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。現(xiàn)在，人類正在邁入電子信息化時(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。根據(jù)國際可再生能源署2019年的分析預(yù)測，2015-2050年全球電能消耗量將翻倍，全球發(fā)電中可再生能源的份額預(yù)計(jì)將從目前的25%增長到2050年的86%；我國的雙碳目標(biāo)是2025年可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比超過50%，2060年非化石能源的能源消費(fèi)占比達(dá)到80%。可再生能源技術(shù)中光伏、風(fēng)電的增長尤其強(qiáng)勁，將從2015年的4.5%增加到2050年的60%左右。此外，近一半的光伏電站將按分布式部署在城市、農(nóng)村的住宅和工商業(yè)部門。
圖表1 用電量、發(fā)電量、發(fā)電裝機(jī)功率預(yù)測（2016A-2050E）
資料來源：國際可再生能源署IRENA，2020，《電儲能系統(tǒng)估值框架》，金研團(tuán)隊(duì)譯
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，甚至造成發(fā)電無法上網(wǎng)的情況，也就是棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。即便在我國，隨著電價(jià)波動(dòng)范圍的增大，火電的負(fù)電價(jià)現(xiàn)象也頻繁發(fā)生。那么如何解決這個(gè)問題？
根本上要靠儲能來實(shí)現(xiàn)平衡。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。電力系統(tǒng)需要的這個(gè)水池就是儲能。根據(jù)預(yù)測，在未來以可再生能源為主的電力系統(tǒng)當(dāng)中，儲能裝機(jī)占比要達(dá)到10%-15%，該比例與我國各地方對風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目要求配建儲能的比例基本吻合。
圖表2 儲能在新型電力系統(tǒng)中起到匹配供電曲線與用電曲線的作用
資料來源：中科院
發(fā)改委提出，新型儲能（不包括抽水蓄能）裝機(jī)規(guī)模到2025年達(dá)到30GW，2030年全面市場化。根據(jù)中信證券對2021-2025年全球光伏（分布式、集中式）、風(fēng)電的新增裝機(jī)規(guī)模預(yù)測，在相應(yīng)配儲功率比例和儲能滲透率假設(shè)下，預(yù)計(jì)2021-2025年，光伏發(fā)電裝機(jī)的配套儲能需求為7.7/15.5/25.0/36.0/51.5GW，相應(yīng)備電時(shí)長假設(shè)下的儲能容量預(yù)測為15.4/35.3/62.4/102.6/163.6GWh；相應(yīng)風(fēng)電裝機(jī)預(yù)測下，預(yù)計(jì)2021-2025年風(fēng)電發(fā)電帶來的配套儲能需求為1.7/3.6/6.1/9.2/13.0GW，相應(yīng)備電時(shí)長假設(shè)下的儲能容量預(yù)測為3.5/7.3/12.2/20.2/32.5GWh。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)是以高壓空氣壓力能作為能量儲存形式，并在需要時(shí)通過高壓空氣膨脹做功來發(fā)電的系統(tǒng)，其技術(shù)原理發(fā)展自燃?xì)廨啓C(jī)。
現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)由壓縮機(jī)、燃燒室和膨脹機(jī)組成，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)均為高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機(jī)械，是氣流能量與機(jī)械功之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。其基本工作過程為環(huán)境空氣被壓縮機(jī)壓縮到高壓，然后壓縮空氣和燃料流入燃燒室進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高壓高溫氣流，在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹產(chǎn)生軸功。其具有功率密度大（體積小、重量輕）、起動(dòng)速度快、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點(diǎn)。
圖表3 燃?xì)廨啓C(jī)組成及工作過程
資料來源：中科院之聲
由于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)安裝在一根軸上，壓縮機(jī)消耗的能量由膨脹機(jī)提供（壓縮機(jī)是為了提升工質(zhì)壓力，便于膨脹機(jī)做功），如果壓縮機(jī)和膨脹機(jī)安裝在不同的軸上，則壓縮過程和膨脹過程可以分開，這就形成了壓縮空氣儲能技術(shù)(壓縮空氣儲能系統(tǒng))的基本雛形。
