00 引言

在剛剛落幕的全國兩會上，“新質(zhì)生產(chǎn)力”成為了當(dāng)仁不讓的高頻詞，并被列為2024年十大工作任務(wù)之首。

新質(zhì)生產(chǎn)力，區(qū)別于傳統(tǒng)生產(chǎn)力，是生產(chǎn)力“質(zhì)的躍遷”。

回望人類生產(chǎn)方式的演進史，從狩獵時代到農(nóng)耕時代，從機械化、電氣化再到信息化的三次工業(yè)革命，能源轉(zhuǎn)型均發(fā)揮了極為重要的作用。

目前，全球電力行業(yè)處于從“化石能源”轉(zhuǎn)型為“可再生能源”的關(guān)鍵時期。然而，新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)了——以“風(fēng)電和太陽能”為代表的可再生能源，其發(fā)電的隨機性、間歇性、波動性對現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)造成了巨大的結(jié)構(gòu)性壓力。

一種同時滿足“大容量、長時間”的新型儲能技術(shù)迫在眉睫。

今年“兩會”上，全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員張振濤表示：“二氧化碳壓縮儲能和空氣壓縮儲能，是解決可再生能源大規(guī)模發(fā)電并網(wǎng)的最佳新型儲能技術(shù)之一，建議給予新型長時物理儲能技術(shù)非歧視性政策，真正做到以實際行動支持新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。”

張振濤提及的“二氧化碳儲能”是何種技術(shù)?又該如何實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用?

01 新型長時儲能技術(shù)登上舞臺

1746年，荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克教授用兩片金屬箔和一塊玻璃組成了一個電容器，這就是人類最早的儲電裝置——“萊頓瓶”。彼時的“萊頓瓶”只能存放“有限”電荷;今天，人們開始尋找一個能夠儲存巨量電能的“萊頓瓶”。

首先進入大眾視線的是風(fēng)電、光伏儲能。多年來，我國風(fēng)電、光伏的裝機總量快速增長，連續(xù)多年位居世界第一，但是由于風(fēng)光發(fā)電不穩(wěn)定，以及風(fēng)光發(fā)電曲線與電力消費曲線的差異，導(dǎo)致調(diào)峰難度越來越大，進而影響風(fēng)光消納。

從數(shù)據(jù)中我們也可以略窺一二。據(jù)《中國能源報》不完全統(tǒng)計，截至2023年7月，一年之內(nèi)，山西、陜西、安徽、江西、河北等地陸續(xù)公布最新風(fēng)光項目廢止名單，擬廢止的項目總裝機規(guī)模已超過1000萬千瓦。

一方面是能源不夠用;另一方面是“一哄而上”的產(chǎn)能“過剩”……這背后的矛盾如何調(diào)節(jié)?

能否創(chuàng)造出一個巨大的“萊頓瓶”，將消納不掉的風(fēng)光發(fā)電量儲存起來，在用電高峰時放電，不僅可以有效地調(diào)節(jié)電網(wǎng)供需，還能提升電力系統(tǒng)的運行效率，同時做到綠色低碳?

由此，“新型儲能”登上了歷史舞臺。但面對“百花爭艷”的新技術(shù)，誰才能擔(dān)此重任?

第一個條件，要能滿足“長時儲能”。

長期以來，行業(yè)之外都存在一個誤區(qū)——增加儲能可以解決風(fēng)光消納95%以上的問題。

這個觀點非常片面。舉個例子，如果你想一次性存放3噸水，是選擇“礦泉水瓶”，還是選擇一個游泳池?

同樣的道理，想要消納巨量的風(fēng)光發(fā)電，用再多的“礦泉水瓶”——“短時儲能”也不夠。

根據(jù)充放電時長，國內(nèi)一般將儲能技術(shù)劃分為“短時儲能”(<4小時)和“長時儲能”(≥4小時)。

長時儲能——以抽水蓄能、壓縮空氣儲能、二氧化碳儲能、液流電池為代表;

短時儲能——以鋰離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池、超級電容為代表。

我們可以將“短時儲能”想象為一個迷你“充電寶”，靈活性強、可應(yīng)急，也能滿足小時級別的調(diào)峰調(diào)頻需求。但因為容量有限，系統(tǒng)在充電時很快就會飽和。

“長時儲能”更像是露營用的“戶外電源”，儲能容量大，在風(fēng)光消納中起到了“乾坤大挪移”的作用，實現(xiàn)跨天、跨月，乃至跨季節(jié)的充放電循環(huán)，滿足新型電力系統(tǒng)負荷增加的需求。

想要消納龐大的風(fēng)光發(fā)電量，迷你的“短時儲能”顯然不夠用，大體格“長時儲能”則能將其“吞下”，并適用于長時段電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源并網(wǎng)等場景。

