空气也能储存电力？我们用18年做出了世界上最强的“空气充电宝” | 陈海生
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文 | 中关村储能产业技术联盟
陈海生 · 中国科学院工程热物理研究所研究员
非常高兴来到格致论道论坛，我是来自中科院工程热物理所的陈海生，今天和大家分享的题目是《给电网装上空气“充电宝”》。
为什么储能研究如此重要？
在谈空气充电宝之前，我们先来谈一谈能源。
▲ 第一次工业革命：蒸汽时代（左）
第二次工业革命：电气时代（中）
第三次工业革命：电子信息化时代（右）
我们都知道，能源是工业的粮食，每一次能源变革都伴随着一次工业革命。煤炭的广泛使用使人类经历了蒸汽时代；油气和电力的广泛使用带领人类进入了电气时代。人类现在正在经历第三次工业革命，也就是我们通常所说的电子信息化时代，其能源变革的主要特征是可再生能源逐步替代化石能源，成为主力能源。
除了和工业联系密切，能源也与我们的日常生活息息相关。我国的“双碳”目标力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，其主要手段就是提高可再生能源的应用比例，用以替代化石能源。我们的目标是：2025年可再生能源发电装机占比将超过50%，2060年非化石能源的能源消费占比要达到80%。
▲ 风力发电（左）与太阳能光伏发电（右）
但是，可再生能源和化石能源相比有一个鲜明的特点，或者说缺点，那就是它的不可控性——我们通常讲叫“靠天吃饭”。具体地说，就是间歇性、波动性和周期性。所谓间歇性是指有时候有、有时候没有；所谓波动性就是有的时候也不稳定；而周期性是指随着时间和季节，比如白天、晚上还有四季的变化，有周期性的波动。
这种不可控性会带来什么后果或者影响呢？我们先来看看传统电力系统的运行模式。
传统的电力系统将电力从发电厂发出来之后，通过输、配到达用户。用户端的负荷是不可控的，而发电端是可控的，电力系统通过控制发电端出力进行电网的调度，来配合负荷的变化，达到实现动态平衡的目的。
随着可再生能源的大规模发展，电力系统的发电侧和用户侧都安装了大量的不可控的可再生能源，这就为电网的稳定运行、控制和安全带来了很大影响，甚至造成很多发出来的电无法上网的情况，也就是我们通常所说的弃风、弃光现象。那么如何解决这个问题？根本上要靠储能来实现平衡。
就好比一个供水系统：进水管是不稳定的，出水管也是不稳定的，那就需要修建一个水池来保证整个系统的稳定运行。在电力系统当中，它需要的这个水池就是储能。
根据预测，在未来以可再生能源为主的电力系统当中，储能装机占比要达到10%-15%。正由于储能的重大战略需求，它被《科学》列为人类面临的125个终极科学问题之一，同时它也是第三次工业革命的关键支撑技术和国家的战略性新兴产业。
▲ 上（物理储能）：抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、储热储冷
目前已有的储能技术大致可以分为两类：一类是物理储能，包括抽水蓄能、压缩空气、蓄热和飞轮等；另一类是化学储能，主要包括各种电池，如我们经常用到的铅酸电池、锂电池、钠电池和液流电池等。
不同的储能技术有不同的性能特点。从左图中，可以看出不同储能方式的储存时间和功率有各自的适用特点。同时，从右图中可以看到整个电网对储能的需求也不同，也就说对储能有着不同的性能要求。
如果我们把这两张图放在一起，就会发现不同的储能技术有不同的应用场景。我们今天所提到的空气充电宝，也就是压缩空气储能，它在这张图的右上角，是一项比较适合于大规模、长时间的储能技术。
我为什么选择压缩空气储能作为自己的研究方向呢？最主要就是因为压缩空气储能有着优异的性能，它的规模大、寿命长、储能的周期不受限制、建设和运行成本低。其次，压缩空气储能所涉及的学科主要包括动力工程和工程热物理，正好是我所在的工程热物理所的主流学科。而且，压缩空气储能所涉及的压缩机、膨胀机、蓄热换热还有工程热力学，我都有相应的研究基础。
还有另外一个原因。2004年我开始做压缩空气储能研究时，国内基本上处于一个空白状态。因为当时可再生能源的应用比例非常低，只有百分之零点几。很多关心我的老先生也曾经提醒我：“进去4度电，出来3度电，海生你好好考虑，这个研究方向对不对。”
但是考虑到既然可再生能源是我们的发展趋势，储能在未来就一定会有大的发展前景，我就坚持下来了。现在回头看，能够把自己的研究兴趣、工作以及具有发展前景的创新性方向结合在一起，真的是一种幸运。
