在能量轉(zhuǎn)換效率方面，世界上第一座投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的德國(guó)亨托夫壓縮空氣儲(chǔ)能電站約為42%，第二座投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的美國(guó)麥金托什壓縮空氣儲(chǔ)能電站約為54%，而湖北應(yīng)城300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站可以達(dá)到70%
湖北應(yīng)城300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目創(chuàng)下了單機(jī)功率、儲(chǔ)能規(guī)模和轉(zhuǎn)換效率三項(xiàng)世界紀(jì)錄，成功攻克了地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和工藝系統(tǒng)集成等多項(xiàng)技術(shù)難題
隨著設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)不斷突破，壓縮空氣儲(chǔ)能的整體經(jīng)濟(jì)性會(huì)逐漸提升
猶如科幻般的壓縮空氣儲(chǔ)能，正在中國(guó)更大規(guī)模走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。作為我國(guó)首座300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程，湖北應(yīng)城300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站1月9日實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電，開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)行。該項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)每天儲(chǔ)能8小時(shí)、釋能5小時(shí)，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)化后的年均發(fā)電量約5億千瓦時(shí)。“地上工程決定好壞，地下工程決定成敗”，該項(xiàng)目的地下儲(chǔ)能系統(tǒng)由中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究員楊春和團(tuán)隊(duì)提供全過(guò)程技術(shù)支撐。
近日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)《電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力優(yōu)化專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案(2025-2027年)》，提出到2027年，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力顯著提升，各類(lèi)調(diào)節(jié)資源發(fā)展的市場(chǎng)環(huán)境和商業(yè)模式更加完善，各類(lèi)調(diào)節(jié)資源調(diào)用機(jī)制進(jìn)一步完善。支撐2025～2027年年均新增2億千瓦以上新能源的合理消納利用，全國(guó)新能源利用率不低于90%。
在我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”戰(zhàn)略的大背景下，太陽(yáng)能、風(fēng)能飛速發(fā)展，這兩種新能源具有波動(dòng)性、間歇性、不穩(wěn)定性，給電網(wǎng)接入和消納帶來(lái)了挑戰(zhàn)，對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能需求越來(lái)越大。壓縮空氣儲(chǔ)能作為當(dāng)前三大主流儲(chǔ)能模式之一，逐漸進(jìn)入公眾視野。2024年，被業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)為壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的元年。
壓縮空氣儲(chǔ)能可以利用原本廢棄的地下鹽穴等空間，在電力需求低時(shí)儲(chǔ)存剩余的電能，在需求高峰時(shí)釋放，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)，平衡電網(wǎng)負(fù)荷，解決可再生能源不穩(wěn)定的同時(shí)，促進(jìn)風(fēng)電、光伏等可再生能源的消納，保障電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
“地下鹽穴具有密閉性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，非常適合壓縮空氣儲(chǔ)能，且鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)在成本和容量上都有優(yōu)勢(shì)。鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)將廢棄鹽礦改造成一個(gè)綠色‘超級(jí)充電寶’，屬于廢棄資源重新利用，成本較低。”楊春和說(shuō)，在他看來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景廣闊，預(yù)計(jì)將成為大規(guī)模可再生能源調(diào)節(jié)和儲(chǔ)能的重要技術(shù)之一。未來(lái)壓縮空氣儲(chǔ)能將扮演更重要的角色，發(fā)揮更大的作用。
空氣也可儲(chǔ)能
《瞭望》：湖北應(yīng)城300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的工作原理是什么?
