大橘：中科院vs特斯拉，中国独门黑科技会统治全球吗？
【文/张广凯】
今年1月7日，美国直男马斯克在上海说，我要感谢中国政府和人民，没有你们就没有我的今天。他又是跳舞又是哽咽，硬生生把特斯拉的产品交付仪式，变成了大型红色教育现场。
马斯克确实有理由感恩。他刚表完忠心的第二天，特斯拉股价大涨，市值达到890亿美元，比美国商业帝国的招牌——通用汽车和福特汽车加起来还值钱。当时特斯拉的营收，还不到两者任意一家的五分之一。
浓眉大眼的美股，什么时候跟A股一样韭化了？
短短半年之后再看，大家的想象力还是太贫乏。7月伊始，特斯拉市值已经来到2000亿美元，超过全球汽车业老大丰田。而特斯拉的汽车产量大约只有丰田的1/20，营收是1/10。在服不服排行榜上，马斯克身家也攀升到第五位。
这次，特斯拉代表又出现在北京，为社会主义事业建言献策。
另一方面，新能源车销量腰斩的比亚迪，市值也超过了老大哥上汽集团。
股评家们这下可不好意思再唱衰了，你看2000亿也不多嘛，新能源的估值怎么能只看汽车呢，它们还有自动驾驶，还有光伏，还有储能……
说到储能，就在特斯拉被政治局接见的同一天，还有一条不起眼的新闻，中科院研发的国际首台百兆瓦级先进压缩空气储能系统膨胀机完成测试。
特斯拉Powerwall储能电池
相形之下“土味”十足的中科院压缩空气储能系统膨胀机
赛博科幻的特斯拉，跟多铆蒸刚的中国科研院所，怎么把同一件事做成了两种样子？
“锂电池是美国人的阴谋”？
特斯拉靠着中国市场大赚特赚，自然会让很多人心里不爽。难道我们中国人的钱，都白白送给外国企业了吗？
早在2015年，就有一篇题为《一个人民还蒙在鼓里的阴谋》的文章在网络上广泛流传，文章对锂电池技术做出了耸人听闻的指控：
锂电池几百项的知识产权国际专利都是日本和美国的，而全世界在动力锂电池的投资上只有中国正在进行巨额投资，这给谁在输送利益，显而易见。
锂电池爆炸、过充过放、高低温不适宜性带来的众多问题和危险性，以及旧电池不可回收利用造成巨大的环保压力和社会安全问题，导致日本、西方国家都没有大力推广使用。美国仅特斯拉一家企业在忽悠世界，日本仅一家企业用于混合动力。
当今我们国家生产动力锂电池的企业几乎全面巨亏，其原因主要原材料都是进口（而国外锂矿资源主要被美日控制）。
中科院院士卢强对华夏能源网说：中国锂电池的技术路线完全失败了。
实际上，即使在当年，文中提到的专利、资源和国外研发力度等问题，都是明显的夸大其词，不难反驳。更不用说，时至今日中国企业在锂电池技术上已经做到国际一流水平。
不过文章抬出中科院院士卢强，还是在业界引起不小的震动。
卢强院士作为我国电力系统最优控制学科的奠基人、清华大学机电系教授，真的对锂电池做出过这样的判断吗？
风波很快得到了澄清。卢强院士并没有接受过华夏能源网的专访，后者只是整理了他一次会议发言，伪装成采访，并安上了一个断章取义的标题。
但那次发言中，卢强院士确实抨击了锂电池技术路线，不过说的不是动力电池，而是储能电池。
电力行业的勤俭节约运动
所谓储能，是将电力系统发出的电能，先储存起来，待到需要时再进行释放。
为什么需要储能？
很多年以前，环保主义者发明出来的“地球一小时”活动，就向大家普及了一个道理：发电厂不会因为用电量少了就立刻降低功率，而且用电负荷的波动对电网也是一种损害。
中国拥有世界上电压等级最高、输送容量最大、线路长度最长的电网，电网的稳定性要求极高。然而最细微的供需失衡也会导致电网的频率波动，当供给大于需求则导致频率上升，供给小于需求则导致频率下降。
尤其是在新能源发电比例不断提高的今天，无论是风电还是光电，输出功率都非常不稳定，电网不愿意接入，是过去几年中国弃风弃光严重的原因之一。
此外，风电输出功率的高峰，跟电网用电高峰并不同步，有个专门的词叫做“后夜风”，也就是夜里12点半到凌晨6点半的风，几乎全部都被浪费掉了。
新能源发电的功率输出与电网负荷并不同步
2018年，全国弃水电量约691亿千瓦时，弃风电量277亿千瓦时，弃光电量54.9亿千瓦时，“三弃”电量共约1023亿千万时，超过同期三峡电站的发电量。
现有技术下，用来对冲不稳定的新能源，平滑整个电网频率的，主要是火电机组。这就要求火电机组频繁启停，对设备造成伤害。
况且，即使是传统发电方式，也要根据用电侧峰谷的巨大起伏进行调峰，在低谷时，大量发电机组将被迫闲置。
