在能量轉換效率方面，世界上第一座投入商業(yè)運營(yíng)的德國亨托夫壓縮空氣儲能電站約為42%，第二座投入商業(yè)運營(yíng)的美國麥金托什壓縮空氣儲能電站約為54%，而湖北應城300兆瓦級壓縮空氣儲能電站可以達到70%
湖北應城300兆瓦級壓縮空氣儲能項目創(chuàng )下了單機功率、儲能規模和轉換效率三項世界紀錄，成功攻克了地下儲氣庫建設和工藝系統集成等多項技術(shù)難題
隨著(zhù)設備國產(chǎn)化和技術(shù)不斷突破，壓縮空氣儲能的整體經(jīng)濟性會(huì )逐漸提升
猶如科幻般的壓縮空氣儲能，正在中國更大規模走進(jìn)現實(shí)。作為我國首座300兆瓦級壓縮空氣儲能示范工程，湖北應城300兆瓦級壓縮空氣儲能電站1月9日實(shí)現全容量并網(wǎng)發(fā)電，開(kāi)始商業(yè)化運行。該項目可實(shí)現每天儲能8小時(shí)、釋能5小時(shí)，預計轉化后的年均發(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”，該項目的地下儲能系統由中國工程院院士、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究員楊春和團隊提供全過(guò)程技術(shù)支撐。
近日，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《電力系統調節能力優(yōu)化專(zhuān)項行動(dòng)實(shí)施方案(2025-2027年)》，提出到2027年，電力系統調節能力顯著(zhù)提升，各類(lèi)調節資源發(fā)展的市場(chǎng)環(huán)境和商業(yè)模式更加完善，各類(lèi)調節資源調用機制進(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，全國新能源利用率不低于90%。
在我國能源轉型和“雙碳”戰略的大背景下，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、不穩定性，給電網(wǎng)接入和消納帶來(lái)了挑戰，對大規模儲能需求越來(lái)越大。壓縮空氣儲能作為當前三大主流儲能模式之一，逐漸進(jìn)入公眾視野。2024年，被業(yè)內人士稱(chēng)為壓縮空氣儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的元年。
壓縮空氣儲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)儲存剩余的電能，在需求高峰時(shí)釋放，為電網(wǎng)提供穩定的能源供應，平衡電網(wǎng)負荷，解決可再生能源不穩定的同時(shí)，促進(jìn)風(fēng)電、光伏等可再生能源的消納，保障電網(wǎng)運行的穩定性和安全性。
“地下鹽穴具有密閉性好、穩定性高等特點(diǎn)，非常適合壓縮空氣儲能，且鹽穴儲氣技術(shù)在成本和容量上都有優(yōu)勢。鹽穴儲氣技術(shù)將廢棄鹽礦改造成一個(gè)綠色‘超級充電寶’，屬于廢棄資源重新利用，成本較低。”楊春和說(shuō)，在他看來(lái)，壓縮空氣儲能在國內的應用前景廣闊，預計將成為大規?？稍偕茉凑{節和儲能的重要技術(shù)之一。未來(lái)壓縮空氣儲能將扮演更重要的角色，發(fā)揮更大的作用。
空氣也可儲能
《瞭望》：湖北應城300兆瓦級壓縮空氣儲能電站的工作原理是什么?
