第670期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《空气“充电宝”》
讲座题目：透视新科技——空气“充电宝”
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：陈海生，中国科学院工程热物理研究所研究员。
郭 亮，中国科学院力学研究所研究员。
讲座时间：2025年6月2日～6月8日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——空气“充电宝”
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。最近科研人员利用地球上无处不在的空气，制作成了空气储能装置，有人形象地比喻它为空气“充电宝”。它可以合理地利用再生能源，稳定地输出电力，这到底是怎么回事呢？通过短片来进入我们今天的节目。电是当代人们生活中不可或缺的能源，为阻止全球气候变暖，减少温室气体排放，可再生能源开始逐渐替代火力发电。然而，风能、太阳能等可再生能源受到天气变化影响，非常不稳定，直接用这些不可控的能源来并网供电，将给人们的用电安全带来巨大隐患。2019年8月，英国的两个风电场非正常脱网，引发大规模停电事故，造成了巨大的经济损失，甚至威胁到居民的生命安全。为实现可再生能源的安全并网，中国的科研人员想到了利用空气做成“充电宝”，来储存和控制这些不可控的新能源。2021年12月31日，在河北张家口，他们的最新科研成果落地。国际首套百兆瓦先进压缩空气储能电站送电成功，顺利并网。科研人员们为什么要用空气来做储能装置？这种技术的应用将对人们未来的用电产生怎样的影响？给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院工程热物理研究所的研究员陈海生，另外一位是中国科学院力学研究所的研究员郭亮。
储能对于我们世界的发展有多重要？我们现在这个能源结构，煤电其实是一个主流，但是同时，它又不是我们未来倾向的这种节能环保的这种能源，现在的这种新能源，尤其是清洁能源，比如水电、风电，然后以及一些核电等等。在我们现在整个用电的里面，已经占到了大概3比7左右的这样一个比例，也就是说有10度（千瓦时）电里边，我们使用的时候就会有3度（千瓦时）电是我们的清洁能源。但是清洁能源，由于它发电的这个时机不是特别可控，水电、水大、水小，以及这个风、风大、风小，发电给到用户的时候，总不能我们家灯泡一直在忽暗忽弱的，那么这个时候我希望它能够集中起来存好之后再陆续地发给你，按照你的需求往外发。我记得我们老师说电这东西是不能储存的，发完了必须得用。对，电，我们是统一发电，统一发电之后，通过电线和电缆我们传输到各家各户，那么电一旦发完了之后，瞬时我们用的时候就开关一摁灯就亮了，一关灯就灭了，那这个电是没办法存储的，存储有一种方式就是咱们经常说的电池。清洁能源由于发电的时机不是特别可控，那么这个时候就需要一个特别大的一个电池，尤其是充电电池，那么这样的话，能够反复多次使用的，所以把这个做好了，我们的清洁能源就会利用效率会越来越高。
随着我们双碳目标的实现，我们可再生能源将从现在的15.9%增加到80%，也就从它的补充能源逐步变为主流能源。为了保障国家的能源安全，需要把这种间歇性、不稳定、不可控的可再生能源变为连续、稳定、可控的能源，那么最重要的抓手就是储能，或者最重要的关键技术就是储能。我们是怎么想到用空气来做介质，来保存能量的？在特别大的规模的储能的情况下，要求对储能的系统，一个是要规模大，第二个要寿命长，第三成本要比较低。那么现在这种特大规模就是抽水蓄能做的是比较多的，在用电低谷的时候，将水泵到一个高的水库，在用电高峰的时候，上库的水再释放，再驱动水轮机发电，这是现在的做得比较多的一种大型的，但是储水蓄能技术需要非常好的地理条件，就要有个上库，有个下库。你得有这个落差。对，而且有落差，这两个库距离不能太远，要10公里以内，要不然它这个损失就太大了，效率就会下降。对我们中国，我们这种可再能源比较集中的地区，比如三北地区，就是东北地区、西北地区、华北北部，这些地方可再生能源比较丰富，但是又没有条件建设抽水蓄能。随着我们可再生能源发展，对储能的需求快速地增加，迫切地需要发展其他的大型的储能技术，在大容量、长时间的应用领域，压缩空气储能是具有比较优势的。这种情况下，空气储能和抽水蓄能一样，具有规模大、寿命长，储能的周期也不受限制，成本也比较低，所以说我们就想到了用空气来储能。
