能夠把自己的研究興趣、工作

以及具有發(fā)展前景的創(chuàng)新性方向結(jié)合在一起，

真的是一種幸運(yùn)。

陳海生· 中國科學(xué)院工程熱物理研究所研究員

格致論道第80期 | 2022年4月23日 北京

非常高興來到格致論道論壇，我是來自中科院工程熱物理所的陳海生，今天和大家分享的題目是《給電網(wǎng)裝上空氣“充電寶”》。

為什么儲(chǔ)能研究如此重要？

在談空氣充電寶之前，我們先來談一談能源。

▲ 第一次工業(yè)革命：蒸汽時(shí)代（左）

第二次工業(yè)革命：電氣時(shí)代（中）

第三次工業(yè)革命：電子信息化時(shí)代（右）

我們都知道，能源是工業(yè)的糧食，每一次能源變革都伴隨著一次工業(yè)革命。煤炭 的廣泛使用使人類經(jīng)歷了蒸汽時(shí)代；油氣和電力的廣泛使用帶領(lǐng)人類進(jìn)入了電氣時(shí)代。人類現(xiàn)在正在經(jīng)歷第三次工業(yè)革命，也就是我們通常所說的電子信息化時(shí)代，其能源變 革的主要特征是可再生能源逐步替代化石能源，成為主力能源。

除了和工業(yè)聯(lián)系密切，能源也與我們的日常生活息息相關(guān)。我國的“雙碳”目標(biāo)力爭(zhēng)在 2030 年 前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，其主要手段就是提高可再生能源的應(yīng)用比例，用以替代化石能源。 我們的目標(biāo)是： 2025 年可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比將超過 50%（已實(shí)現(xiàn)） ， 2060 年非化石能源的能源消費(fèi)占比要達(dá)到 80% 。

▲ 風(fēng)力發(fā)電（左）與太陽能光伏發(fā)電（右）

圖片來源：新華網(wǎng)

但是，可再生能源和化石能源相比有一個(gè)鮮明的特點(diǎn)，或者說缺點(diǎn)，那就是它的不可控性——我們通常講叫“靠天吃飯”。具體地說，就是間歇性、波動(dòng)性和周期性。所謂間歇性是指有時(shí)候有、有時(shí)候沒有；所謂波動(dòng)性就是有的時(shí)候也不穩(wěn)定；而周期性是指隨著時(shí)間和季節(jié)，比如白天、晚上還有四季的變化，有周期性的波動(dòng)。

這種不可控性會(huì)帶來什么后果或者影響呢？我們先來看看傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

▲ 通過電網(wǎng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)將電力從發(fā)電廠發(fā)出來之后，通過輸、配到達(dá)用戶。用戶端的負(fù)荷是不可控的，而發(fā)電端是可控的，電力系統(tǒng)通過控制發(fā)電端出力進(jìn)行電網(wǎng)的調(diào)度，來配合負(fù)荷的變化，達(dá)到實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的目的。

▲ 通過儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡

隨著可再生能源的大規(guī)模發(fā)展，電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)都安裝了大量的不可控的可再生能源，這就為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行、控制和安全帶來了很大影響，甚至造成很多發(fā)出來的電無法上網(wǎng)的情況，也就是我們通常所說的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。那么如何解決這個(gè)問題？根本上要靠儲(chǔ)能來實(shí)現(xiàn)平衡。

就好比一個(gè)供水系統(tǒng)：進(jìn)水管是不穩(wěn)定的，出水管也是不穩(wěn)定的，那就需要修建一個(gè)水池來保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在電力系統(tǒng)當(dāng)中，它需要的這個(gè)水池就是儲(chǔ)能。

▲ 終極科學(xué)問題： 儲(chǔ)能的未來是什么？

根據(jù)預(yù)測(cè)，在未來以可再生能源為主的電力系統(tǒng)當(dāng)中，儲(chǔ)能裝機(jī)占比要達(dá)到10%-15%。正由于儲(chǔ)能的重大戰(zhàn)略需求，它被《科學(xué)》列為人類面臨的125個(gè)終極科學(xué)問題之一，同時(shí)它也是第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)和國家的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

