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1、压缩空气储能崛起原理、历程及发展趋势随着新型电力系统建设的深入，对长周期、高安全性以及具备物理转动惯量的新型储能需求越来越迫切，压缩空气储能因其优秀的综合性能日益受到关注。尤其是金坛项目的成功商业化运行，引爆了压缩空气储能的市场，压缩空气也成为新一批国家新型储能试点示范名单中最亮眼的技术路线。行业对压缩空气储能等新技术路线的关注,体现了寻找更加安全、成熟和与电力系统相匹配的新型储能技术路线的广泛愿望。一、压缩空气储能原理及优势类似抽水蓄能，压缩空气储能也是一种采用机械设备实现电能储存和转移的技术，两者都遵循电能-势能-电能的转换流程。二者差异在于，抽水蓄能是在电能富余的时候将电能转变为水的重力
2、势能，而压缩空气储能则是将电能转换为空气的分子势能（气体分子宏观的压力势能）。按照热力学定律，压缩空气的过程中将产生热量，而压缩空气膨胀做功的过程中，需要进行吸热。所以压缩空气储能存在分子压力势能、热能两个循环，而实现两个循环的优化匹配，是压缩空气储能技术的关键。图1压缩空气储能原理图压缩空气储能成为储能界新宠，很重要的原因在于它能与电力系统特性进行很好的匹配。随着新能源发电渗透率越来越高，新型电力系统“双高”（高比例可再生能源、高比例电力电子设备）特性日益凸显，成为电力系统运行的根本威胁。“双高”问题中，前者主要带来发用电平衡等问题；而后者破坏了同步电网为主导的电力系统结构,导致低惯量、低阻
3、尼、弱电压支撑等问题，使整个电力系统存在崩溃的危险，也成为新能源发展的终极壁垒。图2新型电力系统“双高”问题示意（新型电力系统蓝皮书）与电化学储能相比，压缩空气储能是解决“双高”问题的良方。电化学储能虽然有助于解决高比例可再生能源带来的发用电平衡问题，但电化学储能本身也是通过电力电子设备并网，加剧了高比例电力电子设备并网的问题。与之相比，压缩空气储能系统不但具有长时储能特性，其机械旋转特性也有助于解决“双高”中的第二个问题。关于电力电子并网的机理，涉及到交直流方面非常专业的原理分析，笔者也仅略知皮毛。但形象来说，其根本区别可以回溯至特斯拉与爱迪生的交直流电之争，交流电战胜直流电并不是偶然，而是
4、基础理论发展的必然。众所周知，麦克斯韦方程是对电磁学的完美诠释，而直流电仅是麦克斯韦方程的特殊解，或许是直流电的工程实践并没有完全利用电磁学的奥秘，所以带来直流设备制造和组网的困难。当年的直流电机在设备复杂度上高于交流电机，其可靠性也远不如后者,而今天借助电力电子设备的直流系统也同样存在结构复杂、可靠性低、电压频率耐受能力差等问题。综上，压缩空气储能具有更强的电力系统稳定支撑能力，同时主要构成是机械部件，其运行可靠性高，不存在容量衰减等问题，系统运行年限可以达到30-40年，也使全寿命周期成本低于锂电储能等新型储能方式。二、压缩空气储能的发展历程2021年金坛压缩空气储能电站（60MW*5小时
5、）的投运，验证了压缩空气储能商业化应用的可行性，从而引爆了压缩空气储能路线的崛起。但压缩空气的发展也经历了艰难的历程，其中中国科学院院士、清华大学电机系教授卢强及其团队起到了决定性的推进作用。1949年，德国就提出了压缩空气储能电站的概念，美国、英国、德国均先后建设了压缩空气储能工程，但早期一般采用补燃的技术路线，即不对压缩过程中产生的热能进行储存，而在发电时通过天然气等燃料进行补燃，由于热量散失严重，该技术路线综合效率较低，详见图3。小缩机电动/发电机透平排气为克服补燃式压缩空气储能的缺点，清华大学卢强院士团队提出高效率非补燃绝热压缩空气储能系统，与补燃式的主要区别在于，非补燃路线对压缩产生
6、的热进行储存，并在空气膨胀做功的过程中将热量进行回馈。非补燃压缩空气储能又可分为高温绝热式和中温绝热式两个不同技术路线。当前，由于高温压缩机对工艺的要求极高，实现难度非常大，已开展的先进绝热压缩空气储能工程均采用中温技术路线（原理详见图4）。环境空气图4中温非补燃绝热压缩空气储能原理图经过分阶段的技术研发和应用，卢强院士、梅生伟教授团队经过十几年的努力，终于使非补燃压缩空气储能成为现实。具体发展过程可大致分为以下三个阶段：（1）非补燃技术的首次应用。2012年，在国家电网的支持下,清华大学联合中国电力科学研究院、中科院理化所，在国内率先开展非补燃压缩空气储能的技术验证和工程实践，于2014年在
