二氧化碳儲能，儲能界的“新質(zhì)生產(chǎn)力”

• 二氧化碳儲能技術(shù)成為解決可再生能源大規模并網(wǎng)挑戰的關(guān)鍵技術(shù)之一,能滿(mǎn)足“長(cháng)時(shí)儲能”、“安全環(huán)保”和“快速落地”。

• 博睿鼎能作為一家從中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所走出的科技公司,以其獨創(chuàng )的“新型二氧化碳儲能”解決方案,不僅成功實(shí)現了二氧化碳的高效利用,還推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的規?；?、標準化和商業(yè)化進(jìn)程。             

00 引言

在剛剛落幕的全國兩會(huì )上,“新質(zhì)生產(chǎn)力”成為了當仁不讓的高頻詞,并被列為2024年十大工作任務(wù)之首。

新質(zhì)生產(chǎn)力,區別于傳統生產(chǎn)力,是生產(chǎn)力“質(zhì)的躍遷”。

回望人類(lèi)生產(chǎn)方式的演進(jìn)史,從狩獵時(shí)代到農耕時(shí)代,從機械化、電氣化再到信息化的三次工業(yè)革命,能源轉型均發(fā)揮了極為重要的作用。

目前,全球電力行業(yè)處于從“化石能源”轉型為“可再生能源”的關(guān)鍵時(shí)期。然而,新的挑戰出現了——以“風(fēng)電和太陽(yáng)能”為代表的可再生能源,其發(fā)電的隨機性、間歇性、波動(dòng)性對現有發(fā)電系統造成了巨大的結構性壓力。

一種同時(shí)滿(mǎn)足“大容量、長(cháng)時(shí)間”的新型儲能技術(shù)迫在眉睫。

今年“兩會(huì )”上,全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員張振濤表示:“二氧化碳壓縮儲能和空氣壓縮儲能,是解決可再生能源大規模發(fā)電并網(wǎng)的最佳新型儲能技術(shù)之一,建議給予新型長(cháng)時(shí)物理儲能技術(shù)非歧視性政策,真正做到以實(shí)際行動(dòng)支持新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。”

張振濤提及的“二氧化碳儲能”是何種技術(shù)?又該如何實(shí)現大規模的商業(yè)化應用?

01 新型長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)登上舞臺

1746年,荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克教授用兩片金屬箔和一塊玻璃組成了一個(gè)電容器,這就是人類(lèi)最早的儲電裝置——“萊頓瓶”。彼時(shí)的“萊頓瓶”只能存放“有限”電荷;今天,人們開(kāi)始尋找一個(gè)能夠儲存巨量電能的“萊頓瓶”。

首先進(jìn)入大眾視線(xiàn)的是風(fēng)電、光伏儲能。多年來(lái),我國風(fēng)電、光伏的裝機總量快速增長(cháng),連續多年位居世界第一,但是由于風(fēng)光發(fā)電不穩定,以及風(fēng)光發(fā)電曲線(xiàn)與電力消費曲線(xiàn)的差異,導致調峰難度越來(lái)越大,進(jìn)而影響風(fēng)光消納。

從數據中我們也可以略窺一二。據《中國能源報》不完全統計,截至2023年7月,一年之內,山西、陜西、安徽、江西、河北等地陸續公布最新風(fēng)光項目廢止名單,擬廢止的項目總裝機規模已超過(guò)1000萬(wàn)千瓦。

一方面是能源不夠用;另一方面是“一哄而上”的產(chǎn)能“過(guò)剩”……這背后的矛盾如何調節?

能否創(chuàng )造出一個(gè)巨大的“萊頓瓶”,將消納不掉的風(fēng)光發(fā)電量?jì)Υ嫫饋?lái),在用電高峰時(shí)放電,不僅可以有效地調節電網(wǎng)供需,還能提升電力系統的運行效率,同時(shí)做到綠色低碳?

由此,“新型儲能”登上了歷史舞臺。但面對“百花爭艷”的新技術(shù),誰(shuí)才能擔此重任?

