能源是工业的粮食，每一次能源变革都伴随着一次工业革命。煤炭的广泛使用使人类经历了蒸汽时代；油气和电力的广泛使用带领人类进入了电气时代。现在，人类正在迈入电子信息化时代，其能源变革的主要特征是可再生能源逐步替代化石能源，成为主力能源。根据国际可再生能源署2019年的分析预测，2015-2050年全球电能消耗量将翻倍，全球发电中可再生能源的份额预计将从目前的25%增长到2050年的86%；我国的双碳目标是2025年可再生能源发电装机占比超过50%，2060年非化石能源的能源消费占比达到80%。可再生能源技术中光伏、风电的增长尤其强劲，将从2015年的4.5%增加到2050年的60%左右。此外，近一半的光伏电站将按分布式部署在城市、农村的住宅和工商业部门。

图表1 用电量、发电量、发电装机功率预测（2016A-2050E）

资料来源：国际可再生能源署IRENA，2020，《电储能系统估值框架》，金研团队译

随着可再生能源的大规模发展，电力系统的发电侧和用户侧都安装了大量不可控的可再生能源，这就为电网的稳定运行、控制和安全带来了很大影响，甚至造成发电无法上网的情况，也就是弃风、弃光现象。即便在我国，随着电价波动范围的增大，火电的负电价现象也频繁发生。那么如何解决这个问题？

根本上要靠储能来实现平衡。好比一个供水系统：进水管是不稳定的，出水管也是不稳定的，那就需要修建一个水池来保证整个系统的稳定运行。电力系统需要的这个水池就是储能。根据预测，在未来以可再生能源为主的电力系统当中，储能装机占比要达到10%-15%，该比例与我国各地方对风电、光伏发电项目要求配建储能的比例基本吻合。

图表2 储能在新型电力系统中起到匹配供电曲线与用电曲线的作用

资料来源：中科院

发改委提出，新型储能（不包括抽水蓄能）装机规模到2025年达到30GW，2030年全面市场化。根据中信证券对2021-2025年全球光伏（分布式、集中式）、风电的新增装机规模预测，在相应配储功率比例和储能渗透率假设下，预计2021-2025年，光伏发电装机的配套储能需求为7.7/15.5/25.0/36.0/51.5GW，相应备电时长假设下的储能容量预测为15.4/35.3/62.4/102.6/163.6GWh；相应风电装机预测下，预计2021-2025年风电发电带来的配套储能需求为1.7/3.6/6.1/9.2/13.0GW，相应备电时长假设下的储能容量预测为3.5/7.3/12.2/20.2/32.5GWh。

压缩空气储能系统是以高压空气压力能作为能量储存形式，并在需要时通过高压空气膨胀做功来发电的系统，其技术原理发展自燃气轮机。

现代燃气轮机由压缩机、燃烧室和膨胀机组成，压缩机和膨胀机均为高速旋转的叶轮机械，是气流能量与机械功之间相互转换的关键部件。其基本工作过程为环境空气被压缩机压缩到高压，然后压缩空气和燃料流入燃烧室进行燃烧，产生高压高温气流，在膨胀机内膨胀产生轴功。其具有功率密度大（体积小、重量轻）、起动速度快、少用或不用冷却水等一系列优点。

图表3 燃气轮机组成及工作过程

资料来源：中科院之声

由于压缩机和膨胀机安装在一根轴上，压缩机消耗的能量由膨胀机提供（压缩机是为了提升工质压力，便于膨胀机做功），如果压缩机和膨胀机安装在不同的轴上，则压缩过程和膨胀过程可以分开，这就形成了压缩空气储能技术(压缩空气储能系统)的基本雏形。

储能时段，压缩空气储能系统利用风/光电或低谷电能带动压缩机，将电能转化为空气压力能，随后高压空气被密封存储于报废的矿井、岩洞、废弃的油井或者人造的储气罐中；释能时段，通过放出高压空气推动膨胀机，将存储的空气压力能再次转化为机械能或者电能。

图表4 超临界压缩空气储能站示意图

资料来源：中储国能

上世纪50年代至今，压缩空气储能技术经过多轮迭代，由补燃式压缩空气储能系统（德国、美国），发展至主流的先进压缩空气储能（蓄热式）、超临界压缩空气储能（中国）、水下压缩空气储能（加拿大）。经过多年的应用研究，先进压缩空气储能系统解决了三大瓶颈问题：非补燃式储能系统解决了对化石能源的依赖；储罐、人造洞穴解决了对大型储气室与矿洞的依赖；蓄热罐有效提升电对电效率至70%。

其应用场景也得到了极大的拓宽。先进蓄热式压缩空储能系统效率较高，具备较为成熟的技术，加之我国有大量的盐洞、废弃矿洞，利用已有洞穴建设低成本的压缩空气储能系统非常有发展前景，因此蓄热式系统有望在未来几年得到广泛关注和应用。超临界系统和液态系统由于具有较高的能量密度，占地面积小，将在无天然洞穴地区受到越来越多的青睐，特别是超临界系统还具有较高效率的优点，其吸引力将更大。水下系统由于其工作环境，有望在海洋中得到一定应用，未来水下储气装置技术成熟后，可在海洋环境如海上风电储存方面得到一定应用。

大规模时，压缩空气储能可用于电力系统削峰填谷、可再生能源平滑波动、可再生能源/工业余热耦合利用、火电厂/核电厂变工况辅助运行等，中小规模时，可用于分布式能源系统、分布式微电网、压缩空气储能汽车、无人机弹射技术等方面。

