? 二氧化碳儲能技術成為解決可再生能源大規模并網挑戰的關鍵技術之一,能滿足“長時儲能”、“安全環保”和“快速落地”。

? 博睿鼎能作為一家從中國科學院理化技術研究所走出的科技公司,以其獨創的“新型二氧化碳儲能”解決方案,不僅成功實現了二氧化碳的高效利用,還推動了相關技術的規?；藴驶蜕虡I化進程。?????????????

00 引言

在剛剛落幕的全國兩會上,“新質生產力”成為了當仁不讓的高頻詞,并被列為2024年十大工作任務之首。

新質生產力,區別于傳統生產力,是生產力“質的躍遷”。

回望人類生產方式的演進史,從狩獵時代到農耕時代,從機械化、電氣化再到信息化的三次工業革命,能源轉型均發揮了極為重要的作用。

目前,全球電力行業處于從“化石能源”轉型為“可再生能源”的關鍵時期。然而,新的挑戰出現了——以“風電和太陽能”為代表的可再生能源,其發電的隨機性、間歇性、波動性對現有發電系統造成了巨大的結構性壓力。

一種同時滿足“大容量、長時間”的新型儲能技術迫在眉睫。

今年“兩會”上,全國政協委員、中國科學院理化技術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電并網的最佳新型儲能技術之一,建議給予新型長時物理儲能技術非歧視性政策,真正做到以實際行動支持新質生產力發展?！?/span>

張振濤提及的“二氧化碳儲能”是何種技術?又該如何實現大規模的商業化應用?

01?新型長時儲能技術登上舞臺

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

首先進入大眾視線的是風電、光伏儲能。多年來,我國風電、光伏的裝機總量快速增長,連續多年位居世界第一,但是由于風光發電不穩定,以及風光發電曲線與電力消費曲線的差異,導致調峰難度越來越大,進而影響風光消納。

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光項目廢止名單,擬廢止的項目總裝機規模已超過1000萬千瓦。

一方面是能源不夠用;另一方面是“一哄而上”的產能“過剩”……這背后的矛盾如何調節?

能否創造出一個巨大的“萊頓瓶”,將消納不掉的風光發電量儲存起來,在用電高峰時放電,不僅可以有效地調節電網供需,還能提升電力系統的運行效率,同時做到綠色低碳?

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

第一個條件,要能滿足“長時儲能”。

長期以來,行業之外都存在一個誤區——增加儲能可以解決風光消納95%以上的問題。

這個觀點非常片面。舉個例子,如果你想一次性存放3噸水,是選擇“礦泉水瓶”,還是選擇一個游泳池?

同樣的道理,想要消納巨量的風光發電,用再多的“礦泉水瓶”——“短時儲能”也不夠。

根據充放電時長,國內一般將儲能技術劃分為“短時儲能”(<4小時)和“長時儲能”(≥4小時)。

長時儲能——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“短時儲能”想象為一個迷你“充電寶”,靈活性強、可應急,也能滿足小時級別的調峰調頻需求。但因為容量有限,系統在充電時很快就會飽和。

“長時儲能”更像是露營用的“戶外電源”,儲能容量大,在風光消納中起到了“乾坤大挪移”的作用,實現跨天、跨月,乃至跨季節的充放電循環,滿足新型電力系統負荷增加的需求。

想要消納龐大的風光發電量,迷你的“短時儲能”顯然不夠用,大體格“長時儲能”則能將其“吞下”,并適用于長時段電網調峰、可再生能源并網等場景。

而且,從“雙碳”的長周期路徑來看,越到后期越需要“長時儲能”。據預測,當風光發電占電力系統比例達50%-80%時,儲能時長需要滿足10小時以上。

第二個條件,要能滿足“安全環?！?。

儲能技術大致可以劃分為電化學儲能和物理儲能兩大類,不同技術的成熟度也不盡相同:

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

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示范項目落地。

雖然目前來看,鋰離子電池以超90%的市場份額,成為了儲能市場當之無愧的“王”,為電化學儲能路線拔得頭籌。

但其背后的安全問題不容忽視——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。

一方面,電池系統存在本征缺陷,過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,晝夜溫差引發反復冷凝現象并吸附灰塵,進而損壞接地部分的絕緣層,引起火災。

雖然我們可以通過補齊安全標準,盡量避免悲劇發生。但從本質上看,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,鋰離子會在負極表面析出,不可逆地形成固態金屬鋰。而金屬鋰是導致鋰電安全問題的罪魁禍首,這些問題在大容量動力電池上會更加嚴重,即便采用BMS(電池管理系統)也無法從根本解決。

再來看以釩電池為代表的液流電池,雖然能夠做到“安全”,但和鋰離子電池類似,其原料涉及化學污染、電化學安全問題,更關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復雜的問題。

由此,同時滿足“大規模、長時、安全、環保”的物理儲能路線則優勢凸顯。

例如“抽水蓄能”和“壓縮空氣儲能”,儲能介質為“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)各個環節,進一步促成“雙碳”目標。

第三個條件,要能滿足“快速落地”。

雖然,抽水蓄能滿足“長時儲能”和“物理儲能”,且發展最為成熟,已經被廣泛投入建成,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(5-10年)。

