文｜昆仲資本
作為動力電池的核心原材料，被譽為"白色石油"的鋰價格已經(jīng)“高不可攀”了。
先是從今年年初以來，國內電池級碳酸鋰和氫氧化鋰價格均已實現(xiàn)翻倍，其中氫氧化鋰價格更是從年初的每噸22.5萬漲至57.5萬；再就是國外也“捂緊”了鋰資源的口袋：上個月，加拿大工業(yè)部以所謂國家安全為由，要求三家中國公司剝離其在加拿大關鍵礦產(chǎn)公司（即鋰礦）的投資。
牽一發(fā)而動全身，原本以鋰電池為代表的新型儲能技術已經(jīng)在快速發(fā)展中，在預計未來5年儲能裝機容量年增長率大于50%的前提下，儲能之路該何去何從？
什么樣的技術能夠在匹配未來新能源發(fā)電行業(yè)發(fā)展速度的基礎之上，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)所必需的大規(guī)模、低成本、安全穩(wěn)定的長時儲能？
在我們看來，壓縮空氣儲能技術有望憑借其獨特的優(yōu)勢，在未來的儲能市場占據(jù)至關重要的地位。
在下文中，我們將回答以下三個問題：
1）為什么現(xiàn)在要大力發(fā)展儲能？儲能行業(yè)的潛在市場規(guī)模有多大？
2）為什么我們看好壓縮空氣儲能的發(fā)展？
3）在壓縮空氣儲能技術中，為什么二氧化碳儲能是更值得關注的細分領域？
01.儲能行業(yè)：能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定器
為什么現(xiàn)在要大力發(fā)展儲能？
先來看這張中國2060能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖：
信息來源：昆仲資本分析和整理
為了實現(xiàn)“雙碳”目標，就必須發(fā)展以光伏、風電等新能源為主要發(fā)電出力方的現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)，但由于新能源發(fā)電天然具有波動性大、資源地理分配不均衡的特點，因此，儲能作為靈活性電源，未來勢必承擔起電網(wǎng)“削峰填谷”的主要責任，起到電網(wǎng)“穩(wěn)定器”的作用。
那什么是新型儲能？市場潛力有多大？
所謂新型儲能，其實就是指除抽水蓄能以外的所有新興儲能技術，之所以將其定義為新型技術，主要是因為此前我國電力系統(tǒng)對儲能的需求有限，規(guī)模化的儲能憑借抽水蓄能就夠了，因此，其他技術均停留在科研層面，相對較新。
但是，在新能源發(fā)電裝機容量快速提升的大背景下，新型儲能的發(fā)展也在這兩年步入了快車道，首先，政策層面正不斷給出強力支持。
2021年，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》，緊接著，2022年2月份發(fā)布了《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》（后簡稱為《實施方案》），目前，我國已經(jīng)有23個省市已明確新能源配儲要求，配儲比例10%+，儲能成為剛需，行業(yè)正進入快速發(fā)展期。
其次，在市場規(guī)模方面，我們預計，到2030年，我國新型儲能設施累計裝機容量將達到130GW，年儲存電量超9000億度，期間投資規(guī)模將達4000億；到2060年，累計裝機容量將達到500GW，年儲存電量超36000億度電，期間投資規(guī)模將達1.5萬億。
在如此大的市場潛力預期之下，各種類型儲能技術自然也開始“卷”起來了。
主要儲能技術成熟度分析示意圖
信息來源：A.T Kearney Energy Transition Institute Analysis
根據(jù)儲能原理的不同，儲能技術大致可以被劃分為電化學儲能和物理儲能兩大類，如上圖所示，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，且已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；b機，而近兩年來頗受關注的鈉離子電池、液流電池還處于研發(fā)階段，預計在未來2-3年內有望實現(xiàn)量產(chǎn)；
