文 | 季偉

中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所副研究員

2020年6月，國(guó)家能源局印發(fā)《2020年能源工作指導(dǎo)意見》指出“穩(wěn)妥有序推進(jìn)能源關(guān)鍵技術(shù)裝備攻關(guān)，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。加大儲(chǔ)能發(fā)展力度”。大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)是世界各國(guó)科技創(chuàng)新的重要戰(zhàn)略，也是實(shí)現(xiàn)技術(shù)引領(lǐng)的主要方向。

近年來(lái)，全球儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模在萬(wàn)億美元以上，且每年以9%的速度增長(zhǎng)，遠(yuǎn)高于全球電力行業(yè)2.5%的增長(zhǎng)率。尤其是以風(fēng)、光為代表的可再生能源迅速發(fā)展為儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨大市場(chǎng)空間。

截至2019年底，全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)2.1億千瓦，風(fēng)電發(fā)電量4057億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的5.5%；光伏發(fā)電裝機(jī)2.04億千瓦，光伏發(fā)電量2243億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的3.1%。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者一致認(rèn)為到2050年，全球可再生能源占比將超過50%。然而，由于新能源間歇性和不穩(wěn)定性，可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)和安全穩(wěn)定地運(yùn)行仍存在壓力。

大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用能有效解決上述問題。在諸多儲(chǔ)能技術(shù)中，可以規(guī)模應(yīng)用的主要為抽水蓄能、大容量電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。抽水蓄能須建在具有合適地勢(shì)差和豐富水源的非嚴(yán)寒地帶，受地理?xiàng)l件限制較高；大容量電池儲(chǔ)能在經(jīng)濟(jì)性、安全性、循環(huán)壽命及廢舊電池處理等方面將面臨制約；壓縮空氣儲(chǔ)能具有綠色、安全、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，但遺憾的是其嚴(yán)重依賴地理?xiàng)l件，儲(chǔ)能密度低，難以廣泛推廣。

基于新型深冷科技的液態(tài)空氣儲(chǔ)能（LAES）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)消納、合理吸收低谷電、余熱資源，并可以穩(wěn)定輸出冷、熱、電及工業(yè)用氣等多種能源的新型儲(chǔ)能方法。

液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理

液態(tài)空氣儲(chǔ)能具有大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、清潔低碳、安全、長(zhǎng)壽命和不受地理?xiàng)l件限制等突出優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，尤其是在可再生能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、黑啟動(dòng)、分布式能源、微網(wǎng)和綜合能源服務(wù)等領(lǐng)域具有特別優(yōu)勢(shì)。

從技術(shù)原理看，在儲(chǔ)能階段，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用可再生能源電能或電網(wǎng)夜間低谷電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮環(huán)境空氣，高壓空氣經(jīng)蓄冷器預(yù)冷后節(jié)流液化，將電能以常壓低溫液態(tài)空氣形式儲(chǔ)存，同時(shí)存儲(chǔ)壓縮熱。

在釋能階段，液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵增壓后，通過蓄冷器儲(chǔ)存冷量并氣化，經(jīng)壓縮熱（可選太陽(yáng)能光熱或工業(yè)中低溫余熱）加熱后，產(chǎn)生高壓高溫氣體驅(qū)動(dòng)空氣透平旋轉(zhuǎn)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并網(wǎng)。同時(shí)，系統(tǒng)中富余的壓縮熱能可部分用于生活熱水供應(yīng)或冬季采暖，部分用于吸收式制冷機(jī)組供應(yīng)空調(diào)冷水用于夏季供冷。系統(tǒng)可根據(jù)不同季節(jié)不同的能量需求靈活調(diào)整冷熱電供應(yīng)比例，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

未來(lái)的液空儲(chǔ)能電站將是一座可實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和多能聯(lián)供的智慧綜合能源基站。由于液態(tài)空氣的密度遠(yuǎn)大于壓縮空氣的密度，其儲(chǔ)能密度（單位儲(chǔ)氣容積的發(fā)電量）是壓縮空氣儲(chǔ)能的15-20倍，不需要依賴特殊地理?xiàng)l件（地下鹽穴、礦井），也無(wú)需使用大量高壓容器，系統(tǒng)無(wú)任何安全性問題。正是基于其顯著優(yōu)勢(shì)，液態(tài)空氣儲(chǔ)能有望成為最具發(fā)展前景的新興能源技術(shù)之一，也是未來(lái)智能電網(wǎng)的主流支撐技術(shù)之一。