而且，從“雙碳”的長周期路徑來看，越到后期越需要“長時儲能”。據(jù)預(yù)測，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電占電力系統(tǒng)比例達50%-80%時，儲能時長需要滿足10小時以上。

第二個條件，要能滿足“安全環(huán)保”。

儲能技術(shù)大致可以劃分為電化學(xué)儲能和物理儲能兩大類，不同技術(shù)的成熟度也不盡相同：

在電化學(xué)儲能中，鋰離子電池技術(shù)最為成熟，已經(jīng)成為全球電能存儲的主流;以釩電池為代表的液流電池發(fā)展較晚。

在物理儲能中，除了傳統(tǒng)的抽水蓄能之外，壓縮空氣儲能最為成熟，且在全國范圍內(nèi)已有多個示范項目落地。

雖然目前來看，鋰離子電池以超90%的市場份額，成為了儲能市場當(dāng)之無愧的“王”，為電化學(xué)儲能路線拔得頭籌。

但其背后的安全問題不容忽視——2011-2021年間，全球共報道了32起儲能電站起火爆炸事故，其中25起都與鋰離子電池相關(guān)。

一方面，電池系統(tǒng)存在本征缺陷，過充容易出現(xiàn)內(nèi)部短路;另一方面，儲能裝置多被安裝在遠郊地區(qū)，諸如荒漠、山地、海邊，晝夜溫差引發(fā)反復(fù)冷凝現(xiàn)象并吸附灰塵，進而損壞接地部分的絕緣層，引起火災(zāi)。

雖然我們可以通過補齊安全標(biāo)準(zhǔn)，盡量避免悲劇發(fā)生。但從本質(zhì)上看，鋰離子電池的“安全”只是“相對意義”。

因為鋰離子電池采用的有機電解質(zhì)不具備可逆分解與復(fù)原，當(dāng)電池被重復(fù)充電或受外力作用時，鋰離子會在負極表面析出，不可逆地形成固態(tài)金屬鋰。而金屬鋰是導(dǎo)致鋰電安全問題的罪魁禍?zhǔn)祝�這些問題在大容量動力電池上會更加嚴(yán)重，即便采用BMS(電池管理系統(tǒng))也無法從根本解決。

再來看以釩電池為代表的液流電池，雖然能夠做到“安全”，但和鋰離子電池類似，其原料涉及化學(xué)污染、電化學(xué)安全問題，更關(guān)鍵的是系統(tǒng)初裝成本還是居高不下。其電解液使用量較大，儲能系統(tǒng)退役后也將涉及回收處理鏈條冗長復(fù)雜的問題。

由此，同時滿足“大規(guī)模、長時、安全、環(huán)保”的物理儲能路線則優(yōu)勢凸顯。

例如“抽水蓄能”和“壓縮空氣儲能”，儲能介質(zhì)為“水”和“空氣”，綠色安全。

尤其是“壓縮空氣儲能”家族中的“二氧化碳儲能”，能夠?qū)⒍�氧化�?ldquo;變廢為寶”，深度嵌入“碳捕集、封存與利用”(CCUS)各個環(huán)節(jié)，進一步促成“雙碳”目標(biāo)。

第三個條件，要能滿足“快速落地”。

雖然，抽水蓄能滿足“長時儲能”和“物理儲能”，且發(fā)展最為成熟，已經(jīng)被廣泛投入建成，但其限制條件頗多——選址困難，能量密度較低，總投資較高，且建設(shè)周期長(5-10年)。

當(dāng)建設(shè)速度趕不上新型電力系統(tǒng)的發(fā)展速度，抽水蓄能留下的市場空缺就開始逐漸被新型長時儲能系統(tǒng)擠占——同時滿足建設(shè)周期短、環(huán)境影響小、選址要求低等特點，適于在短期內(nèi)增加規(guī)模，能夠快速投入使用。

在此背景下，壓縮空氣儲能“家族”被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ奈锢韮δ芗夹g(shù)。

壓縮空氣儲能方面，我國總體實現(xiàn)了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑。首先，研發(fā)進程遙遙領(lǐng)先，我國率先研發(fā)了十兆瓦、百兆瓦項目;其次，系統(tǒng)效率位列全球首位，300MW級壓縮空氣儲能電站儲能效率已上升至70%以上。

二氧化碳儲能方面，早于2013年，我國已有研究團隊成功研發(fā)了移動式二氧化碳壓縮儲能裝置;近些年更是突破性地研發(fā)了新型二氧化碳儲能技術(shù)。該技術(shù)具有循環(huán)效率高、建設(shè)難度低、運行壽命長、系統(tǒng)成本低、契合碳捕捉技術(shù)，和不受地理條件限制等特點，在全球位列前沿。

據(jù)悉，該研究團隊自研自產(chǎn)的二氧化碳儲能系統(tǒng)儲能電-電效率最高可至75%，可以實現(xiàn)30年以上的使用壽命，度電成本低至0.25元/KWh左右。

從項目進展看，2023年8月，我國已經(jīng)建成國內(nèi)首套百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證項目;10月完成項目系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試;12月立項備案國際首套100MW/400MWh二氧化碳儲能商業(yè)化電站……

可以預(yù)見，前方有我國研究人員的持續(xù)攻關(guān)，壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能將在儲能市場上大放異彩。

那么，我們縱深對比，這兩種儲能技術(shù)各自有什么特點?誰更勝一籌?