空气储能对比抽水的优势是什么？抽水蓄能它的优点是技术比较成熟，规模也很大，单机的效率也是比较高。但是抽水蓄能有两个劣势，一个就是受地理条件的限制，第二个占地面积比较大，建设周期也比较长，还有一个就是有可能会淹没植被或者移民问题，这些都有一些环境保护方面的影响。那么压缩空气它的主要的优势，第一个就是它规模也可以做得比较大，寿命也很长，还有它的建设周期比较短，只有12个月到18个月就可以建成，占地面积也比较小，一般在100亩以内，现在做的新型的压缩空气储能，也不受定条件的限制。所以说这些都在性能保证接近抽水蓄能或者跟抽水蓄能相当的情况下，又不受地理条件，不受抽水蓄能的限制条件的限制。用水来储能实际上是个能量的一个转换，空气也是这个道理吗？空气其实是差不多的，我的电，用不了的电，想让它用别的形式储存的时候，我们利用空气作为介质，那么把它电做功，把空气压缩了，压缩空气，大家应该都有这个生活体验。咱们小时候给自行车充气的时候，其实就是压缩空气，相当于外界的空气是正常大气压，我通过这个做功，通过活塞，我把它加压加压加压，就冲到自行车那个车胎里边去了，那么这种其实就是一种能量形式的一种存储，这时候它已经有势能了。我发电的时候，我就把那个自行车胎再把它气门芯拧开，那么它不就气就喷出来了吗？在它喷气的同时，我在上面放一个叶轮，这个叶轮不就实现了旋转，发电机就发电了，其实就是这样一种形式。
空气储能通过正常的压力达到一个比较高的压力，那么在高压力的状态下，我们把它储存起来，储存的地方有可能是我们以前在山区里边可能会用这种盐穴，以前采盐的这种盐矿，把里边的盐提取出来了之后，用水溶解了之后，那个盐就没有了，它就会形成那种空腔，有点像我们经常去的那种水洞那种感觉。那么，它正常形成一个空腔之后，把这个压缩过的这种空气导到里面去，那你就可以想象，这是一个大气囊存到里面去之后，等我想用的时候，我再把这个瓶盖打开，把这个塞打开，那么里边的压缩空气源源不断地就喷出来，在喷的时候，我让它带动这个轮机，那么就可以进行发电，其实就是这样一个物理过程。说到这儿我们去了解一下，早期空气储能的应用状况。压缩空气储能技术，是20世纪50年代发展起来的新型能量存储系统。世界上第一座商用压缩空气储能电站诞生在1978年的德国，这座电站的压缩空气储藏室，就在地下600米的盐穴里。储电的时候，电力驱动压缩机压缩空气，电能转化成压缩空气的势能，这些压缩后的空气输送到地下密封存储起来，也就完成了能量的存储。在需要供电的时候释放出压缩空气，高压的空气经过加热进入膨胀机，变成常压的空气，在此过程中带动发电机发电，空气的压缩势能也就转化成了电能输出。这么一压一放的过程，听起来似乎并不复杂，但这种技术发明后的数十年间，并没能在世界各国大范围推广，是什么制约了压缩空气储能的推广应用呢？
在国际上像这种空气储能的方式，应用得广泛吗？国际上有两台传统的压缩空气，就是烧天然气的在应用，还有很多在研发的过程当中。在整个国际上应用效果怎么样？用起来还是像德国、像美国用得还是不错的，但是推广的过程当中，有那么几个问题，一个就是他们烧天然气，第二个就是这个储气的盐穴，要有一定的地理条件。国外基本上沿袭的是这样一个技术路线，把气体存在这个盐穴里边之后，等它膨胀想做功，想发电的时候，你就要拧开那个塞，它要往外跑，跑的过程中，那么这时候气体是膨胀的跟压缩的过程正好相反。膨胀过程中是需要吸热的，如果没有足够的热量，它就没办法实现这个膨胀的过程，所以我们就需要加燃气点火，给它加温，这个加燃气点火加温的过程其实就相当于你要再额外输入能量。本来我就是希望是一个节能环保的这样一个中转站，它是一个充电宝，你加了燃气又有化学反应了，那么这个时候它又不节能环保了，同时它的工艺变难可靠性较低。第三个就是它们的效率还不是特别高，相对是比较低的50%左右，所以说在推广的过程当中，大家都在攻克这几个方面的瓶颈。用空气储能，我们国家是从什么时候开始的？