楊春和：壓縮空氣儲能簡(jiǎn)單來(lái)講就是利用空氣的壓縮和釋放來(lái)儲存和釋放電能，是一種新型能源儲存技術(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，驅動(dòng)空氣壓縮機，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)，驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，電力重新并入電網(wǎng)。
湖北應城300兆瓦級壓縮空氣儲能電站，分為地下儲能系統、地上電力系統兩部分，地上是壓縮機、膨脹機、換熱器等設備，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氣庫，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(cháng)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存到地下空間;在用電高峰，再將這個(gè)“超級充電寶”里的“電能”釋放出來(lái)。該工程單機功率達300兆瓦級，儲能容量達1500兆瓦時(shí)，系統轉換效率約70%，每天儲能8小時(shí)、釋能5小時(shí)，預計轉換后的年均發(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存于壓縮空氣中，地上部分的建設決定了整個(gè)工程的能量轉換效率。在能量轉換效率方面，世界上第一座投入商業(yè)運營(yíng)的德國亨托夫壓縮空氣儲能電站約為42%，第二座投入商業(yè)運營(yíng)的美國麥金托什壓縮空氣儲能電站約為54%，而湖北應城300兆瓦級壓縮空氣儲能電站可以達到70%。
“地下工程決定成敗”，強調地下儲氣空間在壓縮空氣儲能項目中的關(guān)鍵性作用。地下儲氣空間大小、穩定性和密封性等因素，直接影響到儲氣效率和成本效益?？梢哉f(shuō)，地下工程決定了壓縮空氣儲能項目的整體可行性和經(jīng)濟性。因此，在選址和地下工程設計時(shí)，必須格外重視地質(zhì)勘察與儲氣空間的設計優(yōu)化。
我國壓縮空氣儲能技術(shù)已世界領(lǐng)先
《瞭望》：相比抽水蓄能和電池儲能等主流大規模儲能技術(shù)，壓縮空氣儲能有什么優(yōu)勢?
楊春和：抽水蓄能技術(shù)相對成熟、應用廣泛，但需要有高低差的地勢，對地理條件要求嚴格，且投資大、建設周期長(cháng)。電池儲能具有快速響應和靈活性，未來(lái)還可以利用淘汰的車(chē)載動(dòng)力電池，但存在充放電次數有限、使用壽命較短等問(wèn)題，對環(huán)境依然是個(gè)挑戰。相比之下，壓縮空氣儲能一方面具有更長(cháng)的使用壽命和較低的運營(yíng)維護成本，能夠在較大規模下長(cháng)期高效運作;另一方面，壓縮空氣儲能的儲能密度較高，適合大規模、長(cháng)時(shí)間能量存儲，能在多個(gè)時(shí)段提供穩定的電力支持，能更好地實(shí)現能源的“存儲與調度”。
用于儲存空氣的鹽穴更具備一些獨特優(yōu)勢。首先，鹽穴具有儲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，相對于其他地下儲氣庫，如廢棄礦井或硬巖洞，鹽穴的開(kāi)發(fā)和運營(yíng)成本較低，且使用壽命長(cháng)，能夠保證儲能系統的穩定運行;再者，鹽穴位于地下，建設不占用地面土地資源，這對土地資源有限的地區尤為重要。但并非所有鹽礦都能用作壓縮空氣儲能，在湖北應城，我們團隊篩選了100多個(gè)鹽穴，只有10個(gè)可以用于儲氣。
再進(jìn)一步放開(kāi)視野看，壓縮空氣儲能也并非必須依賴(lài)鹽穴。鹽穴是最理想的儲氣庫，但在沒(méi)有鹽穴資源的地區，壓縮空氣儲能依然具備一定的性?xún)r(jià)比和應用前景。例如可以利用廢棄礦井、地下巖層空洞或人工地下儲氣設施等替代空間。據初步估算，利用鹽礦儲氣，容量成本約6000元/立方米，在地下打造人工硐室進(jìn)行壓縮空氣儲能，成本約8000元/立方米。雖然這些替代空間的建設成本現階段相對較高，但隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和規?；瘧?，整體成本有望下降。同時(shí)，隨著(zhù)設備國產(chǎn)化和技術(shù)不斷突破，壓縮空氣儲能的整體經(jīng)濟性會(huì )逐漸提升。
《瞭望》：壓縮空氣儲能技術(shù)現階段在國內的應用情況如何?
