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万亿级储能市场杀出压缩空气“黑马”

  成熟的产业本应包括六大价值链,即原材料、生产、仓储、分配、输送和消费,但为何电力系统“储”的环节发展如此缓慢?
  在可再生能源大规模替代火力发电后,发电侧与用户侧势必会存在剧烈波动,届时,国家的电力稳定又该如何保障?
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  持续发问的,是中国科学研究院工程热物理研究所100MW压缩空气储能技术的产业化公司——中储国能(北京)技术有限公司的CEO纪律。
 万亿级储能市场杀出压缩空气“黑马”
  彼时还是2005年,中国火力发电正在“大干快上”,风光发电尚且刚刚起步,全国电力还未出现产能过剩问题,各界专家也未将储能系统做充分重视。不过,中科院工程热物理研究所储能技术团队还是决定着眼于长远,立足于大规模储能领域,启动了新型压缩空气储能技术的研发工作。
  2013年,中科院工程热物理研究所在河北廊坊建成了国际首个1.5MW先进压缩空气储能国家示范项目,系统效率达到52.1%,被评价为“我国压缩空气储能的一项重要突破,达到国际领先水平”。
  2016年,中科院工程热物理研究所在贵州毕节建成了目前国际唯一的10MW级新型压缩空气储能国家示范项目,系统效率达到60.2%,是目前全球系统效率最高的压缩空气储能系统。
  2018年,历经对新型压缩空气储能技术十余年的沉淀,中科院工程热物理研究所100MW先进压缩空气储能技术产业化公司——中储国能正式成立。
  “今年年底,我们在河北张家口的国际首套100MW先进压缩空气储能示范项目便会建成,系统效率达70%。”中储国能CEO纪律说道:“这意味着,压缩空气储能技术基本达到了抽水蓄能的性能指标,跨越了服务于电力系统的大规模长时储能的门槛。”
 万亿级储能市场杀出压缩空气“黑马”
  从兆瓦、十兆瓦,到如今百兆瓦及以上,中科院工程热物理研究所研发的先进压缩空气技术一路势如破竹,产业化前景初显峥嵘。
  根据光大证券测算,2025年储能投资市场空间约为0.45万亿,2020年-2025年累计市场空间为1.6万亿;2030年市场投资可达1.3万亿,累计规模达6万亿;2060年市场投资为5万亿,累计规模达122万亿。
  对于这倍数增长的万亿级市场空间,纪律预计:“未来压缩空气储能作为极有竞争力的长时大规模储能技术,在储能整体市场里面至少会占据30%的份额,地位举足轻重。”
 
  赛道:长时大规模,对标抽水蓄能
  压缩空气储能电站最早出现于1978年的德国,在德国和美国均有100MW以上规模的商业化应用。但此类应用皆是脱胎于燃气轮机技术,属于传统压缩空气储能系统,其缺陷非常明显——需要依赖燃烧化石燃料提供热源,不符合国际低碳发展的要求;依赖大型天然储气洞穴,对于地理条件有要求;且转换效率相对较低,仅有50%左右。
  正因如此,当下全球各国都在着力开发新型压缩空气储能系统,而中国科学院工程热物理所正是其中的佼佼者。
  中科院工程热物理研究所创新性地提出了先进超临界压缩空气储能技术原理,同时解决了传统压缩空气储能依赖大型储气室、依赖化石燃料、系统效率低三个主要技术瓶颈,令系统布置更加灵活、储放电全程无污染、系统效率更高。
 万亿级储能市场杀出压缩空气“黑马”
  “预计当新型压缩空气储能系统做到单机300MW规模时,电对电效率将进一步逼近75%-80%的物理储能技术的极限效率。”纪律说道。
  由于技术优势显著,2020年,中储国能获得了由中科创星、株洲动力谷产投领投的1.6亿元天使轮投资。如今伴随中储国能在河北张家口的国际首套100MW先进压缩空气储能示范项目建设进展顺利,寻求合作的投资商更是络绎不绝,他们皆敏锐的发觉——极有发展潜力的新型长时大规模储能技术出现了。
  进入2021年以来,《十四五规划》、《推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》、《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》等政策文件接连发布,不断为储能行业提供强有力的支持。
  电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、蓄热/蓄冷储能等新型储能形式开始受到广泛关注,但无论新型储能表现的如何“热闹”,已有百余年历史的抽水蓄能仍然是装机体量最大、技术最为成熟的储能形式。
  根据中国能源研究会储能专委会(CNESA)统计,截至2020年12月底,中国储能项目装机共计35.6GW,其中抽水蓄能装机规模31.8GW,装机功率占比89.3%。
  “抽水蓄能受限于地理条件。”纪律说道:“目前适合抽水蓄能的选址越来越有限,后续装机规模的增长空间因此受限,此外还有工程周期长、移民搬迁、生态影响等困难,使抽水蓄能已不能完全满足大规模储能的市场需求。”
  在此种情况下,同样聚焦于大规模长时储能、可承担电网调峰、调频(二次)、调相、应急响应、黑启动等任务的压缩空气储能便显露出极大的发展优势,有望成为长时大规模储能的主流技术路线。
  新型压缩空气储能系统的发电原理与抽水蓄能类似,皆为机械式,因此单机规模可以做到百兆瓦级,多台设备合并,即可将储能系统规模提升至GW级,从而与抽水蓄能一样起到为电网调峰的作用。
  其次,压缩空气储能系统的储能介质为空气,储能成本低,目前100MW系统的单位投资成本约为1000元/kWh,即初装成本约为1元/Wh,这已经与抽水蓄能基本持平。另根据美国能源部《2020年储能大挑战成本和性能评估》报告,眼下压缩空气储能的度电成本已是所有储能技术路线中最低的,“根据规模的不同,目前新型压缩空气储能系统的度电成本在0.2/kWh左右,未来可以把度电成本降至0.15元/kWh以内。”纪律说道。
 万亿级储能市场杀出压缩空气“黑马”
  此外,先进压缩空气储能系统可以做到长时间储能和发电,4小时、8小时、12小时及以上均可,这是其他新型储能技术难以企及的。先进压缩空气储能系统的使用寿命高达30至50年,运行期间清洁无污染,安全性好,还有不受地理条件限制、建设周期较短等优势。从系统布置灵活性与建设周期上来说,先进压缩空气储能已经优于抽水蓄能。
  “十四五期间,国家仍要开工建设二十余座抽水蓄能电站,因此可以看出大规模长时储能的市场需求有多强烈。”纪律说道:“我们在和不少发电集团、电网公司对接时发现,他们对大规模长时储能都有迫切需求。”
  根据国家发改委、国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》,到2030年,我国要实现新型储能全面市场化发展,标准体系、市场机制、商业模式要成熟健全,储能装机规模要基本满足新型电力系统的相应需求。新型储能要成为碳达峰、碳中和的关键支撑技术。
  从实际需求到政策支持,先进压缩空气储能的市场潜力都极为诱人。“当储能系统做到单机100MW级以上,竞争对手就已经很少了。在我们的赛道上,目前可见的竞争者只有抽水蓄能,这也是我们为何估算压缩空气储能未来将至少占据30%储能市场份额的原因。”纪律表示。
 