图片来源：广东电网微发布
国家能源局数据显示，2019年全国火电厂平均利用小时数只有4293小时（按一年365天，一天24小时，全年共有8760小时），并且同比正在下降。近年来，中国超临界、超超临界煤电技术突飞猛进，但在现实中，这些投资巨大的600MW、1000MW机组也要参与深度调峰，造成严重浪费。
最理想的做法，就是让发电机组最大限度保持运作，把低谷时过剩的发电量存储下来，然后在高峰时段释放。储能技术被寄予厚望。
储能电池风口已至？
人们最容易想到的储能方式，当然是电池。但是最主流的锂电池，成本仍然较高，用在汽车上还勉强可以接受，对于利润更低的电力行业，此前还显得有些高冷。
过去10年，锂电池性能提高了3倍，成本下降了90%。直到今年，锂电池储能终于走到盈亏平衡的临界点上，而赚钱的方式主要是削峰填谷套利。
中国各省份都实行分时电价，大部分包括峰、平、谷三种不同价格。经济越发达、用电需求越高的地区，峰谷电价差距就越大，价差最大的北京可以达到0.95元/度。
图片来源：天风证券研究所
如果我们把低电价时段发的电储存下来，高峰时段再卖给电网，就可以实现套利。如下图显示，一天之内可以做到峰谷+峰平两次套利。
现行电价制度下，储能系统可以完成一天内两次充放电套利
随着储能电池成本的降低，当“峰谷+峰平”平均价差大于0.6元/度，基本可以做到盈利，内部收益率（IRR）达到8%以上。这意味着，电池储能在江苏、广东、北京等地已经具备了商业价值。
从技术上来讲，储能电池跟动力电池原本区别不大，伴随着新能源汽车行业的兴盛，动力电池企业跨界做储能，就变得水到渠成了。再加上废旧的动力电池可以回收利用为储能电池，还能进一步降低成本。
7月18日，中国动力电池行业的龙头企业宁德时代披露196亿巨额定增，高瓴、大摩、本田等重磅玩家领投。3天之后，宁德时代设立新能源产业投资公司，储能电池成为重要投资方向，而宁德自己的储能产品也即将首次量产。
据国际能源署预测，到2050年，我国储能装机将达到200GW以上，占电力总装机的比例将提高至10%~15%，可以催生一个万亿级的产业。
当然，除了经济利益之外，这项能让人类全面踏入新能源时代的支撑性技术，也早已被中国上升到国家级战略的地位。手握特高压和洲际电网技术的中国，一旦再成为新能源和储能领域的规则制定者，未来的政治意义不言而喻。
在新能源车补贴取消的前夜，如此巨大的市场前景，成为支撑特斯拉、宁德时代和比亚迪们在资本市场上狂飙突进的重要原因。
电池之外的另一种选择
不过，这个万亿级的蛋糕，真的能被电池企业独占吗？尽管《阴谋》一文所谓中国技术落后的说法，早被现实打脸，但是中国电池企业仍然面临技术路线风险。
峰谷套利模式下的电池储能，目前主要是在分布式、户用光伏，以及5G基站等小规模、用户侧场景应用，而要想达到总发电量10%的储能规模，更多还需要电站侧的支撑。
从成本、使用寿命等等条件来看，电池储能还没有达到电站侧大规模储能的要求。而同为电池储能，锂电池、铅酸电池和液流电池，乃至超级电容，哪个才代表未来方向？
此外，卢强教授也曾谈到电池衍生的环保问题。在国内电池回收产业仍不完善的情况下，如果大量电池被填埋进土壤，后果不堪设想，“我们子孙后代都要受到我们这代人的灾祸”。
实际上，在中国已建成储能容量中，占据90%以上的是抽水储能。
中国储能市场累计装机规模，来源：天风证券研究所
抽水储能的原理也很容易理解，用多余的电力做功，把水从低处抽到高处，电能转化为势能储存起来，需要时再放水发电。
它的优点是成本低，寿命长，技术简单，能量转化效率高达到80%，损耗基本可以接受。缺点也很明显，就是对地理条件要求较高。
与抽水储能思路类似的，是压缩空气储能，用电力驱动压缩机组，将空气压缩，把电能转化为空气内能。压缩后的空气可以被储藏在废弃矿坑等地下洞穴内，这是目前唯一能在规模上跟抽水储能媲美的方案，而且它的响应速度比抽水更高。
压缩空气储能系统原理 图片来源：中科院工程热物理研究所
压缩空气储能其实算是一项历史“悠久”的技术了，早在1978年，德国Huntorf压缩空气电站就已经投入商业运营，至今都是业内比较的重要标杆。1991年，美国McIntosh电站成为世界第二个压缩空气储能电站。