7、安徽芜湖市建成了装机为50OkW的非补燃压缩空气储能电站。该电站是国内首个非补燃技术路线的成功应用，也是国内首个系统完善和实现并网运行的压缩空气储能电站。电站储热系统以加压水作为储热介质，蓄热温度为120C,电-电效率为41%。（2）新的储热技术的应用。通过提升压缩机排气温度，并进行更高温度的存储，能大幅提升压缩空气储能的效率。2017年，清华大学压储团队联合青海大学在青海西宁建成了100kW新一代非补燃压缩空气储能电站，该技术应用了导热油进行储热，相对芜湖项目储热温度更高。同时创新应用当地太阳能资源，采用光热的方式进行补热。尽管该电站装机容量小，但仍然实现了51%的电-电效率，也验证了更高温
8、度储热在大规模压缩空气储能项目中的应用可行性。(3)商业化应用迈出重要一步。鉴于清华大学在先进储热压缩空气储能技术方面取得的研究和实践成果，2017年国家能源局批复立项江苏金坛压缩空气储能技术，由清华大学、中盐集团和华能联合建设，项目一期建设60MW*5h盐穴压缩空气储能电站，未来将分期建设总容量为100OMW的电站集群。2022年电站整体并网发电以来，项目已实现商业化运行并正式纳入江苏省调调度运行范围。目前已完成超过400个完整的“储能+发电”循环，累计发电1.6亿千瓦时。项目整体性能优良，各子系统性能达到或优于设计指标，经第三方权威机构测试，电-电效率为62.3%o金坛电站的成功，正式按下
9、了压缩空气储能发展的快捷键。在上述成绩的基础上，清华大学仍在不断夯实在该领域的先发优势，通过采用恒压压缩空气、高温储热等技术创新，正在向更大容量、更高效率和更低成本迈进。三、行业爆发与异军突起金坛项目的成功商业化应用，成为我国压缩空气储能产业起步的爆发点。据不完全统计，山东、河南、河北、江苏、内蒙古、青海等12省规划、在建项目超过30个，合计规模达到8GWo2023年年底，国家能源局公示新一批新型储能试点示范项目，共有56个项目列入,该名单包含了压缩空气、全锐液流、重力储能、飞轮等多种项目类型，其中压缩空气储能项目达到11个(不含二氧化碳储能)，成为最亮眼的新型储能技术路线。压缩空气储能行业也
10、涌现出了中能建数科、中储国能等专注压储技术研发和工程服务的企业，前者作为大型能源央企，利用雄厚的财力、工程优势不断攻城略地；而后者通过技术创新和理念宣传，一度在资本市场掀起一阵旋风。但是纵观产业圈，非补燃压缩空气储能技术的首创者一一清华系似乎略显低调。但故事并非如此简单，2023年11月14日，三峡国水集团发布了一则压缩空气储能应用示范项目的中标公告，中标联合体就包括清华大学，另外还有安徽佑赛科技股份有限公司值得大家关注。据悉，佑赛科技也支撑了多个压缩空气储能项目纳入此次国家能源局公布的新型储能试点示范名单。与中储国能扬名于资本市场不同，佑赛科技似乎知名度较低，但通过草蛇灰线不难寻见其清华传承
11、。相关信息显示，安徽佑赛科技创始人、董事长陈任峰正是卢强院士的博士和博士后，安徽佑赛的常务副总、技术副总等高管团队基本来自清华大学电机系，并且大多来自卢强院士课题组。今年8月份，佑赛科技常务副总谭伟在接受媒体采访时，就透露佑赛科技科研力量源于卢强院士团队，正是卢院士指导创建了佑赛科技，其本人也曾担任佑赛科技首席技术顾问。也是在卢院士号召下,源源不断的清华学子加入团队，立志建成佑赛的“清华天团”。迥异于互联网、金融行业的出名要趁早，能源行业如果没有一定的经验历练，是没有什么发言权的，而当前正是80一代崭露头角的当口。来自清华电机系的80后高管团队，都有着近20年能源行业学习从业经历，对电力系统和新能源行业发展有独到的理解，他们也大多亲历了压缩空气储能研究和实践的过程，用“清华传承、十年磨剑”来形成佑赛科技在压储方面的布局再恰当不过。诚如“行胜于言”的清华校风，在新型储能市场风起云涌之际,佑赛科技以沉默的姿态致力于技术研发、市场开拓和力量整合。就像火山一样，沉默虽然是其常态，但火山不会一直沉默下去。在压缩空气储能市场的初步亮相，正是佑赛科技释放力量的开始，如谭伟所言,“将在清华10余年所学所得，应用到实业当中，为能源行业发展贡献佑赛力量、贡献清华力量，真正践行自强不息、厚德载物的清华校训”成为佑赛科技领军压缩空气储能领域的宣言！
