胀机转动，带动发电机发电上网。我们曾经做过一个比喻，压缩空气储能犹如给电网装上一个特大号的空气“充电宝”。
压缩空气储能技术有几个特点。首先是系统规模比较大，单机规模可以达到100兆瓦乃至300兆瓦，和抽水蓄能相当；其次是由于没有自耗散，储能周期不受限制；第三点，系统寿命非常长，因为主要都是机械设备，通过合理的保养，压缩空气储能电站可以运行30-50年；第四，单位成本较低；第五，安全性相对较高。因此，压缩空气储能适合大规模、长时间的储能应用。
当然相较于电池，压缩空气储能也有不足，响应时间相对较慢、灵活性较弱。不同的储能技术适用于不同的应用场景，就像是短跑运动员不能要求其跑马拉松。再比如计算机里有硬盘和内存，内存是快进快出，硬盘速度较慢但是容量大，所以压缩空气储能类似硬盘，适合大容量、长时间的存储。
Q ：您带领研发的先进压缩空气储能系统，在哪些方面具有领先性？
陈海生：世界上第一个真正商业运行的现代压缩空气储能电站，是德国在1978年建成的Huntorf电站。其通过传统的压缩空气储能技术，在用电低谷时把空气压缩在储气洞穴中；用电高峰时释放高压空气，同燃料燃烧产生的高温高压空气一起驱动透平发电。
1991年，美国McIntosh电站运行，采用了回热装置，并运用了当时最新的压缩机和膨胀机技术，使得机组效率得到一定提升。
但是这类传统压缩空气储能系统在大规模应用中存在几点问题。首先，其系统是基于燃气轮机发展而来的，需要燃烧化石燃料；其次，还依赖储气洞穴，受到地理条件限制；此外，因为系统从燃机改造而来，且没有回收空气在压缩过程中产生的压缩热，因此系统效率不够高。
中国科学院工程热物理研究所团队从2004年开始，致力打造先进的压缩空气储能系统，来克服上述三个瓶颈。总体思路包括三个方向：
第一，通过换热器将空气压缩过程中产生的压缩热回收，在蓄热器中存储起来，发电时膨胀机通过蓄热器回收热量，从而摆脱对化石燃料的依赖。
第二，通过人造储气洞穴、气态的压力储罐或者液态的杜瓦罐等储气装置，摆脱储能电站对地理条件的依赖，也使得空气储能密度大幅提升。
第三，对系统进行优化匹配，通过高效的压缩和膨胀、释热和放热，提升整体系统效率。
从1千瓦到100兆瓦 ，300兆瓦的攀登
Q：上述先进压缩空气储能技术，目前已经实现了怎样的产业化应用与落地，过程中有哪些重要的里程碑？
陈海生：从2004年到今天已经走过了18个年头，我们经历了艰难而又富有成效的旅程。从研究系统与部件的耦合机理、热力学特性等基础理论研究开始，到压缩机、膨胀机、蓄热换热器等关键技术及装备研制的突破，再到集成示范以至产业化应用。
为了规避技术风险，2011年我们从1千瓦规模的系统开始进行原理验证；再逐步放大、稳步提升，从15千瓦到1.5兆瓦、10兆瓦，直至100兆瓦、乃至未来的300兆瓦。过程中技术不断成熟，效率不断提升，成本不断下降，保证我们从一个胜利走向另一个胜利。
2016年底，我们在贵州毕节落地了第一个10兆瓦先进压缩空气储能示范项目；2021年8月，在山东肥城，我们推动中国第一个商业压缩空气储能电站并网，规模为10兆瓦；就在今年9月，由我们提供技术和建设的国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目在河北张家口顺利并网发电运行；近期我们在山东肥城还宣布了一项300兆瓦先进压缩空气储能电站的正式开工。
整体来看，我国在压缩空气储能领域起步较晚但是发展很快，实现了从跟跑、并跑到领跑的过程。从1.5兆瓦规模开始，我们基本和国际同步，到10兆瓦级、百兆瓦级我们的建设进程已经领先国际，且性能指标超过国外8-10%，相关研究领域的专利数和论文发表量均居世界第一。
Q：只有可再生能源＋储能实现平价，可再生能源时代才会真正到来。压缩空气储能今天的单位经济模型、度电成本如何？需要达到什么程度，才能让这一新技术带来广泛的变革？