第一個(gè)條件,要能滿(mǎn)足“長(cháng)時(shí)儲能”。

長(cháng)期以來(lái),行業(yè)之外都存在一個(gè)誤區——增加儲能可以解決風(fēng)光消納95%以上的問(wèn)題。

這個(gè)觀(guān)點(diǎn)非常片面。舉個(gè)例子,如果你想一次性存放3噸水,是選擇“礦泉水瓶”,還是選擇一個(gè)游泳池?

同樣的道理,想要消納巨量的風(fēng)光發(fā)電,用再多的“礦泉水瓶”——“短時(shí)儲能”也不夠。

根據充放電時(shí)長(cháng),國內一般將儲能技術(shù)劃分為“短時(shí)儲能”(<4小時(shí))和“長(cháng)時(shí)儲能”(≥4小時(shí))。

長(cháng)時(shí)儲能——以抽水蓄能、壓縮空氣儲能、二氧化碳儲能、液流電池為代表;

短時(shí)儲能——以鋰離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池、超級電容為代表。

我們可以將“短時(shí)儲能”想象為一個(gè)迷你“充電寶”,靈活性強、可應急,也能滿(mǎn)足小時(shí)級別的調峰調頻需求。但因為容量有限,系統在充電時(shí)很快就會(huì )飽和。

“長(cháng)時(shí)儲能”更像是露營(yíng)用的“戶(hù)外電源”,儲能容量大,在風(fēng)光消納中起到了“乾坤大挪移”的作用,實(shí)現跨天、跨月,乃至跨季節的充放電循環(huán),滿(mǎn)足新型電力系統負荷增加的需求。

想要消納龐大的風(fēng)光發(fā)電量,迷你的“短時(shí)儲能”顯然不夠用,大體格“長(cháng)時(shí)儲能”則能將其“吞下”,并適用于長(cháng)時(shí)段電網(wǎng)調峰、可再生能源并網(wǎng)等場(chǎng)景。

而且,從“雙碳”的長(cháng)周期路徑來(lái)看,越到后期越需要“長(cháng)時(shí)儲能”。據預測,當風(fēng)光發(fā)電占電力系統比例達50%-80%時(shí),儲能時(shí)長(cháng)需要滿(mǎn)足10小時(shí)以上。

第二個(gè)條件,要能滿(mǎn)足“安全環(huán)保”。

儲能技術(shù)大致可以劃分為電化學(xué)儲能和物理儲能兩大類(lèi),不同技術(shù)的成熟度也不盡相同:

在電化學(xué)儲能中,鋰離子電池技術(shù)最為成熟,已經(jīng)成為全球電能存儲的主流;以釩電池為代表的液流電池發(fā)展較晚。

在物理儲能中,除了傳統的抽水蓄能之外,壓縮空氣儲能最為成熟,且在全國范圍內已有多個(gè)示范項目落地。

雖然目前來(lái)看,鋰離子電池以超90%的市場(chǎng)份額,成為了儲能市場(chǎng)當之無(wú)愧的“王”,為電化學(xué)儲能路線(xiàn)拔得頭籌。

但其背后的安全問(wèn)題不容忽視——2011-2021年間,全球共報道了32起儲能電站起火爆炸事故,其中25起都與鋰離子電池相關(guān)。

一方面,電池系統存在本征缺陷,過(guò)充容易出現內部短路;另一方面,儲能裝置多被安裝在遠郊地區,諸如荒漠、山地、海邊,晝夜溫差引發(fā)反復冷凝現象并吸附灰塵,進(jìn)而損壞接地部分的絕緣層,引起火災。

雖然我們可以通過(guò)補齊安全標準,盡量避免悲劇發(fā)生。但從本質(zhì)上看,鋰離子電池的“安全”只是“相對意義”。

因為鋰離子電池采用的有機電解質(zhì)不具備可逆分解與復原,當電池被重復充電或受外力作用時(shí),鋰離子會(huì )在負極表面析出,不可逆地形成固態(tài)金屬鋰。而金屬鋰是導致鋰電安全問(wèn)題的罪魁禍首,這些問(wèn)題在大容量動(dòng)力電池上會(huì )更加嚴重,即便采用BMS(電池管理系統)也無(wú)法從根本解決。

