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“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公司（即鋰礦）的投資。
牽一發而動全身，原本以鋰電池為代表的新型儲能技術已經在快速發展中，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電行業發展速度的基礎之上，實現能源互聯網所必需的大規模、低成本、安全穩定的長時儲能？
在我們看來，壓縮空氣儲能技術有望憑借其獨特的優勢，在未來的儲能市場占據至關重要的地位。
在下文中，我們將回答以下三個問題：
1）為什么現在要大力發展儲能？儲能行業的潛在市場規模有多大？
2）為什么我們看好壓縮空氣儲能的發展？
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：能源互聯網穩定器
為什么現在要大力發展儲能？
先來看這張中國2060能源互聯網示意圖：
信息來源：昆仲資本分析和整理
為了實現“雙碳”目標，就必須發展以光伏、風電等新能源為主要發電出力方的現代能源互聯網，但由于新能源發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“削峰填谷”的主要責任，起到電網“穩定器”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對儲能的需求有限，規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，在新能源發電裝機容量快速提升的大背景下，新型儲能的發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，國家發展改革委、國家能源局發布了《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》，緊接著，2022年2月份發布了《“十四五”新型儲能發展實施方案》（后簡稱為《實施方案》），目前，我國已經有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，行業正進入快速發展期。
其次，在市場規模方面，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，且已經實現規模化裝機，而近兩年來頗受關注的鈉離子電池、液流電池還處于研發階段，預計在未來2-3年內有望實現量產；
在物理儲能中，除傳統抽水蓄能之外，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，目前具體分為兩大路線：
繼續走電化學儲能路線，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），亦或采用更加穩定安全、且具備規模效應的工作介質和流程（如：空氣等）。
主流儲能技術優缺點比較分析
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、明顯的規模經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商業化落地的主要技術。
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效率，科學家們從1970年代后半段就開始研究液態空氣儲能（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/液態并存于儲氣室/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，如何減少系統中的能量損失，充分利用工作過程中產生的熱能量和冷能量，是提升系統循環效率(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生的熱能量，從而使得其系統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節，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壓縮空氣儲能系統示范項目（系統效率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（理想系統效率52%）及位于貴州畢節的10MW級壓縮空氣儲能系統示范項目1座（理想系統效率60.2%）；
此外，中科院理化所王俊杰老師在低溫液態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搭建了國際首套基于雙級液相工質蓄冷的液態空氣儲能實驗平臺。
LCES方向，西安交通大學謝永慧教授團隊研發的新型二氧化碳儲能是一種氣液互轉、兩態協同儲能技術。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約與綠色工業相關研究，首次提出了充分利用超臨界二氧化物性優勢的雙液態二氧化碳儲能方案，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、系統效率高、規模經濟效應明顯等優點，且一般可儲釋能上萬次，壽命達40-50年，將是最具有廣闊發展前景的大規模儲能技術之一，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劣，認為液態二氧化碳儲能，也可稱為超臨界二氧化碳儲能（業內習慣簡稱“超二”），是一項更具發展潛力的技術。
總結來說，它具有綜合性能高，儲能效率高和系統成本低等特點，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，是推動透平機發電的高效工作介質（明顯由于當前用于火電發電的高壓水蒸氣）。
二氧化碳物性示意圖
從數據角度來比較，與液態空氣儲能對比，液態二氧化碳儲能的儲能效率（52.2~62.1%）和儲能密度（22~50kWh/ m3）兩項關鍵參數的表現更好；系統儲能效率也可達到52.2~62.1%，超過液態空氣儲能(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。
本文由昆仲資本執行董事閭琤原創，編輯獅刀。