儲能時(shí)段，壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用風(fēng)/光電或低谷電能帶動(dòng)壓縮機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能，隨后高壓空氣被密封存儲于報(bào)廢的礦井、巖洞、廢棄的油井或者人造的儲氣罐中；釋能時(shí)段，通過放出高壓空氣推動(dòng)膨脹機(jī)，將存儲的空氣壓力能再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者電能。
圖表4 超臨界壓縮空氣儲能站示意圖
資料來源：中儲國能
上世紀(jì)50年代至今，壓縮空氣儲能技術(shù)經(jīng)過多輪迭代，由補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)（德國、美國），發(fā)展至主流的先進(jìn)壓縮空氣儲能（蓄熱式）、超臨界壓縮空氣儲能（中國）、水下壓縮空氣儲能（加拿大）。經(jīng)過多年的應(yīng)用研究，先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)解決了三大瓶頸問題：非補(bǔ)燃式儲能系統(tǒng)解決了對化石能源的依賴；儲罐、人造洞穴解決了對大型儲氣室與礦洞的依賴；蓄熱罐有效提升電對電效率至70%。
其應(yīng)用場景也得到了極大的拓寬。先進(jìn)蓄熱式壓縮空儲能系統(tǒng)效率較高，具備較為成熟的技術(shù)，加之我國有大量的鹽洞、廢棄礦洞，利用已有洞穴建設(shè)低成本的壓縮空氣儲能系統(tǒng)非常有發(fā)展前景，因此蓄熱式系統(tǒng)有望在未來幾年得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。超臨界系統(tǒng)和液態(tài)系統(tǒng)由于具有較高的能量密度，占地面積小，將在無天然洞穴地區(qū)受到越來越多的青睞，特別是超臨界系統(tǒng)還具有較高效率的優(yōu)點(diǎn)，其吸引力將更大。水下系統(tǒng)由于其工作環(huán)境，有望在海洋中得到一定應(yīng)用，未來水下儲氣裝置技術(shù)成熟后，可在海洋環(huán)境如海上風(fēng)電儲存方面得到一定應(yīng)用。
大規(guī)模時(shí)，壓縮空氣儲能可用于電力系統(tǒng)削峰填谷、可再生能源平滑波動(dòng)、可再生能源/工業(yè)余熱耦合利用、火電廠/核電廠變工況輔助運(yùn)行等，中小規(guī)模時(shí)，可用于分布式能源系統(tǒng)、分布式微電網(wǎng)、壓縮空氣儲能汽車、無人機(jī)彈射技術(shù)等方面。
圖表5 壓縮空氣儲能技術(shù)路徑比較
資料來源：陳海生等，2016，《Thermodynamic characteristics of a novel supercritical compressed air energy storage system》，金研團(tuán)隊(duì)譯
物理儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能有著不同的性能特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場合和領(lǐng)域。抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液流電池可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長時(shí)間儲能，統(tǒng)稱為長時(shí)儲能技術(shù)；鈉硫電池、鉛酸電池等適用于短時(shí)的電力系統(tǒng)調(diào)峰與能量調(diào)度；超級電容器、鉛酸電池和飛輪適用于旋轉(zhuǎn)備用；超級電容器、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)、飛輪、鋰離子電池和其他先進(jìn)電池適用于電能質(zhì)量管理。
壓縮空氣儲能作為已商業(yè)化的成熟技術(shù)，其長時(shí)儲能的特性使其成為了抽水蓄能的良好替代方案——尤其是在受水資源制約嚴(yán)重的我國北方地區(qū)。
圖表 6 各類儲能方式技術(shù)參數(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)
資料來源：國際可再生能源署IRENA，2020，《電儲能系統(tǒng)估值框架》，金研團(tuán)隊(duì)譯
圖表 7 各類儲能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域
資料來源：中科院工程熱物理研究所
壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)鏈上游主要是原材料生產(chǎn)加工、裝配、制造行業(yè)，屬于機(jī)械工業(yè)的一部分，但涉及壓縮空氣儲能本身特性和性能要求，對部件設(shè)計(jì)、加工的要求較為嚴(yán)格。中游主要是系統(tǒng)集成及關(guān)鍵部件加工行業(yè)，屬于技術(shù)密集型，具有多學(xué)科、技術(shù)交叉類行業(yè)。下游主要是用戶對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的使用和需求側(cè)，涉及電力、可再生能源、電子及管理控制等多個(gè)行業(yè)，具有廣泛的前景。
