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把電儲存在各種電池里，把電儲存在水庫里，這些儲能方式，大家可能并不稀奇。但有一種辦法，可以把電儲存在空氣里，不用電的時候，你見不到它；要用電的時候，你隨時都可以在空氣里得到電能。這不是科幻小說，這是現(xiàn)在最新的科技。江蘇金壇茅山腳下有一個神奇的儲能電站，這是一座由廢棄鹽穴改造的超大號“充電寶”。

用電低谷時壓縮空氣，存儲在地下；用電高峰時釋放空氣，每小時能發(fā)電6萬千瓦時。在江蘇常州金壇區(qū)，依托“非補燃”技術，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站全年可節(jié)約標準煤3萬噸，減少二氧化碳排放超6萬噸，并為江蘇電網(wǎng)提供±6萬千瓦調(diào)峰能力。

儲能過程就像“吹氣球”

用空氣來儲能、發(fā)電，聽起來深奧，其實原理并不復雜。金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目首席科學家、清華大學教授梅生偉這樣科普：“如果把鹽穴比作一個體積固定的超大號氣球，那么儲能的過程就是吹氣球。”

金壇鹽穴項目攻克了世界上參數(shù)最高的離心式壓縮機，這是“吹氣”的關鍵裝置。在用電低谷時，通過這一裝置，可將1個標準大氣壓的空氣壓縮為140個標準大氣壓的高壓空氣，存入“氣球”；待用電高峰時，再釋放高壓空氣，驅(qū)動空氣透平膨脹機，讓“風車”旋轉起來，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

鹽穴壓縮空氣儲能的技術和工程并非我國首創(chuàng)。目前，一些發(fā)達國家已投運的壓縮空氣儲能電站都需要燒煤或天然氣來加熱空氣，這個過程叫作“補燃”，但不可避免地會產(chǎn)生污染物排放。梅生偉認為，金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目的重要創(chuàng)新就在于采用了“非補燃”技術。此前，梅生偉和清華大學相關團隊曾在安徽蕪湖建立試驗電站，驗證了技術方案可行性和高效性。整個過程中，沒有任何燃燒和排放，實現(xiàn)了零碳發(fā)電。

值得一提的是，該電站具有完全自主知識產(chǎn)權，核心設備實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化。在能量轉換過程中，電能難免會有損耗。“金壇電站的電能轉換效率是61.2%。通俗來講，就是‘5千瓦時電換3千瓦時電’。”梅生偉舉例子，現(xiàn)在電站一般是23時左右開始儲能，到第二天早上儲能完成，一個儲能過程為8小時。等用電高峰期滿負荷發(fā)電，一個小時能發(fā)6萬千瓦時電，可以連續(xù)發(fā)電約5個小時。“也就是相當于6萬居民一天的用電量。”梅生偉說。

在用電低谷時，利用低谷電壓縮空氣，存儲在地下鹽穴；在用電高峰時，釋放高壓空氣，帶動發(fā)電機組發(fā)電，保障用電需求。改變傳統(tǒng)電力“即發(fā)即用”現(xiàn)狀，削峰填谷，確保谷電不浪費、峰電有加持，正是金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站作為“充電寶”的功能所在。今年夏天，江蘇迎峰度夏能源保供的關鍵時期，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站曾發(fā)揮積極作用，為金壇當?shù)仉娋W(wǎng)的高峰支撐了5%左右的尖峰負荷。

采用“非補燃”技術更環(huán)保

由中鹽集團、中國華能集團和清華大學三方共建的金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站，可為江蘇電網(wǎng)提供±6萬千瓦調(diào)峰能力。電站投產(chǎn)后不久，江蘇迎來了炎熱夏季。電站在7、8月間響應約40次調(diào)峰指令，其中8月份連續(xù)響應23天，甚至一天內(nèi)靈活切換、多次響應，為迎峰度夏保供電貢獻了力量。

除此之外，近年來，隨著風、光等新能源的加速開發(fā)，江蘇可再生能源發(fā)電總裝機目前達到5354.94萬千瓦。然而，新能源發(fā)電波動性強，在工業(yè)大省江蘇，發(fā)電峰谷差高達50%，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來隱患，建設大規(guī)模儲能設施尤為必要。

“目前儲能辦法有物理儲能和化學儲能兩種。前者包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，后者包括各種電池儲能。”金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站項目首席科學家、清華大學電機系教授梅生偉表示，壓縮空氣儲能電站規(guī)模大、建設快、安全環(huán)保，是新型儲能的重要發(fā)展方向之一。

當然，壓縮空氣儲能電站的建設，也需要豐富的鹽穴資源和成熟的造腔經(jīng)驗支撐，對建設環(huán)境提出了一定的要求。鹽穴，即地下鹽層被開采后留下的空腔，密封性良好且多數(shù)處于閑置狀態(tài)，是儲存高壓空氣的理想場所。“金壇擁有鹽穴資源約1000萬立方米。”中鹽金壇公司鹽礦礦長徐孜俊介紹，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站使用的茅八井鹽穴，容積約22萬立方米，可承受200個標準大氣壓。

利用鹽穴來儲能發(fā)電在其他國家并非沒有先例，但采取“非補燃”技術卻是國內(nèi)首創(chuàng)。“鹽穴的高壓空氣被釋放出來后，需要加熱膨脹產(chǎn)生更大推力，此前國外已投運的電站都通過燃燒天然氣來加熱，‘補燃’過程會產(chǎn)生碳排放。”梅生偉介紹，金壇項目將壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱能儲存起來，發(fā)電時再將熱能釋放，將電能轉換效率提升至60%以上。據(jù)測算，該項目全年可節(jié)約標準煤3萬噸，減少二氧化碳排放超6萬噸。