02 長時+安全+商業(yè)化，如何“既要、又要、還要”?

壓縮空氣儲能(CAES)在用電低谷，通過壓縮機把空氣壓縮成高壓空氣，在用電高峰，釋放高壓空氣，驅(qū)動膨脹機就可以驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

隨著時代的發(fā)展，壓縮空氣儲能(CAES)也在不斷進化。

1.0版本-補燃式壓縮空氣儲能(D-CAES)——熱量回收率差，需要燃燒大量化石燃料輔助發(fā)電，已經(jīng)被時代淘汰;2.0版本-非補燃式壓縮空氣儲能(AA-CAES)——實現(xiàn)了無燃燒、零碳排，但對系統(tǒng)熱效率要求高，實現(xiàn)難度相對較高;2.5版本-液化空氣儲能(LAES)——直接進入“液化單元”儲能，減少熱能浪費，降低儲存空間要求。但空氣的液化條件過于苛刻，導(dǎo)致建設(shè)成本較高、實現(xiàn)難度大，影響進一步批量落地。

當(dāng)前我國實現(xiàn)商業(yè)化落地的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，主要還是2.0版本AA-CAES。

然而，技術(shù)的革命性突破有時只需轉(zhuǎn)一個彎——將液化“空氣”換成更容易液化的氣體，是否就可以“魚和熊掌得兼”，一舉實現(xiàn)“高效+易落地”?

于是，壓縮空氣儲能家族的3.0版“黑科技”——二氧化碳儲能(CCES)，登上了歷史舞臺。

將空氣換成二氧化碳有哪些好處?

首先，安全第一。二氧化碳無毒、不易燃、安全等級達到A1，泄漏風(fēng)險低，用起來大膽放心。

其次，液化條件簡單。二氧化碳在常溫31℃以下，70個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，即可液化保存。其存儲條件相較于液態(tài)空氣(-193℃)簡單很多，也便宜很多;

再次，臨界二氧化碳(S-CO2)具備優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)。二氧化碳在31℃，74個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓以上進入超臨界區(qū)，會變成兼具液態(tài)高密度氣態(tài)低粘度特性的超臨界狀態(tài)，黏度小、密度大、導(dǎo)熱性能好，有利于系統(tǒng)運行過程中的高效儲熱和換熱，明顯優(yōu)于當(dāng)前用于火電發(fā)電的高壓水蒸汽。

從數(shù)據(jù)來看，二氧化碳儲能(CCES)的電-電效率最高可達70%以上，液態(tài)儲存溫度僅為常溫，沒有其他能量損失，這兩項關(guān)鍵參數(shù)明顯優(yōu)于液態(tài)空氣儲能(LAES)。

這意味著，二氧化碳儲能(CCES)同時具備“更小的身板擁有更大的能量”。

從成本來看，二氧化碳儲能(CCES)系統(tǒng)雖然需要配備額外配置低壓氣體儲存裝置，產(chǎn)生了一定的原料和用地成本;但得益于二氧化碳的大分子量，系統(tǒng)所涉及的設(shè)備如壓縮機、膨脹機等的尺寸也更小、更緊湊，實際加工成本也隨之降低。目前，由國內(nèi)公司博睿鼎能開發(fā)的二氧化碳儲能系統(tǒng)，全生命周期度電成本最低可達0.25元/kWh，已逼近抽水蓄能的度電成本，未來的成本優(yōu)化空間也將更加明顯。

而更為關(guān)鍵的是，二氧化碳儲能系統(tǒng)(CCES)是一個典型的二氧化碳利用場景，可以深度嵌入“碳捕集、封存與利用”(CCUS)各個環(huán)節(jié)，為“雙碳”目標(biāo)提供了一條可行的思路。

我們以一套100MW/600MWh的二氧化碳儲能系統(tǒng)為例。短短幾小時，該系統(tǒng)就能完成一次充放電，一次完全放電高達60萬度。按我國人均每日用電2度計算，可以滿足30萬人口，也就是一個小縣城居民一天的用電需求。