▲ 物理儲(chǔ)能（上）：抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷；化學(xué)儲(chǔ)能（下）：鉛酸電池、鋰離子電池、鈉電池、液流電池

目前已有的儲(chǔ)能技術(shù)大致可以分為兩類：一類是物理儲(chǔ)能，包括抽水蓄能、壓縮空氣、蓄熱和飛輪等；另一類是化學(xué)儲(chǔ)能，主要包括各種電池，如我們經(jīng)常用到的鉛酸電池、鋰電池、鈉電池和液流電池等。

不同的儲(chǔ)能技術(shù)有不同的性能特點(diǎn)。 從左圖中，可以看出不同儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)存時(shí)間和功率有各自的適用特點(diǎn)。同時(shí)，從右圖中可以看到整個(gè)電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的需求也不同，也就說對(duì)儲(chǔ)能有著不同的性能要求。

如果我們把這兩張圖放在一起，就會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的儲(chǔ)能技術(shù)有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。 我們今天所提到的空氣充電寶，也就是壓縮空氣儲(chǔ)能，它在這張圖的右上角，是一項(xiàng)比較適合于大規(guī)模、長時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)。

我為什么選擇壓縮空氣儲(chǔ)能作為自己的研究方向呢？ 最主要就是因?yàn)閴嚎s空氣儲(chǔ)能有著優(yōu)異的性能，它的規(guī)模大、壽命長、儲(chǔ)能的周期不受限制、建設(shè)和運(yùn)行成本低。其 次，壓縮空氣儲(chǔ)能所涉及的學(xué)科主要包括動(dòng)力工程和工程熱物理，正好 是我所在的工程熱物理所的主流學(xué)科。 而且，壓縮空氣儲(chǔ)能所涉及的壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、蓄熱換熱還 有工程熱力學(xué)，我都有相應(yīng)的研究基礎(chǔ)。

還有另外一個(gè)原因。2004年我開始做壓縮空氣儲(chǔ)能研究時(shí)，國內(nèi)基本上處于一個(gè)空白狀態(tài)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)可再生能源的應(yīng)用比例非常低，只有百分之零點(diǎn)幾。很多關(guān)心我的老先生也曾經(jīng)提醒我：“進(jìn)去4度電，出來3度電，海生你好好考慮，這個(gè)研究方向?qū)Σ粚?duì)?！?/p>

但是考慮到既然可再生能源是我們的發(fā)展趨勢(shì)，儲(chǔ)能在未來就一定會(huì)有大的發(fā)展前景，我就堅(jiān)持下來了。現(xiàn)在回頭看，能夠把自己的研究興趣、工作以及具有發(fā)展前景的創(chuàng)新性方向結(jié)合在一起，真的是一種幸運(yùn)。

傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能存在哪些問題？

已完成：30%//////////

那到底什么是壓縮空氣儲(chǔ)能？

▲ 人類似壓縮機(jī)，氣球相當(dāng)于儲(chǔ)氣室，風(fēng)車相當(dāng)于膨脹機(jī)

其實(shí)它的基本原理很簡(jiǎn)單，就是在用電低谷的時(shí)候通過壓縮機(jī)把空氣壓縮成高壓空氣，就好比我們吹氣；將它存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣裝置中，如圖中的這個(gè)氣球；在用電高峰的時(shí)候釋放高壓空氣，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)，類似我們吹風(fēng)讓風(fēng)車旋轉(zhuǎn)起來，就可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電了。

▲ 我們的祖先在 1000 前就使用過

我們做基礎(chǔ)研究一般都先去看文獻(xiàn)，查一下前人做了哪些工作。我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，我們的祖先在1000年前就使用過壓縮空氣儲(chǔ)能。宋朝的《朱子語類》就記載了我們用水輪機(jī)鼓 韛 （bài，一種皮囊）為煉鐵爐鼓風(fēng)的操作。實(shí)際上這是世界上最早的壓縮空氣儲(chǔ)能，而且它用水能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這可是可再生能源加儲(chǔ)能，是現(xiàn)在最前沿、最熱門的研究方向！