在物理儲能中，除傳統(tǒng)抽水蓄能之外，壓縮空氣儲能技術最成熟，且在全國范圍內已有多個示范項目落地，其次是飛輪儲能技術。
從商業(yè)化程度來看，得益于技術和供應鏈的雙重成熟，目前鋰離子電池以90%的市場份額暫時領先，但考慮到其高昂的單位成本、相對較短的使用壽命（高頻使用下只能用5~8年）以及潛在嚴重的安全隱患，儲能行業(yè)急需“物美價廉”的新技術來滿足需求。
這樣一來，新技術開始不斷涌現(xiàn)，目前具體分為兩大路線：
繼續(xù)走電化學儲能路線，通過采用更加便宜的成分（如：鈉離子電池）降低電池成本，亦或利用更加安全、穩(wěn)定的化學流程（如：釩液流電池）。
走物理儲能路線，采用更加綠色、高效的儲存介質（如：氫），亦或采用更加穩(wěn)定安全、且具備規(guī)模效應的工作介質和流程（如：空氣等）。
主流儲能技術優(yōu)缺點比較分析
信息來源：昆仲分析總結
如上圖所示，綜合考慮技術本身的特點和成熟度，我們認為未來幾年，壓縮空氣儲能有望憑借其較高的技術成熟度、明顯的規(guī)模經(jīng)濟效應和明確的技術改進路線，成為繼鋰離子電池之后，又一重要的、可落地的儲能技術。
02.壓縮空氣儲能：重登“舞臺”，銳意進取
其實，壓縮空氣儲能并不是一門“新技術”，如下圖所示：
第一代壓縮空氣儲能技術，即補燃式壓縮空氣儲能（Diabatic-Compressed Air Energy Storage或D-CAES）起源1950年代，此后于2000年代初又迭代出熱利用效率更高的非補燃式壓縮空氣儲能（Advanced Adiabatic-Compressed Air Energy Storage或AA-CAES），這也是當前我國實現(xiàn)商業(yè)化落地的主要技術。
與此同時，為了降低對氣體儲存空間的要求，也為了降低建設運營成本并提高系統(tǒng)效率，科學家們從1970年代后半段就開始研究液態(tài)空氣儲能（Liquid Air Energy Storage或LAES），并在2000年代初開始研究理論效率更高的液態(tài)二氧化碳儲能技術（Liquid CO2 Energy Storage或LCES）。
壓縮空氣儲能技術迭代概覽
信息來源：昆仲分析總結
從工作原理來看，壓縮空氣儲能的原理極為簡單，即在用電低谷，通過壓縮機將空氣或其他氣體壓縮至高壓氣態(tài)/液態(tài)并存于儲氣室/儲液罐中，使電能轉化為內能存儲起來；在用電高峰，將高壓空氣/液態(tài)氣體從儲氣室/儲液罐釋放出來，形成高壓流體，驅動透平機運轉發(fā)電
LAES工作原理示意圖
信息來源：Liquid air energy storage (LAES): A review on technology state-of-the-art, integration pathways and future perspectives（2021）
分析上述原理我們可以看出，如何減少系統(tǒng)中的能量損失，充分利用工作過程中產(chǎn)生的熱能量和冷能量，是提升系統(tǒng)循環(huán)效率(Round Trip Efficiency或RTE)的核心手段；而選擇何種工作介質則將直接決定了系統(tǒng)的理論儲能密度（Energy Storage Density或ESD）、工藝復雜程度和建設運營成本。
壓縮空氣儲能技術比較
信息來源：昆仲分析總結
以D-CAES和AA-CAES比較為例，由于AA-CAES采用了蓄熱裝置回收了壓縮中產(chǎn)生的熱能量，從而使得其系統(tǒng)效率有了明顯的提升；再以AA-CAES和LAES比較為例，由于LAES以液態(tài)空氣為工作介質，其存儲成本有望大幅下降，但也由于增加了液化空氣環(huán)節(jié)，導致其工藝復雜程度更高。
目前，不同的技術路徑均有相關團隊關注且有的技術已經(jīng)有項目落地：