正是出于更高的儲能密度、更低的儲能壓力、更優(yōu)的環(huán)境兼容性，二氧化碳儲能(CCES)展現(xiàn)出了其無可替代的成本效益，以及可再生能源調(diào)度能力。

接下來，商業(yè)化也就成為了一件順其自然的事情。

03 二氧化碳儲能：大規(guī)模商業(yè)化的先行嘗試

2022年6月，意大利Energy Dome公司成功建成了一套4MWh的“二氧化碳電池”試點項目，這也是世界上首個二氧化碳儲能示范項目。

幾乎是相同的時間，2022年4月，一家名為“博睿鼎能”的中國公司從中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所走出，并以其獨有的“新型二氧化碳儲能”解決方案，成為“雙碳”背景下的優(yōu)秀答卷人。

不同于全球其他二氧化碳儲能“玩家”，博睿鼎能是唯一一家中國人控股的公司，也是該技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)唯一一家科研產(chǎn)業(yè)一體化團隊。

在“雙碳”方面，博睿鼎能二氧化碳儲能技術(shù)能夠契合CCUS技術(shù)趨勢，實現(xiàn)二氧化碳“變廢為寶”。

例如，在用戶側(cè)，博睿鼎能和中科院理化所團隊不僅將二氧化碳制冷、熱泵與儲能耦合，打造了某央企綜合零碳電廠示范項目等;同時將工業(yè)園區(qū)的余熱、廢熱與二氧化碳儲能系統(tǒng)耦合，進一步研究綜合性能源系統(tǒng)優(yōu)化，提高了二氧化碳儲能系統(tǒng)綜合能源效率。

在產(chǎn)品開發(fā)方面，博睿鼎能采用矩陣式二氧化碳儲能技術(shù)，高壓側(cè)二氧化碳能以超臨界態(tài)或高壓液態(tài)形式儲存，膨脹后和低壓側(cè)能以氣態(tài)或液態(tài)形式儲存。

一套“組合拳”下來，博睿鼎能的二氧化碳儲能系統(tǒng)，電-電效率最高可達75%，可以實現(xiàn)30年以上的使用壽命，度電成本低至0.25元/KWh左右。與此同時，相較于其他二氧化碳儲能技術(shù)路線，博睿鼎能二氧化碳儲能組合形式更為多樣，可以不依賴鹽穴與人工硐室，靈活滿足不同場景。

雖然公司創(chuàng)立不到兩年，但博睿鼎能的“技術(shù)護城河”在十幾年前就已經(jīng)悄然建成。

作為中國科學(xué)院成果轉(zhuǎn)化的科技公司，早于2011年，博睿鼎能的研究團隊就依托國家重點研發(fā)計劃等科研課題創(chuàng)新性地開展二氧化碳儲能系統(tǒng)的實驗研究，掌握二氧化碳液化蓄冷、熱泵蓄熱、動力裝備及協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，學(xué)術(shù)論文和專利碩果累累。

然而，眼見為實，無論技術(shù)有多么先進，如果沒有一套裝置去驗證，一切都是空中樓閣。

基于“從科研小試到大規(guī)模應(yīng)用”的愿景，2023年8月，博睿鼎能建成了國內(nèi)首套百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證項目;10月完成項目系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試;12月立項備案國際首套100MW/400MWh二氧化碳儲能商業(yè)化電站。

隨著博睿鼎能將技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，該公司也成為了“新型長時儲能”賽道的中堅力量。據(jù)了解，未來博睿鼎能還將持續(xù)推進技術(shù)迭代創(chuàng)新，挖掘應(yīng)用場景，開拓西北、華北、華中、華東等區(qū)域市場，推進二氧化碳儲能技術(shù)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化。

04 結(jié)語

據(jù)預(yù)測，2030年起，長時儲能容量將達到2億-3億千瓦，需求約占新能源發(fā)電量的10%-20%，將成為維持系統(tǒng)平衡的重要調(diào)節(jié)手段。

在長時儲能的解決方案中，壓縮空氣儲能(CAES)最為成熟，但其受地質(zhì)條件影響較大;液化空氣儲能(LCES)雖然擺脫地理條件限制，但系統(tǒng)循環(huán)效率大幅降低，而且空氣液化難度較大，建設(shè)成本較高。

相比之下，二氧化碳儲能(CCES)因其在環(huán)境效益和經(jīng)濟可行性方面的雙重優(yōu)勢，預(yù)計將成為一個革命性的升級解決方案。

二氧化碳儲能不僅提高了系統(tǒng)的循環(huán)效率和多場景的適應(yīng)性，其利用溫室氣體作為儲能介質(zhì)的特點，也為“減碳”提供了一個創(chuàng)新的途徑。

或許，它將帶領(lǐng)壓縮氣體儲能(CGES)產(chǎn)業(yè)迎接新的產(chǎn)業(yè)拐點。