當建設速度趕不上新型電力系統的發展速度,抽水蓄能留下的市場空缺就開始逐漸被新型長時儲能系統擠占——同時滿足建設周期短、環境影響小、選址要求低等特點,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”被視為最具發展潛力的物理儲能技術。

壓縮空氣儲能方面,我國總體實現了從跟跑、并跑到領跑。首先,研發進程遙遙領先,我國率先研發了十兆瓦、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了移動式二氧化碳壓縮儲能裝置;近些年更是突破性地研發了新型二氧化碳儲能技術。該技術具有循環效率高、建設難度低、運行壽命長、系統成本低、契合碳捕捉技術,和不受地理條件限制等特點,在全球位列前沿。

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

從項目進展看,2023年8月,我國已經建成國內首套百千瓦液態二氧化碳儲能示范驗證項目;10月完成項目系統聯調聯試;12月立項備案國際首套100MW/400MWh二氧化碳儲能商業化電站……

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

那么,我們縱深對比,這兩種儲能技術各自有什么特點?誰更勝一籌?

02?長時+安全+商業化,如何“既要、又要、還要”?

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

隨著時代的發展,壓縮空氣儲能(CAES)也在不斷進化。

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電,已經被時代淘汰;2.0版本-非補燃式壓縮空氣儲能(AA-CAES)——實現了無燃燒、零碳排,但對系統熱效率要求高,實現難度相對較高;2.5版本-液化空氣儲能(LAES)——直接進入“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于苛刻,導致建設成本較高、實現難度大,影響進一步批量落地。

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

然而,技術的革命性突破有時只需轉一個彎——將液化“空氣”換成更容易液化的氣體,是否就可以“魚和熊掌得兼”,一舉實現“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。二氧化碳無毒、不易燃、安全等級達到A1,泄漏風險低,用起來大膽放心。

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

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

從數據來看,二氧化碳儲能(CCES)的電-電效率最高可達70%以上,液態儲存溫度僅為常溫,沒有其他能量損失,這兩項關鍵參數明顯優于液態空氣儲能(LAES)。

這意味著,二氧化碳儲能(CCES)同時具備“更小的身板擁有更大的能量”。

從成本來看,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,實際加工成本也隨之降低。目前,由國內公司博睿鼎能開發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,未來的成本優化空間也將更加明顯。

而更為關鍵的是,二氧化碳儲能系統(CCES)是一個典型的二氧化碳利用場景,可以深度嵌入“碳捕集、封存與利用”(CCUS)各個環節,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,該系統就能完成一次充放電,一次完全放電高達60萬度。按我國人均每日用電2度計算,可以滿足30萬人口,也就是一個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、更優的環境兼容性,二氧化碳儲能(CCES)展現出了其無可替代的成本效益,以及可再生能源調度能力。

接下來,商業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”試點項目,這也是世界上首個二氧化碳儲能示范項目。

幾乎是相同的時間,2022年4月,一家名為“博睿鼎能”的中國公司從中國科學院理化技術研究所走出,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,也是該技術領域國內唯一一家科研產業一體化團隊。

在“雙碳”方面,博睿鼎能二氧化碳儲能技術能夠契合CCUS技術趨勢,實現二氧化碳“變廢為寶”。

例如,在用戶側,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示范項目等;同時將工業園區的余熱、廢熱與二氧化碳儲能系統耦合,進一步研究綜合性能源系統優化,提高了二氧化碳儲能系統綜合能源效率。

在產品開發方面,博睿鼎能采用矩陣式二氧化碳儲能技術,高壓側二氧化碳能以超臨界態或高壓液態形式儲存,膨脹后和低壓側能以氣態或液態形式儲存。

一套“組合拳”下來,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,相較于其他二氧化碳儲能技術路線,博睿鼎能二氧化碳儲能組合形式更為多樣,可以不依賴鹽穴與人工硐室,靈活滿足不同場景。

雖然公司創立不到兩年,但博睿鼎能的“技術護城河”在十幾年前就已經悄然建成。

作為中國科學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研發計劃等科研課題創新性地開展二氧化碳儲能系統的實驗研究,掌握二氧化碳液化蓄冷、熱泵蓄熱、動力裝備及協同控制等關鍵技術,學術論文和專利碩果累累。

然而,眼見為實,無論技術有多么先進,如果沒有一套裝置去驗證,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二氧化碳儲能示范驗證項目;10月完成項目系統聯調聯試;12月立項備案國際首套100MW/400MWh二氧化碳儲能商業化電站。

隨著博睿鼎能將技術轉化為現實,該公司也成為了“新型長時儲能”賽道的中堅力量。據了解,未來博睿鼎能還將持續推進技術迭代創新,挖掘應用場景,開拓西北、華北、華中、華東等區域市場,推進二氧化碳儲能技術規?；?、標準化、商業化。

04?結語

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

在長時儲能的解決方案中,壓縮空氣儲能(CAES)最為成熟,但其受地質條件影響較大;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)因其在環境效益和經濟可行性方面的雙重優勢,預計將成為一個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效率和多場景的適應性,其利用溫室氣體作為儲能介質的特點,也為“減碳”提供了一個創新的途徑。

或許,它將帶領壓縮氣體儲能(CGES)產業迎接新的產業拐點。

(本文發布于微信公眾號“適道”,作者:郝佳豪、越云凱)