楊春和：壓縮空氣儲(chǔ)能簡(jiǎn)單來(lái)講就是利用空氣的壓縮和釋放來(lái)儲(chǔ)存和釋放電能，是一種新型能源儲(chǔ)存技術(shù)。其基本路徑是“削峰填谷”，即用電低谷時(shí)段，利用電網(wǎng)剩余電力，驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣壓縮注入地下空間;用電高峰時(shí)段，將地下空間中的高壓空氣釋放出來(lái)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電力重新并入電網(wǎng)。
湖北應(yīng)城300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，分為地下儲(chǔ)能系統(tǒng)、地上電力系統(tǒng)兩部分，地上是壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器等設(shè)備，地下是兩個(gè)鹽礦采空后留下的洞穴。該工程利用廢棄鹽礦洞穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)，以空氣為介質(zhì)，在用電低谷期，將大量空氣壓縮后通過(guò)注采氣井注入，穿越約500米長(zhǎng)的管道，送進(jìn)地下鹽穴，這個(gè)過(guò)程將剩余的電能以高壓空氣的形式儲(chǔ)存到地下空間;在用電高峰，再將這個(gè)“超級(jí)充電寶”里的“電能”釋放出來(lái)。該工程單機(jī)功率達(dá)300兆瓦級(jí)，儲(chǔ)能容量達(dá)1500兆瓦時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約70%，每天儲(chǔ)能8小時(shí)、釋能5小時(shí)，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)換后的年均發(fā)電量約5億千瓦時(shí)，可以滿(mǎn)足約75萬(wàn)居民一年的生活用電需求。
“地上工程決定好壞”，指地上部分通過(guò)一系列步驟將電能儲(chǔ)存于壓縮空氣中，地上部分的建設(shè)決定了整個(gè)工程的能量轉(zhuǎn)換效率。在能量轉(zhuǎn)換效率方面，世界上第一座投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的德國(guó)亨托夫壓縮空氣儲(chǔ)能電站約為42%，第二座投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的美國(guó)麥金托什壓縮空氣儲(chǔ)能電站約為54%，而湖北應(yīng)城300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站可以達(dá)到70%。
“地下工程決定成敗”，強(qiáng)調(diào)地下儲(chǔ)氣空間在壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目中的關(guān)鍵性作用。地下儲(chǔ)氣空間大小、穩(wěn)定性和密封性等因素，直接影響到儲(chǔ)氣效率和成本效益?？梢哉f(shuō)，地下工程決定了壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目的整體可行性和經(jīng)濟(jì)性。因此，在選址和地下工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須格外重視地質(zhì)勘察與儲(chǔ)氣空間的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已世界領(lǐng)先
《瞭望》：相比抽水蓄能和電池儲(chǔ)能等主流大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能有什么優(yōu)勢(shì)?
楊春和：抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟、應(yīng)用廣泛，但需要有高低差的地勢(shì)，對(duì)地理?xiàng)l件要求嚴(yán)格，且投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)。電池儲(chǔ)能具有快速響應(yīng)和靈活性，未來(lái)還可以利用淘汰的車(chē)載動(dòng)力電池，但存在充放電次數(shù)有限、使用壽命較短等問(wèn)題，對(duì)環(huán)境依然是個(gè)挑戰(zhàn)。相比之下，壓縮空氣儲(chǔ)能一方面具有更長(zhǎng)的使用壽命和較低的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，能夠在較大規(guī)模下長(zhǎng)期高效運(yùn)作;另一方面，壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度較高，適合大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間能量存儲(chǔ)，能在多個(gè)時(shí)段提供穩(wěn)定的電力支持，能更好地實(shí)現(xiàn)能源的“存儲(chǔ)與調(diào)度”。
用于儲(chǔ)存空氣的鹽穴更具備一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。首先，鹽穴具有儲(chǔ)量大和密封性好的特點(diǎn)，可以容納大量的高壓空氣且能有效防止氣體泄漏;其次，相對(duì)于其他地下儲(chǔ)氣庫(kù)，如廢棄礦井或硬巖洞，鹽穴的開(kāi)發(fā)和運(yùn)營(yíng)成本較低，且使用壽命長(zhǎng)，能夠保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;再者，鹽穴位于地下，建設(shè)不占用地面土地資源，這對(duì)土地資源有限的地區(qū)尤為重要。但并非所有鹽礦都能用作壓縮空氣儲(chǔ)能，在湖北應(yīng)城，我們團(tuán)隊(duì)篩選了100多個(gè)鹽穴，只有10個(gè)可以用于儲(chǔ)氣。
再進(jìn)一步放開(kāi)視野看，壓縮空氣儲(chǔ)能也并非必須依賴(lài)鹽穴。鹽穴是最理想的儲(chǔ)氣庫(kù)，但在沒(méi)有鹽穴資源的地區(qū)，壓縮空氣儲(chǔ)能依然具備一定的性?xún)r(jià)比和應(yīng)用前景。例如可以利用廢棄礦井、地下巖層空洞或人工地下儲(chǔ)氣設(shè)施等替代空間。據(jù)初步估算，利用鹽礦儲(chǔ)氣，容量成本約6000元/立方米，在地下打造人工硐室進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能，成本約8000元/立方米。雖然這些替代空間的建設(shè)成本現(xiàn)階段相對(duì)較高，但隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；瘧?yīng)用，整體成本有望下降。同時(shí)，隨著設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)不斷突破，壓縮空氣儲(chǔ)能的整體經(jīng)濟(jì)性會(huì)逐漸提升。
《瞭望》：壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況如何?