我们国家实际上最初的从2004年2005年我们中科院工程热物理所，最初开始做压缩空气储能的研究工作，在中国因为天然气比较贵，而且我们的供应不能满足，特别是经济性也比较差，而且我们也不掌握燃气轮机的关键技术，所以说我们一直在做不用燃气发电的，我们叫先进的压缩空气储能系统。大概经过了十几年的发展，到2013年的时候，我们做成了全球第一个兆瓦级的，储能的示范工程，从基础研究到关键技术，再做示范工程这么一个过程。再一个就是从1兆瓦、10兆瓦到百兆瓦，一直在往前一步一步地在推进的过程当中，所以应该讲我们走了一条新的路线，就是不烧天然气的路线。国外的这空气储能方式，它们是用加入天然气的是吧？我们怎么用空气不加天然气也能储存能量？我们说独立自主研发，我们用的是不用再再次燃烧。我们说压缩空气的时候，这个过程相当于过年的时候，给气球打气，打几下气之后，你会发现这个地方就很热，这就是我们最正常的压缩空气的时候，它会放热。那么，我们最开始要把空气先压缩，压缩的时候它会释放大量的热能，这些热能如果你不收集起来，这些能量就损失掉了。而我们现在自主研发的这个空气储能的装置，它是可以把这部分压缩的时候的热量收集好，等你到时候膨胀的时候，膨胀的时候它就要吸热了，国外用的技术其实都是我要再重新点火，重新燃烧，要加能量。那我这时候，把刚才我结余这部分能量再用过去，所以相当于我的热效率又提升了，所以通过多种方式我们把这个效率给提升。
就是每个环节，我们都可以把它转换能量？对，我们叫吃干榨净，就是把输入的能量，不管它转换成热还是转换成压缩空气储能的压力能也好，还是转换成压缩热也好，我们都想办法在发电的时候或者膨胀的时候全部都回收回来，我们就不用再补燃天然气了，摆脱对天然气的依赖。我们现在独立自主研发的，完全是个纯物理过程，没有任何的燃烧在里面，所以这样的话效率还高，那么这个是我们技术的比较牛的地方。空气储能它的最新的成果和应用情况到底是怎样的呢？我们通过短片去了解一下。经过十余年的钻研和创新，中国的科研人员自主研发出先进压缩空气储能系统。这种新系统跟传统的压缩空气储能系统不同，它完全摒弃了燃烧室的补燃环节，通过蓄热、换热分别存储压缩热和压缩空气，实现电能的存储。用电时高压空气通过蓄热器和换热器吸收储存的压缩热升温，经过膨胀机做功带动发电机发电，这样压缩空气发电的过程中不再需要燃烧化石燃料，从而实现零碳排放，还能让整体效率提高25%至50%。从2016年至2021年，一座座自主研发的新型压缩空气储能电站陆续建成，贵州毕节的10兆瓦压缩空气储能系统一天能发4万千瓦时电，相当于3000户普通家庭一天的用电量。位于山东肥城的压缩空气储能电站，一期10兆瓦示范工程顺利并网发电，成为国际首台基于盐穴的新型压缩空气储能电站。江苏金坛盐穴压缩空气储能供电系统年发电量达1亿千瓦时，全年可节约标准煤3万吨，减少二氧化碳排放6.08万吨。建在河北省张家口的先进压缩空气储能电站，是全球第一台百兆瓦级别的压缩空气储能电站，规模可以达到400兆瓦时。在压缩空气储能领域中，我国实现了从追赶到领先的跨越。我国自主研发的压缩空气储能技术有什么优势？它们的安全性如何？
我们国家自主研发的有哪些技术突破呢？我们要选定适合中国国情的压缩空气储能技术，我们要突破原有的传统压缩空气储能的技术瓶颈，比如说不烧天然气，再比如说我们效率要比原来的要高，原有德国的和美国的，它的这个效率都在50%左右，我们要把它的效率做到60%、70%，这样子才能满足我们的要求。这个效率，其实为什么我们一直在提这个词？是因为在整个能量作为充电宝的这个用处来说，我是进10分的电给你，那么，你到底能给出去多少分的电？这个才是最重要的。那么，你进10分的电进来，如果抽水蓄能电站能出去7.5分，那么这个时候就相当于我们效率75%。传统的这种空气储能电站基本上能到50%，相当于我损失了大量的电能，就不划算了，我本身就是用它做一个充电宝，那谁的充放电能力强，谁的效率高，我就用谁。而且这个量级，其实刚才咱们提到了说单台机组，我们都已经能做到几百兆瓦，那几百兆瓦差一个百分点，那么其实这个电能就会损失掉非常大，经济性要求是非常强的。所以哪怕我们改进了一点点，无论是压缩机还是我们膨胀机，还是整个整体的效率优化，差一个点，我们其实经济性就会差很多。等于说我们现在的这个新技术，是克服了传统国外的这种它的一些弊端。对，弊端。这样才能推广开来。