圖表 8 先進(jìn)壓縮空氣儲能設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)鏈
資料來源：公開資料
壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括壓縮機(jī)技術(shù)、透平膨脹機(jī)技術(shù)、燃燒室技術(shù)、儲熱換熱技術(shù)、儲氣技術(shù)和系統(tǒng)集成與控制技術(shù)等。主機(jī)設(shè)備方面，中國有成熟的工業(yè)器械產(chǎn)業(yè)鏈，是大型膨脹機(jī)、壓縮機(jī)制造大國，行業(yè)成熟、成本較低。我們有理由相信，未來100MW壓縮空氣儲能設(shè)備的降本空間會在30%-50%。
儲能是剛需，而目前所有儲能站幾乎都不是盈利主體。一直以來，最成熟的抽水蓄能項(xiàng)目是由國家電網(wǎng)負(fù)責(zé)投資布局，項(xiàng)目收入與成本基本打平，不直接產(chǎn)生效益，而是對電網(wǎng)調(diào)峰起較大作用。目前，國網(wǎng)的投資壓力巨大，另一方面，風(fēng)光發(fā)電擴(kuò)產(chǎn)帶來的儲能與上網(wǎng)需求越來越大，國網(wǎng)無法獨(dú)自承擔(dān)龐大的儲能基礎(chǔ)設(shè)施投資。因此，儲能電站的投資亟需社會投資人的參與。由于單獨(dú)投資風(fēng)電場、光伏電場的效益較高，地方政府就將按配建儲能站的任務(wù)分配到風(fēng)光發(fā)電場的投資人身上，要求投資風(fēng)光發(fā)電場必須配備10%-15%的儲能設(shè)施。
初始投資方面，壓縮空氣儲能是抽水蓄能的1-1.5倍，該初始投資成本僅占儲能度電成本的三分之一。無論是用于減少棄風(fēng)棄光，還是電價(jià)套利，后續(xù)運(yùn)營成本中對儲能度電成本影響最大的因素是買電價(jià)格或谷電價(jià)格。因此，需要因地制宜地衡量在峰谷電價(jià)差高、缺水的地區(qū)布局壓縮空氣儲能的綜合經(jīng)濟(jì)效益。截至2022年3月，全國有19省市峰谷電價(jià)差超0.7元/度，對儲能電站布局的經(jīng)濟(jì)性提供了一定的保障。
在減少棄風(fēng)棄光方面，根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年1-9月，全國風(fēng)電平均利用率96.9%，同比提高0.3%，棄風(fēng)電量約147.8億千瓦時(shí)；全國光伏發(fā)電平均利用率98.0%，同比下降0.3%，棄光電量約50.2億千瓦時(shí)。部分西北部省份的棄光、棄風(fēng)現(xiàn)象依然較嚴(yán)重，且裝機(jī)量普遍超過年初電網(wǎng)對非水可再生電力消納目標(biāo)。從棄風(fēng)率情況來看，2020年棄風(fēng)率排名前三的省份是新疆（10.3%）、內(nèi)蒙古（7.0%）、甘肅（6.4%）。從棄光率來看，2020 年棄光率排名前三的省份是西藏（25.4%）、青海（8%）、新疆（4.6%）。對發(fā)電企業(yè)而言，棄風(fēng)棄光電能的買電成本為零，因此儲能的度電成本僅為初始投資度電成本，約0.12元/度（以張北100MW空氣儲能項(xiàng)目為例，假設(shè)日循環(huán)2次），故毛利潤為峰電價(jià)格減去0.12元的差額，利潤可觀。在可再生能源資源豐沛的三北地區(qū)，由于水資源受限，目前電化學(xué)儲能成本高昂，尚無大型示范項(xiàng)目，并且不適合長時(shí)儲能，北方地區(qū)唯一的長時(shí)儲能選項(xiàng)就是壓縮空氣儲能。
日前，發(fā)改委、能源局印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新型儲能參與電力市場和調(diào)度運(yùn)用的通知》，明確新型儲能可作為獨(dú)立儲能參與電力市場，并對其市場機(jī)制、價(jià)格機(jī)制和運(yùn)行機(jī)制等作出部署。推動(dòng)獨(dú)立儲能參與電力市場配合電網(wǎng)調(diào)峰，獨(dú)立儲能電站向電網(wǎng)送電的，其相應(yīng)充電電量不承擔(dān)輸配電價(jià)和政府性基金及附加。解決了原先充電電量價(jià)格機(jī)制不明確的問題，有利于推動(dòng)獨(dú)立儲能發(fā)展并以市場方式獲利。以建有獨(dú)立儲能電站的山東省為例，新政執(zhí)行后，參與電力現(xiàn)貨市場的獨(dú)立儲能度電收益有望增加0.1元~0.2元/度。
站在投資人的角度，雖然眼下并不能在全國范圍內(nèi)僅依賴儲能站產(chǎn)生盈利，而是為了滿足投資可再生能源發(fā)電前置條件，即滿足剛需，但隨著儲能在電力市場中的身份定位、現(xiàn)貨交易規(guī)則、投資回報(bào)機(jī)制的日漸明晰，大型空氣充電寶的投資屬性將有較大的提升；而提高儲能使用小時(shí)數(shù)，是平攤、降低度電成本的唯一方式。對于儲能設(shè)備供應(yīng)商而言，只要保證技術(shù)先進(jìn)性、價(jià)格合理性，市場空間將是巨大的。
金研資管積極布局新型儲能行業(yè)，參與投資中儲國能的先進(jìn)壓縮空氣儲能技術(shù)。我們期待以更綠色環(huán)保的方式為碳中和及儲能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。