我们花了18年，做出了世界上最强的“空气充电宝”。
研发压缩空气储能、应用压缩空气储能，是我们的梦想、我们的使命，也是我们的责任。陈海生 · 中国科学院工程热物理研究所研究员。
在谈空气充电宝之前，我们先来谈谈能源。我们都知道，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。人类现在正在经历第三次工业革命，也就是我们通常所说的电子信息化时代，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。
除了和工业联系密切，能源也与我们的日常生活息息相关。我国的“双碳”目标力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，其主要手段就是提高可再生能源的应用比例，以替代化石能源。我们的目标是：2025年可再生能源发电装机占比将超过50%，2060年非化石能源的能源消费占比要达到80%。
但是，可再生能源和化石能源相比有一个鲜明的特点，或者说缺点，那就是它的不可控性——我们通常讲叫“靠天吃饭”。
具体地说，就是间歇性、波动性和周期性。这种不可控性会带来什么后果或者影响呢？我们先来看看传统电力系统的运行模式。传统的电力系统将电力从发电厂发出来之后，通过输、配到达用户。用户端的负荷是不可控的，而发电端是可控的，电力系统通过控制发电端出力进行电网的调度，来配合负荷的变化，达到实现动态平衡的目的。
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的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，甚至造成很多发出来的电无法上网的情况，也就是我们通常所说的弃风、弃光现象。那么如何解决这个问题？根本上要靠储能来实现平衡。就好比一个供水系统：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。
在电力系统当中，它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%。正由于储能的重大战略需求，它被《科学》列为人类面临的125个终极科学问题之一，同时它也是第三次工业革命的关键支撑技术和国家的战略性新兴产业。
目前已有的储能技术大致可以分为两类：一类是物理储能，包括抽水蓄能、压缩空气、蓄热和飞轮等；另一类是化学储能，主要包括各种电池，如我们经常用到的铅酸电池、锂电池、钠电池和液流电池等。不同的储能技术有不同的性能特点。
如果我们把这些储能技术放在一起，就会发现不同的储能技术有不同的应用场景。我们今天所提到的空气充电宝，也就是压缩空气储能，它在适合于大规模、长时间的储能技术。
我为什么选择压缩空气储能作为自己的研究方向呢？最主要就是因为压缩空气储能有着优异的性能，它的规模大、寿命长、储能的周期不受限制、建设和运行成本低。其次，压缩空气储能所涉及的学科主要包括动力工程和工程热物理，正好是我所在的工程热物理所的主流学科。
2004年我开始做压缩空气储能研究时，国内基本上处于一个空白状态。很多关心我的老师也曾经提醒我：“进去4度电，出来3度电，海生你好好考虑，这个研究方向对不对。”但是考虑到既然可再生能源是我们的发展趋势，储能在未来就一定会有大发展前景，我就坚持下来了。现在回头看，能够把自己的研究兴趣、工作以及具有发展前景的创新性方向结合在一起，真的是一种幸运。
传统压缩空气储能存在的问题主要有三个方面。第一个就是空气在压缩过程中产生的压缩热没有回收。第二，空气的储能密度比较低，所以需要大规模的储气装置。第三，压缩、膨胀等系统过程相互独立，使得它的总体效率不高。
我们的总体思路就是通过压缩热的回收、气体高压或者液化的高密度存储，以及高效过程和耦合匹配，来解决这些问题。
具体地说，我们首先在空气压缩的过程中，通过换热器将压缩机的压缩热交换、回收回来，再在蓄热器当中存储起来。在发电的时候，膨胀机再通过蓄热器回收热量，从而摆脱对化石燃料的依赖。其次，通过压力容器球形储罐或者液态的杜瓦罐等储气装置，摆脱对地理条件的依赖。最后，通过高效的压缩和膨胀、释热和放热，来提高单个过程的效率。
基于这三项技术，我们设计出了先进的压缩空气储能。它的工作原理是在用电低谷期，将空气压缩、存储在储气装置当中，同时回收它的压缩热；在用电高峰时释放高压空气，将存储的热回收回来，最后实现用高温高压的空气驱动膨胀机发电。
为了实现从实验室样机到工程示范的转变，我们采取了逐步放大、稳步提升的策略，从1千瓦、15千瓦、1.5兆瓦、10兆瓦、100兆瓦，一步一步地扎实推进，保证我们从一个胜利走向另一个胜利。2021年底建成的河北张家口国际首套100兆瓦的先进压缩空气储能系统，其性能指标优于国际同等规模的压缩空气储能系统。
在未来，我们还要做好三件事情：一是现有技术的推广和应用；二是更大规模的系统研发，比如300兆瓦系统；第三就是不断研发新的压缩空气储能技术，不断提高效率和其他性能。相信随着可再生能源和储能技术的大规模发展，可再生能源将经历可再生能源补贴、可再生能源平价，再到可再生能源+储能平价的时代。只有可再生能源+储能实现平价，人类的可再生能源时代才会真正到来。
研发压缩空气储能、应用压缩空气储能是我们的梦想、我们的使命，也是我们的责任。最后要感谢我的团队，所有的工作都是他们做的，我只是代表他们来做报告。能和一帮志同道合的人一起奋进前行，真的是我的幸运。