楊春和：截至目前，已有3個(gè)鹽穴壓縮空氣儲能項目投入運營(yíng)，總裝機容量達到370兆瓦。其中，山東肥城10兆瓦級和江蘇金壇60兆瓦級壓縮空氣儲能電站在2021年就已投入運行，湖北應城300兆瓦級壓縮空氣儲能電站日前也已成功實(shí)現全容量并網(wǎng)發(fā)電。這些項目的成功不僅展示了壓縮空氣儲能技術(shù)的可行性，也為未來(lái)在更大范圍進(jìn)行商業(yè)化應用奠定了堅實(shí)基礎。
回看我國壓縮空氣儲能從最初的設想到現實(shí)應用，從最初的技術(shù)構想到如今的多個(gè)示范項目，經(jīng)歷了漫長(cháng)的過(guò)程。我們團隊在地下儲氣空間選擇與開(kāi)發(fā)、氣體壓縮效率、運行參數的設計和優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量攻關(guān)。尤其是在儲氣密封性和儲氣效率的提升上，我們突破了多個(gè)技術(shù)難題，使得系統的效率和穩定性大幅提高。此外，智能化控制和數據監測技術(shù)的引入也為項目的運行提供了強有力的保障，確保了能源的高效調度。
我們團隊參與的湖北應城項目還創(chuàng )下了單機功率、儲能規模和轉換效率三項世界紀錄，成功攻克了地下儲氣庫建設和工藝系統集成等多項技術(shù)難題——該項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)現了高位注氣、低位排鹵的沉渣空隙儲氣擴容新方案，并首次在全球范圍內采用水平壓裂形成的鹽穴水平老腔進(jìn)行地下儲能。而且，該電站建設周期僅為2～3年，遠低于傳統的抽水蓄能6～8年的建設周期，同時(shí)在儲能容量、成本效益、轉換效率等方面與抽水蓄能模式相當。這個(gè)項目順利投用，為大規模、長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)路線(xiàn)的驗證提供了重要依據，展示了壓縮空氣儲能技術(shù)的高效性和巨大的應用潛力，標志著(zhù)我國在大功率壓縮空氣儲能技術(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(cháng)、成本低等優(yōu)勢，是壓縮空氣儲能的理想載體，能有效降低儲能系統整體成本。我國鹽穴資源分布廣泛，尤其在華東和華中地區，儲量豐富且增長(cháng)潛力巨大。比如華中地區的河南、湖北和湖南等地，鹽礦分布面積達到3654平方公里;華東地區的江蘇、安徽和山東等地的鹽礦面積也有1756平方公里。隨著(zhù)鹽礦企業(yè)的持續開(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能。
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和鹽穴資源的進(jìn)一步利用，壓縮空氣儲能將為我國能源轉型和電力系統調節提供強有力支持，眼下山東泰安300兆瓦、350兆瓦，山東菏澤660兆瓦和湖北潛江360兆瓦級鹽穴壓縮空氣儲能電站等多個(gè)項目已規劃建設，將成為推動(dòng)清潔能源大規模消納和保障電網(wǎng)調峰能力的重要力量。
《瞭望》：壓縮空氣儲能的推廣應用還需打破哪些障礙?
楊春和：壓縮空氣儲能具有許多優(yōu)勢，但其技術(shù)復雜、初期投資較大、示范項目較少。新技術(shù)往往需要面對相對不成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，在設施設備的硬條件上，特別是設備標準化、產(chǎn)業(yè)鏈完善等方面會(huì )面臨一些挑戰，當前壓縮空氣儲能工程所需的很多設備產(chǎn)品仍處于非標準化狀態(tài)，技術(shù)不統一;在技術(shù)標準等軟條件方面，也還需要進(jìn)一步解決地下儲氣空間的開(kāi)發(fā)、儲氣技術(shù)的優(yōu)化、技術(shù)標準的統一等問(wèn)題;在政策環(huán)境方面，希望有關(guān)部門(mén)在制定標準、引導市場(chǎng)方向等方面，能出臺更有力的政策，推動(dòng)這一技術(shù)的快速發(fā)展和普及。
隨著(zhù)政策支持和技術(shù)創(chuàng )新的推進(jìn)，以及更多示范項目的成功，壓縮空氣儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈也會(huì )逐步完善、成熟，設備和技術(shù)的標準化體系逐漸成型，上述階段性的問(wèn)題也將逐步得到解決。壓縮空氣儲能一定會(huì )走向更廣泛的市場(chǎng)，實(shí)現大規模商業(yè)化應用，成為重要的能源調節手段。(文 |《瞭望》新聞周刊記者 侯文坤 張泉)
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