陈海生：目前我们的先进压缩空气储能项目，每千瓦单位装机成本为4000-6000元，每千瓦时的成本为1000-1500元，折算度电成本约为0.2-0.25元/度电。只要峰谷电价差超过0.25元/度电，压缩空气储能就可以获利。在未来5年，我们有信心使得成本再降30%，彼时度电成本可以下降至0.15-0.2元/度电，这样就会有非常强的竞争力。
如何再降成本？我们将着手从三个方面来实现。首先是不断研发新的关键技术，加速技术迭代与革命，使得系统性能进一步提升；其次，通过标准化和工程化的产品推广应用，使系统建设成本进一步下降；第三是规模化，即发展更大规模的先进压缩空气储能系统，降低边际成本。例如，目前通过自主创新，我们的300兆瓦级先进压缩空气储能系统可上下兼容250-400兆瓦的规模。
未来，当可再生能源度电成本下降，加之储能的应用，整体成本就比化石能源发电还要低。彼时不再需要依赖国家补贴，可再生能源就会广泛运用，从而支撑和推动整个国家的能源转型。
跨越从科研到产业化的“死亡之谷”
Q：从实验室里的科研到真正推进产业化落地，中间有哪些坎需要过？过程中有哪些经验可以和技术背景创业者分享？
陈海生：科研和产业化之间，有几点不同。首先科研追求的是性能指标的极致提升，产业化既要考虑性能也要考虑经济性；科研对风险和失败的容忍度比较高，但产业化每次开机都要成功，对可靠性的要求高；再次，科研面向的是“思场”，产业化面向的是“市场”。
因此，对做基础研究和做产品的科技工作者的要求是不一样的。我的基本观点是“让专业的人干专业的事”，在产业化过程之中，科研背景的团队需要做好思想和角色的主动转变，同时要补强专业化的工程、市场、资本运作团队。
以我们做先进压缩空气储能项目为例，如何跨越从科研到产业化的“死亡之谷”？
最重要的是人才团队，需要建立一个专业的团队，能够自己培养的自己培养，需要补强的找来专业人才。其次，我们需要尊重时间发展规律，需要先从最小可行性验证开始，规避风险的同时积累经验。第三，要有平台意识，“工欲善其事，必先利其器”，一路走来我们逐步建设基础研究实验台、关键技术实验台、集成示范实验台，在平台基础上不断运转、测试、优化。最后，要争取资源，压缩空气储能技术是典型的硬科技，需要长时间、高强度、大体量的投入。我们最初申请自然基金，之后申请国家科技部的863计划、973计划，再到获得政府产业基金、企业和创投机构的支持。整个过程，和我们的研究与产业化历程是一致的。
Q：好风景不只在高峰，也在低谷。在多年的研发过程中，是否遇到过感觉特别有挑战或者瓶颈的时刻？如何带领团队突破？
陈海生：过程中遇到的挑战和困难非常多，包括技术攻关和资金上的困难等等。我们甚至遇到过如果还没有资金进来、下个月就运行不下去的情境，好在我们挺过来了。再比如到产业化的阶段，和在实验室不同，现场有非常多的不可控因素。例如几年前我们在张家口建设，当年的冬天特别冷达到零下25度，体感温度能达到零下40度，给施工带来了巨大的难度。幸运的是大家都一一克服了。
我们团队提倡8个字——理想、专注、坚持、创新。理想就是明确要干大事、干正确的事。专注是在有限的时间、有限的资源下，专注在有限的目标上，就像要“突破”一面墙、直接撞即便头破血流也无法突破，那么就需要在墙上敲钉子，最后连起来才能“突破”这堵墙，这也就是为什么我们18年来、100多人专注干一件事情。坚持的意思是，作为压缩空气储能领域的开拓者和引领者，走在前面会有很多不可预知的事情，那么就需要坚持下去，“做先驱不要做先烈”。至于创新，国家给我们的使命就是创新，“不创新毋宁死”。
习总书记讲广大科技工作者要把论文写在祖国的大地上。未来，当我们把科研成果变成一座座储能电站遍布全国乃至世界，我相信这种幸福感、成就感、获得感是不一样的。所以未来我们将继续奔着应用去，奔着产业化去，奔着创造生产力而去。
来源：高榕资本