楊春和：截至目前，已有3個(gè)鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)，總裝機(jī)容量達(dá)到370兆瓦。其中，山東肥城10兆瓦級(jí)和江蘇金壇60兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站在2021年就已投入運(yùn)行，湖北應(yīng)城300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站日前也已成功實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電。這些項(xiàng)目的成功不僅展示了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的可行性，也為未來(lái)在更大范圍進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
回看我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能從最初的設(shè)想到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，從最初的技術(shù)構(gòu)想到如今的多個(gè)示范項(xiàng)目，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。我們團(tuán)隊(duì)在地下儲(chǔ)氣空間選擇與開(kāi)發(fā)、氣體壓縮效率、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量攻關(guān)。尤其是在儲(chǔ)氣密封性和儲(chǔ)氣效率的提升上，我們突破了多個(gè)技術(shù)難題，使得系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性大幅提高。此外，智能化控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的引入也為項(xiàng)目的運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障，確保了能源的高效調(diào)度。
我們團(tuán)隊(duì)參與的湖北應(yīng)城項(xiàng)目還創(chuàng)下了單機(jī)功率、儲(chǔ)能規(guī)模和轉(zhuǎn)換效率三項(xiàng)世界紀(jì)錄，成功攻克了地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和工藝系統(tǒng)集成等多項(xiàng)技術(shù)難題——該項(xiàng)目將鹽穴地下空間的利用率從20%提升至70%以上，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了高位注氣、低位排鹵的沉渣空隙儲(chǔ)氣擴(kuò)容新方案，并首次在全球范圍內(nèi)采用水平壓裂形成的鹽穴水平老腔進(jìn)行地下儲(chǔ)能。而且，該電站建設(shè)周期僅為2～3年，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的抽水蓄能6～8年的建設(shè)周期，同時(shí)在儲(chǔ)能容量、成本效益、轉(zhuǎn)換效率等方面與抽水蓄能模式相當(dāng)。這個(gè)項(xiàng)目順利投用，為大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)路線(xiàn)的驗(yàn)證提供了重要依據(jù)，展示了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的高效性和巨大的應(yīng)用潛力，標(biāo)志著我國(guó)在大功率壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)方面已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。
打通堵點(diǎn)加快商用
《瞭望》：壓縮空氣儲(chǔ)能未來(lái)能扮演什么樣的角色?
楊春和：鹽穴具備密封性好、使用壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，是壓縮空氣儲(chǔ)能的理想載體，能有效降低儲(chǔ)能系統(tǒng)整體成本。我國(guó)鹽穴資源分布廣泛，尤其在華東和華中地區(qū)，儲(chǔ)量豐富且增長(zhǎng)潛力巨大。比如華中地區(qū)的河南、湖北和湖南等地，鹽礦分布面積達(dá)到3654平方公里;華東地區(qū)的江蘇、安徽和山東等地的鹽礦面積也有1756平方公里。隨著鹽礦企業(yè)的持續(xù)開(kāi)采，特別是2020年以后，每年約有1220萬(wàn)立方米的鹽穴空間可用于壓縮空氣儲(chǔ)能。
隨著技術(shù)的發(fā)展和鹽穴資源的進(jìn)一步利用，壓縮空氣儲(chǔ)能將為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)提供強(qiáng)有力支持，眼下山東泰安300兆瓦、350兆瓦，山東菏澤660兆瓦和湖北潛江360兆瓦級(jí)鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站等多個(gè)項(xiàng)目已規(guī)劃建設(shè)，將成為推動(dòng)清潔能源大規(guī)模消納和保障電網(wǎng)調(diào)峰能力的重要力量。
《瞭望》：壓縮空氣儲(chǔ)能的推廣應(yīng)用還需打破哪些障礙?
楊春和：壓縮空氣儲(chǔ)能具有許多優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)復(fù)雜、初期投資較大、示范項(xiàng)目較少。新技術(shù)往往需要面對(duì)相對(duì)不成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，在設(shè)施設(shè)備的硬條件上，特別是設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)鏈完善等方面會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，當(dāng)前壓縮空氣儲(chǔ)能工程所需的很多設(shè)備產(chǎn)品仍處于非標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)，技術(shù)不統(tǒng)一;在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等軟條件方面，也還需要進(jìn)一步解決地下儲(chǔ)氣空間的開(kāi)發(fā)、儲(chǔ)氣技術(shù)的優(yōu)化、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一等問(wèn)題;在政策環(huán)境方面，希望有關(guān)部門(mén)在制定標(biāo)準(zhǔn)、引導(dǎo)市場(chǎng)方向等方面，能出臺(tái)更有力的政策，推動(dòng)這一技術(shù)的快速發(fā)展和普及。
隨著政策支持和技術(shù)創(chuàng)新的推進(jìn)，以及更多示范項(xiàng)目的成功，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈也會(huì)逐步完善、成熟，設(shè)備和技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化體系逐漸成型，上述階段性的問(wèn)題也將逐步得到解決。壓縮空氣儲(chǔ)能一定會(huì)走向更廣泛的市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，成為重要的能源調(diào)節(jié)手段。(文 |《瞭望》新聞周刊記者 侯文坤 張泉)
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