我们国家自主研发的优势是什么？有三方面，第一个就是我们通过压缩热的回收，可以提高效率，这是跟国外不同的，或者比国外优势的。第二个方面我们在设计的时候，针对压缩空气储能系统级的设计，压缩机、膨胀机、蓄冷蓄热器都匹配地设计，从系统角度来设计。第三点就是我们每一个部件也要做到最好，这样从这三个方面我们的压缩机，我们的蓄冷蓄热换热器，比如说我们的膨胀机，这几个部件都做到最高，这样才能促使我们系统的效率，才一步一步地做到国外的50%，现在提高到我们的70%。一个是自主研发，第二个在国外原有的基础上要做提升，大幅度提升。还有一个就是采用的是人造地下储气洞穴的方式，这样它就不依赖于像美国和德国，他们采用地下储气盐穴的方式，原来的地下储气盐穴受地理条件限制，我们这个人造储气洞穴就不受地理条件限制。人造是不是有成本在里面？是这样的。这个成本高吗？这个成本现在由于我们的地下储气工程的发展，现在像大型的盾构机械成本已经比十年前下降了90%，所以下降非常快。只有过去的一成？一成，对，这价格下降得非常快，还有一个就是我们的压缩空气储能技术，进来的是空气，出来的是干净的空气。
为什么出来的就是干净的空气？因为压缩空气储能，它的唯一的介质就是空气，空气在进压缩机的过程当中，会经过一个过滤器将它的粉尘还有水分除掉，不除掉之后会影响我们换热器和压缩机的性能。然后要把它除掉，除掉了之后，我们在里面存储，膨胀机膨胀了，那么吐出来的就是干净的空气，进来的是空气和低谷的电，那么出来是干净的空气和高峰的电、高价值的电。真是住在空气储能设备旁边的话，就等于说增加了一个空气净化器。对，还是比较大的净化器，因为它的空气的用量比较大。接下来一个问题就非常重要了，就是安全性到底怎么样？空气储能技术其实是非常安全的，因为空气本身它是很稳定的，咱们日常生活中全是空气。可是给车胎加气，加气加气，加得满头大汗，不管车胎到底什么样，最后就“膨”。就爆了。我们空气储能会不会出现这种情况？对，你问的这个问题问得特别好，首先空气本身这个材质，这个工质是非常稳定的，而且它不会燃烧，不会爆炸，因为必须得是两种东西混合在一起，有氧化和还原的材料混在一起，才有可能爆炸燃烧，所以空气很稳定不会出现这个问题。其次压它它不就会压强不断地增大，受不了了就炸了，我们国家这么多年最牛的，我们叫压力容器。压力容器整个它的发展，就是咱们看到的锅炉，还有这些管道，那么全都是跟压力容器相伴的。我们这些年发展压力容器方面的标准和制造工艺，以及它整个的流程化的制备，全都是已经非常成体系了，压力容器爆炸的这种事故越来越少，只要是符合规范的，那么都没有问题。所以我们完全可以照搬我们这些年，几十年的这种压力容器的这种规范的这种方式来给它进行核心的界定，把它安全系数提到最高最高，那么所以它的安全性来说是非常非常可靠的。
我们国家自主研发的这种空气储能的设备，它更适合哪些地方来使用它呢？有那么几种，第一个在发电侧，特别是我们的可再生能源的资源，大部分在三北地区，就是东北、西北和华北北部，在这些缺水的地方，特别适合来建压缩空气储能电站，就是大规模的可再生能源发电。第二个就是在电网这个层面。电网的发电，为保证电网的安全需要大量地储能，我们现在一般做的也是抽水蓄能，还有一些电化学储能。压缩空气储能，也具有很强的适用性。第三个就是在用户侧，特别是对大规模、长时间的储能，这种削峰填谷，压缩空气储能由于它自身的优势，所以在这方面在用户侧，也有很广泛的应用前景，总体上就是在长时间、大规模的这个应用领域是有比较优势的。空气储能免费的介质，那电费能便宜吗？储能它的存在的价值就是将过剩的或者低质量的，就是间歇性不稳定的电能转化成高峰的连续稳定的高质量的电能，举一个简单例子，比如我们的风能，下半夜的风能发出来电，但是没有用户，大家都休息了，这时候的电能就特别便宜。那么我们通过储能把它储存起来，在用电高峰的时候，比如说我们的11点，或者说下午下班晚高峰的时候来使用，这时候电价就比较高，这时候所以说它是能够给我们实现电价的调节。