再來(lái)看以釩電池為代表的液流電池,雖然能夠做到“安全”,但和鋰離子電池類(lèi)似,其原料涉及化學(xué)污染、電化學(xué)安全問(wèn)題,更關(guān)鍵的是系統初裝成本還是居高不下。其電解液使用量較大,儲能系統退役后也將涉及回收處理鏈條冗長(cháng)復雜的問(wèn)題。

由此,同時(shí)滿(mǎn)足“大規模、長(cháng)時(shí)、安全、環(huán)保”的物理儲能路線(xiàn)則優(yōu)勢凸顯。

例如“抽水蓄能”和“壓縮空氣儲能”,儲能介質(zhì)為“水”和“空氣”,綠色安全。

尤其是“壓縮空氣儲能”家族中的“二氧化碳儲能”,能夠將二氧化碳“變廢為寶”,深度嵌入“碳捕集、封存與利用”(CCUS)各個(gè)環(huán)節,進(jìn)一步促成“雙碳”目標。

第三個(gè)條件,要能滿(mǎn)足“快速落地”。

雖然,抽水蓄能滿(mǎn)足“長(cháng)時(shí)儲能”和“物理儲能”,且發(fā)展最為成熟,已經(jīng)被廣泛投入建成,但其限制條件頗多——選址困難,能量密度較低,總投資較高,且建設周期長(cháng)(5-10年)。

當建設速度趕不上新型電力系統的發(fā)展速度,抽水蓄能留下的市場(chǎng)空缺就開(kāi)始逐漸被新型長(cháng)時(shí)儲能系統擠占——同時(shí)滿(mǎn)足建設周期短、環(huán)境影響小、選址要求低等特點(diǎn),適于在短期內增加規模,能夠快速投入使用。

在此背景下,壓縮空氣儲能“家族”被視為最具發(fā)展潛力的物理儲能技術(shù)。

壓縮空氣儲能方面,我國總體實(shí)現了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑。首先,研發(fā)進(jìn)程遙遙領(lǐng)先,我國率先研發(fā)了十兆瓦、百兆瓦項目;其次,系統效率位列全球首位,300MW級壓縮空氣儲能電站儲能效率已上升至70%以上。

二氧化碳儲能方面,早于2013年,我國已有研究團隊成功研發(fā)了移動(dòng)式二氧化碳壓縮儲能裝置;近些年更是突破性地研發(fā)了新型二氧化碳儲能技術(shù)。該技術(shù)具有循環(huán)效率高、建設難度低、運行壽命長(cháng)、系統成本低、契合碳捕捉技術(shù),和不受地理條件限制等特點(diǎn),在全球位列前沿。

據悉,該研究團隊自研自產(chǎn)的二氧化碳儲能系統儲能電-電效率最高可至75%,可以實(shí)現30年以上的使用壽命,度電成本低至0.25元/KWh左右。

從項目進(jìn)展看,2023年8月,我國已經(jīng)建成國內首套百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證項目;10月完成項目系統聯(lián)調聯(lián)試;12月立項備案國際首套100MW/400MWh二氧化碳儲能商業(yè)化電站……

可以預見(jiàn),前方有我國研究人員的持續攻關(guān),壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能將在儲能市場(chǎng)上大放異彩。

那么,我們縱深對比,這兩種儲能技術(shù)各自有什么特點(diǎn)?誰(shuí)更勝一籌?

02 長(cháng)時(shí)+安全+商業(yè)化,如何“既要、又要、還要”?

壓縮空氣儲能(CAES)在用電低谷,通過(guò)壓縮機把空氣壓縮成高壓空氣,在用電高峰,釋放高壓空氣,驅動(dòng)膨脹機就可以驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。

隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展,壓縮空氣儲能(CAES)也在不斷進(jìn)化。

1.0版本-補燃式壓縮空氣儲能(D-CAES)——熱量回收率差,需要燃燒大量化石燃料輔助發(fā)電,已經(jīng)被時(shí)代淘汰;2.0版本-非補燃式壓縮空氣儲能(AA-CAES)——實(shí)現了無(wú)燃燒、零碳排,但對系統熱效率要求高,實(shí)現難度相對較高;2.5版本-液化空氣儲能(LAES)——直接進(jìn)入“液化單元”儲能,減少熱能浪費,降低儲存空間要求。但空氣的液化條件過(guò)于苛刻,導致建設成本較高、實(shí)現難度大,影響進(jìn)一步批量落地。

當前我國實(shí)現商業(yè)化落地的壓縮空氣儲能系統,主要還是2.0版本AA-CAES。

然而,技術(shù)的革命性突破有時(shí)只需轉一個(gè)彎——將液化“空氣”換成更容易液化的氣體,是否就可以“魚(yú)和熊掌得兼”,一舉實(shí)現“高效+易落地”?