  未来:走向综合性储能电站
  近年来,伴随储能行业的蓬勃发展,电化学储能一度成为了业界“网红”,《储能产业研究白皮书2021》指出,“十四五”期间,电化学储能累积规模复合增长率为57.4%,将呈现快速增长趋势。
  先进压缩空气储能的定位是大规模、低成本、长时储能,与电化学储能并不在同一赛道,但电化学储能却可以与压缩空气储能形成良好的互补关系。
  “先进压缩空气储能系统从启动到满负荷运行是分钟级,而电化学储能可以做到秒级或毫秒级响应。”纪律介绍道:“因此压缩空气储能适合做大容量的能量管理,比如调峰,电化学储能适合中小容量的辅助服务工作,飞轮储能适合短时高频的调频服务等。因此,未来大概率会出现综合性的储能电站,根据电力系统多种多样的需求,搭配不同的储能技术。”
  而这,正是中储国能的战略规划落脚点。中储国能作为中科院工程热物理研究所的产业化公司,可接手研究所开发出的最新储能技术和设备的产业化任务,包括新型的抽水蓄能和飞轮储能技术等。“未来中储国能不止会专注压缩空气储能技术,我们还会和电化学储能企业合作,将公司的业务拓展为多项储能技术并举,去建设综合性的储能电站,成为储能行业的龙头企业。”纪律表示。
 万亿级储能市场杀出压缩空气“黑马”
 万亿级储能市场杀出压缩空气“黑马”
  “我们最早预想储能市场真正达到万亿级是在2040年到2050年,现在来看,随着双碳目标的提出,很多规划都应该向前提,储能行业的发展速度要比我们预想的快很多。”纪律说道:“我们的项目已经非常充实了,机会很好,压力也很大,我们要抓紧时间推动先进压缩空气储能系统的应用、推广,真正为‘双碳’目标的实现、新型电力系统建设及能源变革提供支撑和助力。”
  从2005年开启先进压缩空气储能系统的研究,到如今百兆瓦示范项目即将建成,16年来,中科院工程热物理研究所一百余人的研发团队只专注做这一件事,坚持在漫长的研发道路中探索,直至把事情做成。如此行为,绝非一句简单的市场驱动便可以解释,其背后还有更强大的使命感及理想信念给予支撑。
  “中国科学院是国家战略科技力量,我们做的事一定要立足长远,要站在国家的角度上,去解决一些关键卡脖子问题,去研究一些门槛比较高、需要长期积累才能做成的项目。”纪律表示道,“所以中科院做技术研发,从来不是谋求短平快的,往往是需要十年甚至更长时间积累才能做成的事情。”
  “对于新型压缩空气储能系统,我们从技术各项基础研究做起,到关键核心技术突破,再到示范项目落地,最终实现产业化,这一条完整的研发历程我们都要走完。”纪律表示道:“现在全球正处于能源变革的关键阶段,能源变革的周期很长,高达几十年甚至近百年,目前是历史性的机遇点,我们一定要把握好。
  在外人眼中,先进压缩空气储能也许只是一匹“黑马”,是具备极大成长空间的新兴事物,但对于这项技术的缔造者——中科院工程热物理研究所及中储国能来说,先进压缩空气储能则是推动能源革命、促进“双碳”目标实现、构建新型电力系统的关键支撑技术。格局如此,未来可期!
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