▲ 第一個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)專利

第一個(gè)現(xiàn)代的壓縮空氣儲(chǔ)能專利是美國在1943年申請(qǐng)的，1948年獲得了授權(quán)。

▲ 德國 Huntorf 電站：

第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行的現(xiàn)代壓縮空氣儲(chǔ)能電站

而第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行的現(xiàn)代壓縮空氣儲(chǔ)能電站，是德國在1978年建成Huntorf電站。在用電低谷的時(shí)候，它通過壓縮機(jī)將空氣壓縮存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣洞穴當(dāng)中；在用電高峰的時(shí)候，高壓空氣釋放，同燃料燃燒產(chǎn)生的高壓、高溫空氣一起驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)發(fā)電。從建成到現(xiàn)在，Huntorf電站已經(jīng)運(yùn)行了40多年，仍具有很好的效果，非常穩(wěn)定，可靠性也很強(qiáng)。

但是，這種傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能在推廣的過程中發(fā)現(xiàn)了 問題： 第一，它依賴于地理?xiàng)l件； 第二，依賴于化石燃料； 第三，系統(tǒng)的效率相對(duì)較低。

究其原因主要有三個(gè)方面。 一個(gè)就是空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱沒有回收。我們?cè)谏钪杏羞@個(gè)感受： 用氣筒給自行車打氣的時(shí)候，氣筒會(huì)發(fā)熱，這個(gè)就是壓縮熱，而傳統(tǒng)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)沒有回收壓縮熱。 其次，空氣的儲(chǔ)能密度比較低，所以需要大規(guī)模的儲(chǔ)氣裝置。 第三，壓縮、膨脹等系統(tǒng)過程相互獨(dú)立，使得它的總體效率不高。

▲ 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能總體思路

那么，如何解決這些問題？ 我們的總體思路就是通過壓縮熱的回收，氣體高壓或者液化的高密度存儲(chǔ)，以及高效過程和耦合匹配，同時(shí)解決這三個(gè)問題。

具體地說，我們首先在空氣壓縮的過程中，通過換熱器將壓縮機(jī)的壓縮熱交換、回收回來，再在蓄熱器當(dāng)中存儲(chǔ)起來。 在發(fā)電的時(shí)候，膨脹機(jī)再通過蓄熱器回收熱量，從而擺脫對(duì)化石燃料的依賴。

其次，通過壓力容器球形儲(chǔ)罐或者液態(tài)的杜瓦罐等儲(chǔ)氣裝置，擺脫對(duì)地理?xiàng)l件的依賴。

最后，通過高效的壓縮和膨脹、釋熱和放熱，來提高單個(gè)過程的效率。同時(shí)，我 們?cè)趬嚎s和膨脹、儲(chǔ)熱和釋熱的過程中，盡量使這兩個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)與過程相匹 配，也就是讓我們右上圖中的紅線和綠線接近，從而使它的損失更小、效率更高。

基于這三項(xiàng)技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了先進(jìn)的壓縮空氣儲(chǔ)能。它的工作原理是在用電低谷期，將空氣壓縮、存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣裝置當(dāng)中，同時(shí)回收它的壓縮熱；在用電高峰時(shí)釋放高壓空氣，將存儲(chǔ)的熱回收回來，最后實(shí)現(xiàn)用高溫高壓的空氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)發(fā)電。

從理論到設(shè)計(jì)制造

已完成：50%//////////

以上只是先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能的想法，如果要把這個(gè)思路變成原型機(jī)或者樣機(jī)，又有很多挑戰(zhàn)：首先，我們的理論分析往往都是單學(xué)科的，而原型機(jī)往往是多學(xué)科的；第二，理論分析只要理論可行就可以了，而制造出原型機(jī)必須實(shí)踐上可以制造。

以膨脹機(jī)為例。 我們首先開展了空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究，研究其內(nèi)部詳細(xì)的流場(chǎng)漩渦結(jié)構(gòu)、二次流和泄露流，在此基礎(chǔ)上得到它的損失機(jī)理，獲得相應(yīng)的關(guān)系式。

▲ 氣動(dòng)設(shè) 計(jì)（左）、強(qiáng)度設(shè)計(jì)（中）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（右）

接著，我們將基礎(chǔ)研究的成果應(yīng)用到設(shè)計(jì)軟件當(dāng)中，開展氣動(dòng)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而完成它的部件設(shè)計(jì)。