于是,壓縮空氣儲能家族的3.0版“黑科技”——二氧化碳儲能(CCES),登上了歷史舞臺。

將空氣換成二氧化碳有哪些好處?

首先,安全第一。二氧化碳無(wú)毒、不易燃、安全等級達到A1,泄漏風(fēng)險低,用起來(lái)大膽放心。

其次,液化條件簡(jiǎn)單。二氧化碳在常溫31℃以下,70個(gè)標準大氣壓下,即可液化保存。其存儲條件相較于液態(tài)空氣(-193℃)簡(jiǎn)單很多,也便宜很多;

再次,臨界二氧化碳(S-CO2)具備優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)。二氧化碳在31℃,74個(gè)標準大氣壓以上進(jìn)入超臨界區,會(huì )變成兼具液態(tài)高密度氣態(tài)低粘度特性的超臨界狀態(tài),黏度小、密度大、導熱性能好,有利于系統運行過(guò)程中的高效儲熱和換熱,明顯優(yōu)于當前用于火電發(fā)電的高壓水蒸汽。

從數據來(lái)看,二氧化碳儲能(CCES)的電-電效率最高可達70%以上,液態(tài)儲存溫度僅為常溫,沒(méi)有其他能量損失,這兩項關(guān)鍵參數明顯優(yōu)于液態(tài)空氣儲能(LAES)。

這意味著(zhù),二氧化碳儲能(CCES)同時(shí)具備“更小的身板擁有更大的能量”。

從成本來(lái)看,二氧化碳儲能(CCES)系統雖然需要配備額外配置低壓氣體儲存裝置,產(chǎn)生了一定的原料和用地成本;但得益于二氧化碳的大分子量,系統所涉及的設備如壓縮機、膨脹機等的尺寸也更小、更緊湊,實(shí)際加工成本也隨之降低。目前,由國內公司博睿鼎能開(kāi)發(fā)的二氧化碳儲能系統,全生命周期度電成本最低可達0.25元/kWh,已逼近抽水蓄能的度電成本,未來(lái)的成本優(yōu)化空間也將更加明顯。

而更為關(guān)鍵的是,二氧化碳儲能系統(CCES)是一個(gè)典型的二氧化碳利用場(chǎng)景,可以深度嵌入“碳捕集、封存與利用”(CCUS)各個(gè)環(huán)節,為“雙碳”目標提供了一條可行的思路。

我們以一套100MW/600MWh的二氧化碳儲能系統為例。短短幾小時(shí),該系統就能完成一次充放電,一次完全放電高達60萬(wàn)度。按我國人均每日用電2度計算,可以滿(mǎn)足30萬(wàn)人口,也就是一個(gè)小縣城居民一天的用電需求。

正是出于更高的儲能密度、更低的儲能壓力、更優(yōu)的環(huán)境兼容性,二氧化碳儲能(CCES)展現出了其無(wú)可替代的成本效益,以及可再生能源調度能力。

接下來(lái),商業(yè)化也就成為了一件順其自然的事情。

03 二氧化碳儲能:大規模商業(yè)化的先行嘗試

2022年6月,意大利Energy Dome公司成功建成了一套4MWh的“二氧化碳電池”試點(diǎn)項目,這也是世界上首個(gè)二氧化碳儲能示范項目。

幾乎是相同的時(shí)間,2022年4月,一家名為“博睿鼎能”的中國公司從中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所走出,并以其獨有的“新型二氧化碳儲能”解決方案,成為“雙碳”背景下的優(yōu)秀答卷人。