AA-CAES方向，清華大學電機系梅生偉教授提出了非補燃壓縮空氣儲能設計方法，已建成位于蕪湖的500kW壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范項目（系統(tǒng)效率35%）及位于江蘇常州的60MW級金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗示范項目。
LAES方向，中科院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心主任陳海生老師帶領團隊完成建設了位于廊坊的1.5MW級壓縮空氣儲能示范項目1座（理想系統(tǒng)效率52%）及位于貴州畢節(jié)的10MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范項目1座（理想系統(tǒng)效率60.2%）；
此外，中科院理化所王俊杰老師在低溫液態(tài)空氣儲能技術的基礎理論及模擬仿真方面開展了細致而深入的研究，創(chuàng)新性地提出采用梯級恒溫蓄冷、小溫差傳熱的高效蓄冷流程，并于2018年在理化所廊坊園區(qū)搭建了國際首套基于雙級液相工質蓄冷的液態(tài)空氣儲能實驗平臺。
LCES方向，西安交通大學謝永慧教授團隊研發(fā)的新型二氧化碳儲能是一種氣液互轉、兩態(tài)協(xié)同儲能技術。其四川德陽“新型二氧化碳儲能驗證項目”于2022年8月完工試運營；
此外，中科院理化所張振濤老師長期從事碳中和路徑上能源節(jié)約與綠色工業(yè)相關研究，首次提出了充分利用超臨界二氧化物性優(yōu)勢的雙液態(tài)二氧化碳儲能方案，并計劃在2023年完成建設其首個中試項目。
03.昆仲觀點：神奇的超臨界二氧化碳可能成為突破儲能技術的“矛”
在我們看來，壓縮空氣儲能具有裝機容量大、儲能周期長、系統(tǒng)效率高、規(guī)模經(jīng)濟效應明顯等優(yōu)點，且一般可儲釋能上萬次，壽命達40-50年，將是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術之一，可以與抽水蓄能相媲美。
在不同的壓縮空氣儲能技術方向中，我們綜合各種新式儲能技術的優(yōu)劣，認為液態(tài)二氧化碳儲能，也可稱為超臨界二氧化碳儲能（業(yè)內習慣簡稱“超二”），是一項更具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g。
總結來說，它具有綜合性能高，儲能效率高和系統(tǒng)成本低等特點，而這一切的根源在于超臨界二氧化碳的獨特物性。
如下圖所示，二氧化碳在-30度，10個標準大氣壓下，即可以進行液化保存，其存儲條件相較液態(tài)空氣（-193度）簡單了很多也便宜很多；
而在+31度，74個標準大氣壓下，二氧化碳將變成固液混合的超臨界狀態(tài)，是推動透平機發(fā)電的高效工作介質（明顯由于當前用于火電發(fā)電的高壓水蒸氣）。
二氧化碳物性示意圖
從數(shù)據(jù)角度來比較，與液態(tài)空氣儲能對比，液態(tài)二氧化碳儲能的儲能效率（52.2~62.1%）和儲能密度（22~50kWh/ m3）兩項關鍵參數(shù)的表現(xiàn)更好；系統(tǒng)儲能效率也可達到52.2~62.1%，超過液態(tài)空氣儲能(LAES)的37.0~49.7%。
當然，超臨界二氧化碳作為壓縮空氣儲能的一種工質，既有明顯優(yōu)勢，也有較大的技術難度，比如二氧化碳在壓縮過程其物性參數(shù)隨著壓力溫度變化大，因此氣動設計很難準確計算；再比如，二氧化碳分子量比較大，相應二氧化壓縮機壓力高，壓比大，對比空氣壓縮機其軸向力會大很多，設計過程軸向力準確計算難度大等……
但具備技術門檻才能成就稀缺性，這也正體現(xiàn)了我們做風險投資的底層方法論：投早、投新，堅持做“難而正確”的事情，雖道阻且長，但行則將至。
本文由昆仲資本執(zhí)行董事閭琤原創(chuàng)，編輯獅刀。