图表5 压缩空气储能技术路径比较

资料来源：陈海生等，2016，《Thermodynamic characteristics of a novel supercritical compressed air energy storage system》，金研团队译

物理储能、化学储能和电磁储能有着不同的性能特点，适用于不同的应用场合和领域。抽水蓄能、压缩空气储能、液流电池可实现大规模、长时间储能，统称为长时储能技术；钠硫电池、铅酸电池等适用于短时的电力系统调峰与能量调度；超级电容器、铅酸电池和飞轮适用于旋转备用；超级电容器、超导储能系统、飞轮、锂离子电池和其他先进电池适用于电能质量管理。

压缩空气储能作为已商业化的成熟技术，其长时储能的特性使其成为了抽水蓄能的良好替代方案——尤其是在受水资源制约严重的我国北方地区。

图表 6  各类储能方式技术参数、经济参数

资料来源：国际可再生能源署IRENA，2020，《电储能系统估值框架》，金研团队译

图表 7  各类储能技术应用领域

压缩空气储能产业链上游主要是原材料生产加工、装配、制造行业，属于机械工业的一部分，但涉及压缩空气储能本身特性和性能要求，对部件设计、加工的要求较为严格。中游主要是系统集成及关键部件加工行业，属于技术密集型，具有多学科、技术交叉类行业。下游主要是用户对压缩空气储能系统的使用和需求侧，涉及电力、可再生能源、电子及管理控制等多个行业，具有广泛的前景。

图表 8  先进压缩空气储能设备制造产业链

资料来源：公开资料

压缩空气储能系统的关键技术包括压缩机技术、透平膨胀机技术、燃烧室技术、储热换热技术、储气技术和系统集成与控制技术等。主机设备方面，中国有成熟的工业器械产业链，是大型膨胀机、压缩机制造大国，行业成熟、成本较低。我们有理由相信，未来100MW压缩空气储能设备的降本空间会在30%-50%。

储能是刚需，而目前所有储能站几乎都不是盈利主体。一直以来，最成熟的抽水蓄能项目是由国家电网负责投资布局，项目收入与成本基本打平，不直接产生效益，而是对电网调峰起较大作用。目前，国网的投资压力巨大，另一方面，风光发电扩产带来的储能与上网需求越来越大，国网无法独自承担庞大的储能基础设施投资。因此，储能电站的投资亟需社会投资人的参与。由于单独投资风电场、光伏电场的效益较高，地方政府就将按配建储能站的任务分配到风光发电场的投资人身上，要求投资风光发电场必须配备10%-15%的储能设施。

初始投资方面，压缩空气储能是抽水蓄能的1-1.5倍，该初始投资成本仅占储能度电成本的三分之一。无论是用于减少弃风弃光，还是电价套利，后续运营成本中对储能度电成本影响最大的因素是买电价格或谷电价格。因此，需要因地制宜地衡量在峰谷电价差高、缺水的地区布局压缩空气储能的综合经济效益。截至2022年3月，全国有19省市峰谷电价差超0.7元/度，对储能电站布局的经济性提供了一定的保障。

在减少弃风弃光方面，根据国家能源局数据，2021年1-9月，全国风电平均利用率96.9%，同比提高0.3%，弃风电量约147.8亿千瓦时；全国光伏发电平均利用率98.0%，同比下降0.3%，弃光电量约50.2亿千瓦时。部分西北部省份的弃光、弃风现象依然较严重，且装机量普遍超过年初电网对非水可再生电力消纳目标。从弃风率情况来看，2020年弃风率排名前三的省份是新疆（10.3%）、内蒙古（7.0%）、甘肃（6.4%）。从弃光率来看，2020 年弃光率排名前三的省份是西藏（25.4%）、青海（8%）、新疆（4.6%）。对发电企业而言，弃风弃光电能的买电成本为零，因此储能的度电成本仅为初始投资度电成本，约0.12元/度（以张北100MW空气储能项目为例，假设日循环2次），故毛利润为峰电价格减去0.12元的差额，利润可观。在可再生能源资源丰沛的三北地区，由于水资源受限，目前电化学储能成本高昂，尚无大型示范项目，并且不适合长时储能，北方地区唯一的长时储能选项就是压缩空气储能。

日前，发改委、能源局印发《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》，明确新型储能可作为独立储能参与电力市场，并对其市场机制、价格机制和运行机制等作出部署。推动独立储能参与电力市场配合电网调峰，独立储能电站向电网送电的，其相应充电电量不承担输配电价和政府性基金及附加。解决了原先充电电量价格机制不明确的问题，有利于推动独立储能发展并以市场方式获利。以建有独立储能电站的山东省为例，新政执行后，参与电力现货市场的独立储能度电收益有望增加0.1元~0.2元/度。

站在投资人的角度，虽然眼下并不能在全国范围内仅依赖储能站产生盈利，而是为了满足投资可再生能源发电前置条件，即满足刚需，但随着储能在电力市场中的身份定位、现货交易规则、投资回报机制的日渐明晰，大型空气充电宝的投资属性将有较大的提升；而提高储能使用小时数，是平摊、降低度电成本的唯一方式。对于储能设备供应商而言，只要保证技术先进性、价格合理性，市场空间将是巨大的。

金研资管积极布局新型储能行业，参与投资中储国能的先进压缩空气储能技术。我们期待以更绿色环保的方式为碳中和及储能事业做出贡献。