储能实验中心建设管理对储能技术发展的影响——以毕节国家能源大规模物理储能技术研发中心为例

王 强，张雪辉，王 喆，王 吉，左志涛，李 辉

(毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心，贵州 毕节 551700)

为了减缓气候变化带来的极端危害，全球范围内需要在21世纪中叶实现碳中和[1]。2020年9月22日，中国政府在第75届联合国大会上正式做出中国的CO2排放于2030年前达到峰值，争取2060年前努力实现碳中和的承诺。中国作为发展中国家和世界第二大经济体系，年CO2排放量已居世界第一，且处于逐步增长、全面高速发展的阶段[2]，实现“双碳”目标任务艰巨。

为此，相关研究者研究了中国实现“双碳”目标所面临的问题和挑战。Turner等[3]探讨了中国2050年实现碳中和的技术路径。清华大学气候变化与可持续发展研究院[4]提出，中国的2060年碳中和目标符合1.5 ℃温升控制目标的要求。中国作为碳排放量大国，实现“双碳”目标比发达国家要付出更大努力。以电力能源为例，传统的煤炭发电还是主要的发电方式，煤炭发电会产生大量CO2和其他有害物质，不利于“双碳”目标的实现；以风电和光伏发电为代表的清洁能源对环境比较友好，有利于实现“双碳”目标，但具有的不稳定性和间歇性威胁电网安全，发展受限。储能的出现有效解决了该问题，陈海生等[2]提出，储能在可再生能源逐步成为主体能源、化石能源变为辅助能源和动力电池技术规模发展的进程中具有重要意义。王凌云等[5]研究发现电储能设备碳排放能够有效降低综合能源系统运行成本,同时减少碳排放总量，提升综合能源系统的经济效益。

储能产业发展方面，2021年全球储能市场装机功率约为205.3 GW，其中，中国储能市场装机功率为43.44 GW，位居全球第一[6]。2021年7月15日，国家发展改革委、国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中首次明确了储能技术是实现“双碳”目标的关键支撑技术[7]。国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，到 2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件[8]。

储能作为新兴产业，必然需要大量实验验证，因此，建设储能实验中心迫在眉睫。以毕节国家能源大规模物理储能技术研发中心为例，通过对其储能实验中心实验室的建设、管理、运行维护分析研究，为储能技术的实验验证提供理论支撑，这对实现“双碳”目标具有重要意义。

1 能源和碳排放现状

1.1 能源结构发展现状

电力是生活中重要的能源。近几年来，政府通过积极推动产业结构调整、能源结构优化等手段，清洁能源发电得到了快速的发展，但是总体比重较小。根据国家统计局公布的数据[9]，2012—2021年，中国的各种电力发电量及其所占总发电量的比例如图1所示。从图1中可以看出，中国的电力发电量处于一个快速增长的阶段。2012—2021年，中国的年总发电量从48 187.5亿kW·h增加至81 121.8亿kW·h，增加了67.92%；火电发电量从37 867.0亿kW·h增加至57 702.7亿kW·h，增加了52.38%；除火电以外的清洁能源年总发电量由9 538.2亿kW·h增加至23 419亿kW·h，增加了145.53%，但其中水电和核电占了相当大比例，例如2021年，水电和核电分别占清洁能源年总发电量50.56%、17.4%，风能和太阳能发电所占比例还较小，还具有很大的开发空间。

图1 2012—2021年中国各电力生产方式的发电量及占比[9]

1.2 碳排放现状

2010—2020年，中国的碳排放和世界碳排放变化趋势如图2所示[10]。据图2可知，2010—2020年，世界碳排放量经历了一个缓慢增长，然后下降的趋势，其中2010—2019年，世界碳排放量从31 085.5×106t增至34 169×106t,增加了9.91%；2020年，世界碳排放量降为32 284.1×106t，比2019年减少了5.51%。中国的碳排放量由8 143.4×106t增至9 899.3×106t，增加了21.56%。虽然中国的碳排放量从2011年以后的增长率都在控制在3%以下，且增长率在缓慢降低，但是在2010—2020年，中国的碳排放量占世界碳排放量26.2%～30.66%，实现“双碳”目标的任务，任重道远。