不过德国人和美国人的技术有一个致命缺点。当空气被压缩时，大量的能量会转化成热能流失，而当空气膨胀做工时又需要吸热。上述两个电站都是利用燃烧天然气对空气进行加热，实际上相当于自带储能的特殊燃气轮机电站，效率比常规电站稍高，但并不符合清洁能源的未来方向。
起步较晚的中国，在解决这个技术难题上却后来居上。
中国人在玩什么黑科技？
卢强院士所在的清华大学机电系，采用的是绝热压缩空气储能技术，就是隔绝储能系统与外界的热交换，把空气压缩时释放的热储存起来，用于做功时的加热。原理不难想到，只不过实现起来需要换热技术、材料技术的进步。
以储能技术为基础，清华大学还提出了一种综合能源系统，将热网和电网连接起来，实现电、热、冷联供。压缩空气储能时释放的热能，可以把储热介质加热到300度，其中一部分能量就可以用于居民供暖；而空气膨胀时也不必加热到常温，可以输出低温空气用于制冷。
例如卢强院士提到，国家电网的压缩空气储能试点工程，可以稳定输出3摄氏度的冷气，在附近建了一个蔬菜水果保鲜库。
此外，接入新能源发电系统后，太阳能所产生的热量，也可以被储存下来用于加热空气，进一步提高了效率。卢强认为，如果能把联供做好，系统总效率可达90%以上。
与国家电网合作，清华大学的储能系统已经在全国多地投入实用，比如江苏金坛的盐穴储能项目，以及利用废弃煤矿巷道的山西云冈项目。
如果仅仅做到这一步，空气储能与抽水储能一样，也面临着地理条件的限制。要想真正摆脱限制，就要说到中科院工程热物理研究所的独门技术，叫做超临界压缩空气储能。
同样采用储热循环技术之余，这种技术关注的核心是进一步增大压力，将空气压缩到介于气态和液态之间的超临界状态，从而可以直接储存在小型的储气罐中，无需在地下打洞。
利用这种技术，我国于2016年在贵州毕节建成首套10MW压缩空气储能示范系统，效率达60.2%，全球最高。
贵州毕节10MW压缩空气储能示范平台
正如《中国科学报》所言，从2005年开始基础研究，到2009年关键技术研发，到2016年10MW技术工程示范，用了约10年时间，我国的新型压缩空气储能技术完成了从追赶到领先的跨越。
接下来问题的就是规模化。这次热物理所将系统功率做到100MW，就是一个重要里程碑，已经可与抽水储能媲美。同时，这套系统的额定效率预计也将进一步提升到70%左右。
特斯拉vs中科院
不过，从实验室到商业化，从来就不仅仅是技术问题，背后更是资本博弈。
借助美国资本市场的强大吸金能力，以及自身高超的营销手段，特斯拉15年累计亏损50亿美元，仍然能够重金投入研发，让新能源汽车成本快速下降，带动全球锂电池技术也有了巨大飞越。
而中国的电网侧大规模储能技术，走的是一条科研院所研发，大型国有企业出资建设试点的道路。这种典型的中国式产学结合模式，我们并不陌生，比如同样由马斯克带火的商业航天，中国人也走得低调稳妥。
踏踏实实做验证，这本身是一件好事，但是缺少了资本支持，好技术被埋没的危险同样存在。
比如，全球政府的巨额补贴，也是支撑锂电池走到今天的重要助力。即使一些新能源车企业90%的利润来自补贴，地方政府仍然愿意支持这个国家喜欢、又能创造就业的行业。
然而，电网侧大规模储能至今尚未纳入中国政府补贴范围。
当然，大规模储能产业目前仍处在早期阶段，国务院四部委去年发布的《2019-2020年储能行动计划》，多少揭示出储能行业的现状。
文件要求，“围绕电网侧储能，会同地方能源主管部门，组织相关咨询机构和电力企业，明确电网侧储能规划建设原则，研究项目投资回收机制，规范引导电力系统储能健康有序发展。”
这也意味着，电网侧储能的技术路线尚未形成，不同技术路线的角力才刚刚开始。特斯拉的商业带动科研，与中国的科研院所+国企体制，究竟谁能笑到最后？
参考资料：
兴业证券，《储能为何如此重要（—）——从国家电网与宁德时代的合作说开去》
兴业证券，《储能为何如此重要（二）：新能源“上位”的必经之路》
天风证券，《储能系列报告1：国内储能项目经济性探讨》
华夏能源网，《中科院卢强：中国锂电池技术路线基本是失败的》
中国科学报，《压缩空气储能：从追赶到领先的跨越》
北极星储能网，《清华大学梅生伟：复合式压缩空气储能与分布式综合能源系统》
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