▲ 人相当于压缩机，气球相当于储气室，风车相当于膨胀机
其实它的基本原理很简单，就是在用电低谷的时候通过压缩机把空气压缩成高压空气，就好比我们吹气；将它存储在储气装置中，如图中的这个气球；在用电高峰的时候释放高压空气，驱动膨胀机，类似我们吹风让风车旋转起来，就可以驱动发电机发电了。
我们做基础研究一般都先去看文献，查一下前人做了哪些工作。我们惊奇地发现，我们的祖先在1000年前就使用过压缩空气储能。宋朝的《朱子语类》就记载了我们用水轮机鼓韛（bài，一种皮囊）为炼铁炉鼓风的操作。实际上这是世界上最早的压缩空气储能，而且它用水能进行驱动。这可是可再生能源加储能，是现在最前沿、最热门的研究方向！
第一个现代的压缩空气储能专利是美国在1943年申请的，1948年获得了授权。
▲ 德国Huntorf电站：第一个商业运行的现代压缩空气储能电站
而第一个商业运行的现代压缩空气储能电站，是德国在1978年建成Huntorf电站。在用电低谷的时候，它通过压缩机将空气压缩存储在储气洞穴当中；在用电高峰的时候，高压空气释放，同燃料燃烧产生的高压、高温空气一起驱动膨胀机发电。从建成到现在，Huntorf电站已经运行了40多年，仍具有很好的效果，非常稳定，可靠性也很强。
但是，这种传统的压缩空气储能在推广的过程中发现了问题：第一，它依赖于地理条件；第二，依赖于化石燃料；第三，系统的效率相对较低。
究其原因主要有三个方面。一个就是空气在压缩过程中产生的压缩热没有回收。我们在生活中有这个感受：用气筒给自行车打气的时候，气筒会发热，这个就是压缩热，而传统空气储能系统没有回收压缩热。其次，空气的储能密度比较低，所以需要大规模的储气装置。第三，压缩、膨胀等系统过程相互独立，使得它的总体效率不高。
那么，如何解决这些问题？我们的总体思路就是通过压缩热的回收，气体高压或者液化的高密度存储，以及高效过程和耦合匹配，同时解决这三个问题。
具体地说，我们首先在空气压缩的过程中，通过换热器将压缩机的压缩热交换、回收回来，再在蓄热器当中存储起来。在发电的时候，膨胀机再通过蓄热器回收热量，从而摆脱对化石燃料的依赖。
其次，通过压力容器球形储罐或者液态的杜瓦罐等储气装置，摆脱对地理条件的依赖。
最后，通过高效的压缩和膨胀、释热和放热，来提高单个过程的效率。同时，我们在压缩和膨胀、储热和释热的过程中，尽量使这两个系统的参数与过程相匹配，也就是让我们右上图中的红线和绿线接近，从而使它的损失更小、效率更高。
基于这三项技术，我们设计出了先进的压缩空气储能。它的工作原理是在用电低谷期，将空气压缩、存储在储气装置当中，同时回收它的压缩热；在用电高峰时释放高压空气，将存储的热回收回来，最后实现用高温高压的空气驱动膨胀机发电。
从理论到设计制造
以上只是先进压缩空气储能的想法，如果要把这个思路变成原型机或者样机，又有很多挑战：首先，我们的理论分析往往都是单学科的，而原型机往往是多学科的；第二，理论分析只要理论可行就可以了，而制造出原型机必须实践上可以制造。
以膨胀机为例。我们首先开展了空气动力学的基础研究，研究其内部详细的流场漩涡结构、二次流和泄露流，在此基础上得到它的损失机理，获得相应的关系式。
接着，我们将基础研究的成果应用到设计软件当中，开展气动设计、强度设计和结构设计，从而完成它的部件设计。
在部件设计的基础上，我们再进行部件的加工、装配和测试，最后形成膨胀机的总装系统。
这是我们10MW（兆瓦）膨胀机的系统，整个系统有4000多个部件，其中40%是通用的，60%是非标准件。由于我们是第一个开展相关的研究，所以这些非标准件都需要自主地设计、加工和制造。
这样，我们就实现了从机理研究，到部件设计，再到样机集成的整个跨越。
从1千瓦到100兆瓦的征途
但是，要实现压缩空气储能应用，又要从实验室的部件、实验室的样机向工程示范转变，这就带来了更多的挑战。
首先，它的复杂程度要实现从部件层面到系统层面的转变；第二，要实现从实验室里的可运行样机到工程示范，或者说每次都要可靠地运行的转变；最后，在实验室里只要造得出就可以了，到工程示范又要考虑到用得起，也就是它的经济性，要实现这第三个转变。
为了实现从实验室样机到工程示范的转变，我们采取了逐步放大、稳步提升的策略，从1千瓦、15千瓦、1.5兆瓦、10兆瓦、100兆瓦，一步一步地扎实地推进，保证我们从一个胜利走向另一个胜利。
▲ 1kW压缩空气储能系统