低溫蓄冷技術(shù)是液空儲(chǔ)能核心

從液態(tài)空氣儲(chǔ)能的實(shí)踐看，英國(guó)Highview公司和伯明翰大學(xué)正在對(duì)液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，于2012年在英國(guó)建成350kW/2.5MWh實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)于2014年開始建造5MW/15MWh示范項(xiàng)目，并正在美國(guó)開展50MW/250MWh儲(chǔ)能電站建設(shè)，將在2022年開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

在國(guó)內(nèi)，2017年中科院理化所團(tuán)隊(duì)在廊坊中試基地完成了100kW低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能示范平臺(tái)的建設(shè)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，蓄冷效率達(dá)到了90%，系統(tǒng)整體效率可達(dá)60%，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

低溫蓄冷技術(shù)是液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，決定系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率。依托低溫蓄冷技術(shù)可以存儲(chǔ)液態(tài)空氣復(fù)溫過程中產(chǎn)生的高品位冷能，可以用于預(yù)冷液化系統(tǒng)中的高壓空氣，大幅增加了空氣液化率。中科院理化所在該領(lǐng)域開展了多年研究，團(tuán)隊(duì)與國(guó)家電網(wǎng)科研團(tuán)隊(duì)密切合作，在新型蓄冷介質(zhì)、深低溫冷能傳遞機(jī)理等基礎(chǔ)研究，以及新型蓄冷工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面取得了一系列原創(chuàng)成果。

2020年，團(tuán)隊(duì)搭建了500kW級(jí)固相蓄冷工程驗(yàn)證平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)大功率模塊化串、并聯(lián)蓄冷；搭建了100kW級(jí)混合工質(zhì)蓄冷工程驗(yàn)證平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多種蓄冷工質(zhì)的低溫蓄冷實(shí)驗(yàn)，并完成了-160℃溫區(qū)的混合工質(zhì)測(cè)試。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)完成了液空儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電、太陽(yáng)能光熱、燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰電站、深度調(diào)峰火電廠及LNG接收站的深度耦合應(yīng)用研究，建立了多個(gè)功率等級(jí)基于液空儲(chǔ)能的多能互補(bǔ)和多能聯(lián)供系統(tǒng)工程化實(shí)施方案以及經(jīng)濟(jì)分析模型，促進(jìn)了液空儲(chǔ)能技術(shù)在智慧綜合能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

建議推進(jìn)百兆瓦級(jí)液空儲(chǔ)能技術(shù)研究

針對(duì)液態(tài)空氣儲(chǔ)能大功率，高能量轉(zhuǎn)換效率、高可靠性的需求，未來(lái)建議開展百兆瓦級(jí)高效液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)共性關(guān)鍵技術(shù)研究，重點(diǎn)部署大功率液態(tài)空氣儲(chǔ)能關(guān)鍵工藝研究、冷/熱能多級(jí)儲(chǔ)存利用技術(shù)研究、高效寬工況壓縮/膨脹技術(shù)研究、系統(tǒng)集成及運(yùn)行控制技術(shù)研究。

目前，儲(chǔ)能商業(yè)模式并不明晰，且液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)尚處于示范到商業(yè)化應(yīng)用的過渡階段。我們認(rèn)為，積極開展液態(tài)空氣儲(chǔ)能在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)等不同應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)用分析，將有助于該技術(shù)的廣泛推廣，獲得能源投資企業(yè)、電網(wǎng)、用戶等各方的廣泛支持。同時(shí)，基于液態(tài)空氣儲(chǔ)能的大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)分散儲(chǔ)能設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究大規(guī)模共享儲(chǔ)能將會(huì)釋放液態(tài)空氣儲(chǔ)能更大的商業(yè)價(jià)值。

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