咱们的这种空气储能项目，基本上都得是有一定规模的时候，我们才能赚到钱，或者说才能帮老百姓把电价降下来。从规模上来讲，单机可做到100兆瓦，100兆瓦就是10万千瓦，就相当于一台机器可以供3万户家庭的使用。规模成本它可以做到4000到5000块钱一个千瓦，1000块钱一个千瓦时，就是它的初装成本，它的储能的度电成本，可以做到（1.5角）到（2.5角），还是很低。随着可再生能源加储能，将逐步成为电力的主要来源。随着可再生能源规模的增加，可再生能源的技术的进步，产业的规模化的发展，储能的单位成本也下降，这样就使我们的整个电力行业的我们的电价，老百姓使用的电价就会下降。空气储能现在我们100兆瓦，我们未来还有更大的吗？我们下一步现在正在开发的，是在山东肥城，在做单机300兆瓦的压缩空气储能项目。那么随着规模的增大，它的部件的性能和效率也将大幅度地提升，系统的效率也将进一步地提升，还有系统的成本，单位千瓦的成本也会进一步地下降，那么将有助于我们压缩空气储能的推广和应用。
未来我们这项科研成果还会有哪些提升的空间呢？对于空气储能来讲，下一步最重要的，我觉得就是两个方面，一个是把性能提升上去，第二个就是把成本要降下来，就是把价格要降下来，这样才能推广应用，所以一定要奔着应用而去，我们常讲要把论文写到祖国大地上，就是这个意思。这是背后的一个道理。就是这个道理。未来的发展我个人认为可能有三个阶段，第一个阶段就是现在随着我们的示范和技术的不断成熟，那么在一定的条件下，比如说在抽水蓄能建设条件不太具备的情况下，可以建设一定量的压缩空气储能电站。第二个阶段，就是在随着进一步的性能的提升和成本的下降，替代一部分抽水蓄能。第三个阶段就是说随着进一步的性能的提升和成本下降，还有抽水蓄能，我们很多的地理条件优势的比较好的地理条件已经用掉了，那么在压缩空气（储能）逐步成为我们大规模长时间储能的一个主流技术之一，这么一个发展的阶段。未来这项技术，我们的期望值是什么？我认为至少应该能够成为储能技术的主流技术之一，现在最主流的技术是抽水蓄能。那么如果能够替代一部分抽水蓄能，我认为它就成为主流。抽水蓄能，现在占到整个储能技术的90%，如果能够替代到10%以上，它就会成为一个主流技术之一，这也应该讲它是一个大规模发展的起点。
这个空气储能，真的大规模地落地之后，给我们普通人生活到底会带来什么改变？空气储能作为一种储能技术，它主要解决的是我们这种可再生能源，它不稳定、不连续的这样一个弊端，那么当你的空气储能技术发展得特别好的时候，它其实就给了前边的清洁能源，它的这个发展能给它打开很大的一个门，那么我们就可以有更多的清洁能源，更好的这种可再生资源的这种能源被挖掘出来，那么来替代我们的这种煤电的这种现有的这种供应体系。我们对于能源的需求，一定是一直在增加的。我们其实希望在整个电量一直增长的情况下，能够有更多的这种可再生能源能够参与进来，那么参与进来的前提在于你到底能不能用好压缩空气储能技术，如果发展得好的话，能占的比例越来越多，相应相随的就是我们的这种可再生能源，它也会开采得会越来越多。那我们的这个所谓的这种节能环保的要求和效果，就会达到得比原来更强。那么同时我们的这种类似于双碳的这种指标，我们就会更提前地完善，然后同时现在咱们的这种是因为效率的问题。比如说，咱们的这种空气储能项目，它的建设周期再缩短，那么这个时候全都是跟经济指标相关的。建完了之后，我还可以效率还跟抽水蓄能电站差不多，那我们国家这个能源的利用效率就会越来越高，经济性也会越来越好，咱们人民的生活自然就会越来越提升了。非常感谢两位来到我们演播室，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您对我们的节目感兴趣，可以下载央视频收看我们过往的节目。好，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