这是我们在2010年于中关村建成的1千瓦压缩空气储能系统，它主要进行了概念的验证和系统的分析，它的占地面积为15平方米。
▲ 15kW压缩空气储能系统
在此基础上，我们在2011年完成了中关村15千瓦的压缩空气储能系统，主要开展的是基础研究和设计的验证。我们可以看到它占地有70平方米左右。
▲ 1.5MW 先进压缩空气储能示范系统
在我国863项目和其他项目的支持下，2013年，我们在河北廊坊建成了国际首套1.5兆瓦先进压缩空气储能的示范项目，整个占地面积为400平方米，系统效率可以达到52.1%。
▲ 10MW 先进压缩空气储能示范系统
2016年，在国家的973项目、国家发改委和国家能源局的支持下，我们在贵州毕节建成了国际首套的10兆瓦先进压缩空气储能的示范系统，系统效率达到了60.2%。
从上面的视频中我们可以看出，这套10兆瓦的系统包括了多级压缩机、压缩机电机、蓄热器、换热器、发电机、膨胀机等装置。它同时还包括控制系统、辅助系统、电控系统还有整个中控室，系统现在已经运行超过4000个小时。
▲ 100MW 先进压缩空气储能示范系统
在此基础上，我们在2021年底建成了河北张家口国际首套100兆瓦的先进压缩空气储能系统，这是整个示范项目的鸟瞰图。
这是已经建成的主厂房和中控室。
整个建设过程中涌现出很多感人的故事。张家口是远近闻名的风电场，主要是因为这个地方的风大，而我们整个建设都在冬天。张家口冬天的最低气温可以达到零下25度，但是由于风大，体感温度能达到零下40度。
我们看到，左边这张照片是厂房内部，门口有积雪，右边是晚上加班加点赶工期的过程。由于我们经常要搬运设备，来不及关这个厂门，所以风雪就吹进来，当时的条件还是非常艰苦的。在这样艰苦的条件下，2021年冬天，我们团队有20多人在张家口出差超过90天，真的很令人感动，确实体现了科技工作者的使命担当和家国情怀。
这张照片是2021年12月31号晚上10点46分，我们整个项目成功并网送电之后大家的合影。中间“C位”的这位女士是我们的测试工程师付文秀，她也是一个1岁多孩子的妈妈，大家都亲切地叫她秀秀。
为了实现我们的按期并网，抢在2021年年底之前并网送电、带电调试，她坚持工作了103天，所以大家在庆祝合影的时候都坚决要求她站在中间。回来之后我问她说：秀秀，苦不苦？她说：确实任务重、压力大，但是实现并网送电的那一刻，我心里真的特别激动，这种幸福感和成就感不是一般人能够体会的。
关于压缩空气储能的“长征”
相对于10兆瓦，100兆瓦系统的效率将提高10%，规模提高一个数量级（扩大10倍），成本下降30%，其性能指标优于国际同等规模的压缩空气储能系统。
现在全国已经建成了6台压缩空气储能示范项目，正在建设和规划建设的有20多套。
未来我们还要做好三件事情：一是现有技术的推广和应用；二是更大规模的系统研发，比如300兆瓦系统；第三就是不断研发新的压缩空气储能技术，不断提高效率和其他性能。
相信随着可再生能源和储能技术的大规模发展，可再生能源将经历可再生能源补贴，可再生能源平价，再到可再生能源+储能平价的时代。只有可再生能源＋储能实现平价，人类的可再生能源时代才会真正到来。
在1934年到1936年，中国工农红军经历了两万五千里的长征，是中国革命走向胜利的重大转折。那这张图展示的，就是我们团队关于压缩空气储能的长征。
18年来，我们团队始终秉持着理想、专注、坚持、创新的方针，无论是在技术困难还是经费困难的时候，我们始终坚守、埋头苦干，实现了从基础研究到关键技术到集成示范再到产业化的跨越，也实现了从千瓦级到兆瓦级，再到百兆瓦的跨越。无论是论文、专利还是系统性能指标，我们均达到了国际领先水平。最近，我们的100兆瓦压缩空气储能也通过技术入股实现了产业化。
研发压缩空气储能、应用压缩空气储能是我们的梦想、我们的使命，也是我们的责任。
最后要感谢我的团队，所有的工作都是他们做的，我只是代表他们来做报告。能和一帮志同道合的人一起奋进前行，真的是我的幸运。
最后用《何为芳华》来结束我的报告吧：
最美好的生活不是躺在床上睡到自然醒，
也不是坐在家里无所事事，
更不是走在街上随意购物。
而是和一群志同道合的人，
一起奔跑在理想的道路上，
回头有一路的故事，
低头有坚定的脚步，
抬头有清晰的远方。
谢谢大家！
●中科院工程热物理研究所“先进压缩空气储能技术”获第49届日内瓦国际发明展金奖
第十一届储能国际峰会暨展览会
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