建設成本大幅降低發(fā)展空間大

在金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站附近，還留有大片建設用地。據(jù)了解，金壇鹽穴壓縮空氣儲能二期項目規(guī)模計劃400兆瓦，三期項目規(guī)模預計1000兆瓦。

“鹽穴壓縮空氣儲是個綜合能源系統(tǒng)。”梅生偉認為，鹽穴壓縮空氣儲能未來的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化前景，取決于兩大方面——降低建設成本、提高電能轉換效率，說到底就是技術創(chuàng)新。

“比如，大流量高溫壓縮機、大功率熱交換設備、透平膨脹機等關鍵設備的研制都需要從零開始，和廠家技術人員邊研究邊開發(fā)。”梅生偉表示，從項目立項到正式投產(chǎn)，金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站歷經(jīng)10年研發(fā)、兩年建設。在這個過程中，關鍵設備實現(xiàn)100%國產(chǎn)化，申請專利百余項。“目前的建設成本約為7000元/千瓦，但隨著技術的不斷成熟，未來的建設成本會大幅降低。”

梅生偉介紹，在提高效率方面，研發(fā)團隊正在嘗試“雙管齊下”：一是目前的儲熱技術采用導熱油，屬于中溫儲熱，如果未來采用熔融鹽實現(xiàn)高溫儲熱，電能轉換效率有望從60%提高到70%；二是鹽穴儲氣屬于定容儲氣，充放氣過程中壓力一直在變化，影響設備運行效率，正在研發(fā)中的定壓儲氣技術將實現(xiàn)恒壓充氣和放氣，進一步提高系統(tǒng)電能轉換效率。

規(guī)模發(fā)展的另一支撐是電價政策。國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《關于進一步推動新型儲能參與電力市場和調(diào)度運用的通知》，從電價、交易及調(diào)度機制等方面對新型儲能參與電力市場與調(diào)度運營做出規(guī)定。“目前電站的電價政策還在研究之中，各級主管部門對項目也都非常支持。”梅生偉說，清華大學參與的8座共1350兆瓦壓縮空氣儲能電站，即將在兩年內(nèi)陸續(xù)建成投用。

“相信隨著建設成本和轉換效率的不斷優(yōu)化，以及價格體系的持續(xù)完善，會有更多的機構和地方參與到壓縮空氣儲能電站的建設中，為新能源高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造更多有利條件。”

受益新能源“充電寶”產(chǎn)業(yè)化正提速

近年來，風能、太陽能等新能源在我國能源體系中的占比持續(xù)提升，與其相關的儲能技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展也備受關注。其中，壓縮空氣儲能被看作未來儲能技術發(fā)展的重要方向。

去年7月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》中，將壓縮空氣儲能列為新型儲能技術之首。今年2月發(fā)布的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中，也多次提到這一技術。今年8月，《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》提出，要加快研發(fā)壓縮空氣儲能、飛輪儲能等高效儲能技術。在目前主流的兩種儲能類型中，抽水蓄能的優(yōu)點明顯，是現(xiàn)有最成熟的大容量儲能解決方案，已成為大規(guī)模建設開發(fā)儲能項目的首選。

然而，抽水蓄能電站建設受場地條件限制大，且建設工期長、投資回報慢。電化學儲能反應速度快、效率高，但是壽命有限、成本較高，還有后續(xù)處理問題。相比之下，壓縮空氣儲能基本兼顧了兩者的優(yōu)點，同時，壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱量還可以二次利用。比如，參與金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站共同開發(fā)的中鹽集團，就改造了生產(chǎn)線，通過儲熱裝置用多余熱量進行化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。從長遠看，壓縮空氣儲能將是大規(guī)模儲能領域開發(fā)的新趨勢，未來前景廣闊。不過，該技術當前還面臨兩大難點，需要各方協(xié)同攻關。

一方面，電能轉換效率仍需提升，未來要與抽水蓄能的變電效率相當，才能顯現(xiàn)出更大的推廣價值；另一方面，目前的應用場景仍比較單一，要探索更多樣化儲氣條件下的項目開發(fā)。梅生偉介紹，與新建鋼罐等壓力容器儲存的方式相比，利用鹽穴可顯著降低原材料、用地等方面的成本，但并不意味著所有鹽穴都可以作為壓縮空氣儲存裝置，還需要滿足容積適當、地質(zhì)穩(wěn)定、距離合適等條件。

除鹽穴外，天然氣儲氣庫、煤礦巷道等也有潛力建設大容量、大規(guī)模儲能電站。好在，隨著效率提升疊加成本下降，壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)化進程正在提速，未來裝機規(guī)模有望加速擴張。此外，長三角多地正推動相關儲能電站落地。

近期，《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動方案》提出，將推動壓縮空氣、液流電池等長時儲能技術商業(yè)化，促進“光儲充”新型儲能站落地。此前，江蘇淮安鹽穴壓縮空氣儲能項目通過可行性評審，將進入工程實施階段。該電站建成后，將成為國際上容量最大的壓縮空氣儲能電站，年發(fā)電量可達8.5億千瓦時。

原標題：用空氣發(fā)電？千年廢棄鹽穴變身“充電寶”！“藏電于氣”是如何實現(xiàn)的？