▲ 部件加工

在部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，我們?cè)龠M(jìn)行部件的加工、裝配和測(cè)試，最后形成膨脹機(jī)的總裝系統(tǒng)。

▲ 總裝集成

這是我們10MW（兆瓦）膨脹機(jī)的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)有4000多個(gè)部件，其中40%是通用的，60%是非標(biāo)準(zhǔn)件。由于我們是第一個(gè)開展相關(guān)的研究，所以這些非標(biāo)準(zhǔn)件都需要自主地設(shè)計(jì)、加工和制造。

這樣，我們就實(shí)現(xiàn)了從機(jī)理研究，到部件設(shè)計(jì)，再到樣機(jī)集成的整個(gè)跨越。

從1千瓦到100兆瓦的征途

已完成：60%//////////

但是，要實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用，又要從實(shí)驗(yàn)室的部件、實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)向工程示范轉(zhuǎn)變，這就帶來了更多的挑戰(zhàn)。

首先，它的復(fù)雜程度要實(shí)現(xiàn)從部件層面到系統(tǒng)層面的轉(zhuǎn)變；第二，要實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室里的可運(yùn)行樣機(jī)到工程示范，或者說每次都要可靠地運(yùn)行的轉(zhuǎn)變；最后，在實(shí)驗(yàn)室里只要造得出就可以了，到工程示范又要考慮到用得起，也就是它的經(jīng)濟(jì)性，要實(shí)現(xiàn)這第三個(gè)轉(zhuǎn)變。

為了實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到工程示范的轉(zhuǎn)變，我們采取了逐步放大、穩(wěn)步提升的策略，從1千瓦、15千瓦、1.5兆瓦、10兆瓦、100兆瓦，一步一步地扎實(shí)地推進(jìn)，保證我們從一個(gè)勝利走向另一個(gè)勝利。

▲ 1kW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

2010年，中關(guān)村，5㎡

這是我們?cè)?010年于中關(guān)村建成的1千瓦壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，它主要進(jìn)行了概念的驗(yàn)證和系統(tǒng)的分析，它的占地面積為15平方米。

▲ 15kW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

2011年，中關(guān)村，70㎡

在此基礎(chǔ)上，我們?cè)?011年完成了中關(guān)村15千瓦的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要開展的是基礎(chǔ)研究和設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。我們可以看到它占地有70平方米左右。

▲ 1.5MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)

2013年，河北廊坊，400㎡

在我國863項(xiàng)目和其他項(xiàng)目的支持下，2013年，我們?cè)诤颖崩确唤ǔ闪藝H首套1.5兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能的示范項(xiàng)目，整個(gè)占地面積為400平方米，系統(tǒng)效率可以達(dá)到52.1%。

▲ 10MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)

2016年，貴州畢節(jié)，1500㎡

2016年，在國家的973項(xiàng)目、國家發(fā)改委和國家能源局的支持下，我們?cè)谫F州畢節(jié)建成了國際首套的10兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能的示范系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達(dá)到了60.2%。

從上面的視頻中我們可以看出，這套10兆瓦的系統(tǒng)包括了多級(jí)壓縮機(jī)、壓縮機(jī)電機(jī)、蓄熱器、換熱器、發(fā)電機(jī)、膨脹機(jī)等裝置。它同時(shí)還包括控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電控系統(tǒng)還有整個(gè)中控室，系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行超過4000個(gè)小時(shí)。

▲ 100MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)

2021年，河北張家口，6000㎡

在此基礎(chǔ)上，我們?cè)?021年底建成了河北張家口國際首套100兆瓦的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，這是整個(gè)示范項(xiàng)目的鳥瞰圖。

▲ 主廠房（左） 中控室（右）

這是已經(jīng)建成的主廠房和中控室。

整個(gè)建設(shè)過程中涌現(xiàn)出很多感人的故事。張家口是遠(yuǎn)近聞名的風(fēng)電場(chǎng)，主要是因?yàn)檫@個(gè)地方的風(fēng)大，而我們整個(gè)建設(shè)都在 冬天。張家口冬天的最低氣溫可以達(dá)到零下25 °C ，但是由于風(fēng)大，體感溫度能達(dá)到零下40 °C 。