不同于全球其他二氧化碳儲能“玩家”,博睿鼎能是唯一一家中國人控股的公司,也是該技術(shù)領(lǐng)域國內唯一一家科研產(chǎn)業(yè)一體化團隊。

在“雙碳”方面,博睿鼎能二氧化碳儲能技術(shù)能夠契合CCUS技術(shù)趨勢,實(shí)現二氧化碳“變廢為寶”。

例如,在用戶(hù)側,博睿鼎能和中科院理化所團隊不僅將二氧化碳制冷、熱泵與儲能耦合,打造了某央企綜合零碳電廠(chǎng)示范項目等;同時(shí)將工業(yè)園區的余熱、廢熱與二氧化碳儲能系統耦合,進(jìn)一步研究綜合性能源系統優(yōu)化,提高了二氧化碳儲能系統綜合能源效率。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面,博睿鼎能采用矩陣式二氧化碳儲能技術(shù),高壓側二氧化碳能以超臨界態(tài)或高壓液態(tài)形式儲存,膨脹后和低壓側能以氣態(tài)或液態(tài)形式儲存。

一套“組合拳”下來(lái),博睿鼎能的二氧化碳儲能系統,電-電效率最高可達75%,可以實(shí)現30年以上的使用壽命,度電成本低至0.25元/KWh左右。與此同時(shí),相較于其他二氧化碳儲能技術(shù)路線(xiàn),博睿鼎能二氧化碳儲能組合形式更為多樣,可以不依賴(lài)鹽穴與人工硐室,靈活滿(mǎn)足不同場(chǎng)景。

雖然公司創(chuàng )立不到兩年,但博睿鼎能的“技術(shù)護城河”在十幾年前就已經(jīng)悄然建成。

作為中國科學(xué)院成果轉化的科技公司,早于2011年,博睿鼎能的研究團隊就依托國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等科研課題創(chuàng )新性地開(kāi)展二氧化碳儲能系統的實(shí)驗研究,掌握二氧化碳液化蓄冷、熱泵蓄熱、動(dòng)力裝備及協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù),學(xué)術(shù)論文和專(zhuān)利碩果累累。

然而,眼見(jiàn)為實(shí),無(wú)論技術(shù)有多么先進(jìn),如果沒(méi)有一套裝置去驗證,一切都是空中樓閣。

基于“從科研小試到大規模應用”的愿景,2023年8月,博睿鼎能建成了國內首套百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證項目;10月完成項目系統聯(lián)調聯(lián)試;12月立項備案國際首套100MW/400MWh二氧化碳儲能商業(yè)化電站。

隨著(zhù)博睿鼎能將技術(shù)轉化為現實(shí),該公司也成為了“新型長(cháng)時(shí)儲能”賽道的中堅力量。據了解,未來(lái)博睿鼎能還將持續推進(jìn)技術(shù)迭代創(chuàng )新,挖掘應用場(chǎng)景,開(kāi)拓西北、華北、華中、華東等區域市場(chǎng),推進(jìn)二氧化碳儲能技術(shù)規?；?、標準化、商業(yè)化。

04 結語(yǔ)

據預測,2030年起,長(cháng)時(shí)儲能容量將達到2億-3億千瓦,需求約占新能源發(fā)電量的10%-20%,將成為維持系統平衡的重要調節手段。

在長(cháng)時(shí)儲能的解決方案中,壓縮空氣儲能(CAES)最為成熟,但其受地質(zhì)條件影響較大;液化空氣儲能(LCES)雖然擺脫地理條件限制,但系統循環(huán)效率大幅降低,而且空氣液化難度較大,建設成本較高。

相比之下,二氧化碳儲能(CCES)因其在環(huán)境效益和經(jīng)濟可行性方面的雙重優(yōu)勢,預計將成為一個(gè)革命性的升級解決方案。

二氧化碳儲能不僅提高了系統的循環(huán)效率和多場(chǎng)景的適應性,其利用溫室氣體作為儲能介質(zhì)的特點(diǎn),也為“減碳”提供了一個(gè)創(chuàng )新的途徑。

或許,它將帶領(lǐng)壓縮氣體儲能(CGES)產(chǎn)業(yè)迎接新的產(chǎn)業(yè)拐點(diǎn)。

(本文發(fā)布于微信公眾號“適道”,作者:郝佳豪、越云凱)