我們看到，左邊 這張照片是廠房內(nèi)部，門口有積雪，右邊是晚上加班加點(diǎn)趕工期的過程。由于我們經(jīng)常要搬運(yùn)設(shè)備，來不及關(guān)這個(gè)廠門，所以風(fēng)雪就吹進(jìn)來，當(dāng)時(shí)的條件還是非常艱苦的。在這樣艱苦的條件下，2021年冬天，我們團(tuán)隊(duì)有20多人在張家口出差超過90天，真的很令人感動(dòng)，確實(shí)體現(xiàn)了科技工作者的使命擔(dān)當(dāng)和家國情懷。

這張照片是2021年12月31號(hào)晚上10點(diǎn)46分，我們整個(gè)項(xiàng)目成功并網(wǎng)送電之后大家的合影。中間“C位”的這位女士是我們的測(cè)試工程師付文秀，她也是一個(gè)1歲多孩子的媽媽，大家都親切地叫她秀秀。

為了實(shí)現(xiàn)我們的按期并網(wǎng)，搶在2021年年底之前并網(wǎng)送電、帶電調(diào)試，她堅(jiān)持工作了103天，所以大家在慶祝合影的時(shí)候都堅(jiān)決要求她站在中間?；貋碇笪覇査f：秀秀，苦不苦？她說：確實(shí)任務(wù)重、壓力大，但是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)送電的那一刻，我心里真的特別激動(dòng)，這種幸福感和成就感不是一般人能夠體會(huì)的。

關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能的“長征”

已完成：80%//////////

相對(duì)于10兆瓦，100兆瓦系統(tǒng)的效率將提高10%，規(guī)模提高一個(gè)數(shù)量級(jí)（擴(kuò)大10 倍），成本下降30%，其性能指標(biāo)優(yōu)于國際同等規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

現(xiàn)在全國已經(jīng)建成了6臺(tái)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的有20多套。

未來我們還要做好三件事情：一是現(xiàn)有技術(shù)的推廣和應(yīng)用；二是更大規(guī)模的系統(tǒng)研發(fā)，比如300兆瓦系統(tǒng)；第三就是不斷研發(fā)新的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，不斷提高效率和其他性能。

相信隨著可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展，可再生能源將經(jīng)歷可再生能源補(bǔ)貼，可再生能源平價(jià)，再到可再生能源+儲(chǔ)能平價(jià)的時(shí)代。只有可再生能源＋儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)平價(jià)，人類的可再生能源時(shí)代才會(huì)真正到來。

在1934年到1936年，中國工農(nóng)紅軍經(jīng)歷了兩萬五千里的長征，是中國革命走向勝利的重大轉(zhuǎn)折。那這張圖展示的，就是我們團(tuán)隊(duì)關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能的長征。

18年來，我們團(tuán)隊(duì)始終秉持著理想、專注、堅(jiān)持、創(chuàng)新的方針，無論是在技術(shù)困難還是經(jīng)費(fèi)困難的時(shí)候，我們始終堅(jiān)守、埋頭苦干，實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到關(guān)鍵技術(shù)到集成示范再到產(chǎn)業(yè)化的跨越，也實(shí)現(xiàn)了從千瓦級(jí)到兆瓦級(jí)，再到百兆瓦的跨越。無論是論文、專利還是系統(tǒng)性能指標(biāo)，我們均達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。最近，我們的100兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能也通過技術(shù)入股實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

研發(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能、應(yīng)用壓縮空氣儲(chǔ)能是我們的夢(mèng)想、我們的使命，也是我們的責(zé)任。

最后要感謝我的團(tuán)隊(duì)，所有的工作都是他們做的，我只是代表他們來做報(bào)告。能和一幫志同道合的人一起奮進(jìn)前行，真的是我的幸運(yùn)。

最后用《 何為芳華》來結(jié)束我的報(bào)告吧：

最美好的生活不 是躺在床上睡到自然醒，

也不是坐在家里無所事事，

更不是走在街上隨意購物。

而是和一群志同道合的人，

一起奔跑在理想的道路上，

回頭有一路的故事，

低頭有堅(jiān)定的腳步，

抬頭有清晰的遠(yuǎn)方。

謝謝大家！

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