在严峻的“双碳”目标形势下，中国在能源结构供给方式上做了大量调整，近几年的风光储能源结构模式逐渐进入研究示范和商业化阶段。在火电方面，大唐托克托200万kW新能源外送项目的开工建设，标志着传统火电向向风、光、火多能互补转型，项目每年可生产“绿电”50亿kW·h以上，节约标煤超过170万t，减少CO2排放超过400万t[11]；在分布式能源方面,2021年8月15日，河北保定正式启动国家电网适应分布式新能源大规模接入的新型电力系统的配电网综合试点建设[12]；在电力系统建设方面，根据国家能源局2021年10月20日消息，国家能源局正在加大统筹协调力度，加快风电、光伏发电项目配套接网工程建设，积极推动“多发满发，能并尽并”原则，切实采取有效措施，保障风电、光伏发电项目并网条件[13]。

图2 2010—2020年中国与世界碳排放量变化趋势[10]

2 储能与碳中和

可再生能源的开发利用能够减少碳排放，实现“双碳”目标。但是风能、太阳能等分布式能源的不稳定性和间歇性，会对电网产生不利影响，甚至造成损坏。储能技术的出现能够解决这种问题。储能技术能够实现在用电低谷时，把电通过其他介质存储起来，在用电高峰，将存储的能量释放，并产生电能；此外，储能技术与风能、太阳能等分布式能源系统的耦合，还能够有效解决风能、太阳能等分布式能源不稳定性和间歇性的问题，对减少碳排放和实现“双碳”目标具有重要意义。

2.1 储能技术概述

储能技术主要分为物理储能和化学储能。物理储能有压缩空气储能、抽水储能、飞轮储能，超导储能等；化学储能主要体现在电池储能方面。储能具有削峰填谷的作用，还能有效解决风能和太阳能发电等分布式能源的不稳定性及日常电力的存储方面，比如新能源汽车领域的电池储能，大规模的电池储能，化学储能的效率比物理储能的效率高，但是其寿命不及物理储能。此外，物理储能能够做到百兆瓦级别，如抽水储能、压缩空气储能。抽水蓄能可以做到100 MW以上，技术发展成熟，但其受限于上下游水库等地理条件限制，压缩空气储能目前示范项目功率已达100 MW等级，且对地理位置的依赖远低于抽水储能，是较为理想的长时大规模储能技术之一。

2.2 建设储能实验中心的必要性

2020年7月，《国家能源局综合司关于组织申报科技创新(储能)试点示范项目的通知》指出[14]，在全国已投产电力储能工程(抽水蓄能除外)中组织筛选的首批科技创新(储能)试点示范项目中包含了电化学储能、物理储能、储热等多种技术类型，实现了可再生能源发电侧与风电、光伏发电联合运行，提升了电力系统运行的安全稳定性。用户侧项目能够有效调节用电负荷和增加分布式可再生能源应用，在为用户节约用电成本的同时，促进节能减排。

储能技术对推动能源结构形式的改革，实现“双碳”目标具有重要的作用。建立储能实验中心，将进一步研究大容量储能技术在电网侧的调峰和降低分布式能源对电网不稳定性的作用，对太阳能和风能的良好发展具有重要的作用，对推动实现双碳目标具有重要意义。

3 储能实验中心建设与管理

储能技术的发展必然需要储能实验验证，实验在储能技术研发与优化过程中发挥着不可替代的作用，对于储能实验过程的规范和高效管理有利于储能技术的长足发展，故研究储能实验中心的建设和管理对储能技术的发展具有重要意义。

3.1 储能实验中心建设

毕节国家能源大规模物理储能技术研发中心是首个国家级的物理储能研发中心，自2016年来，建成了压缩空气储能实验室、压缩机闭式实验室、蓄冷蓄热实验室、土壤储热实验室、抽水储能实验室、转子动力学实验室、液体膨胀机实验室等。所涉及的研究领域包括超临界压缩空气储能技术、蓄热式压缩空气储能技术、大规模蓄热技术、微小型抽水储能和先进工业节能技术。

压缩空气储能实验室如图3所示，压缩空气储能系统是国际首套集气装置储气10 MW先进压缩空气储能系统，在国际上具有领先水平，由国家能源大规模物理储能技术研发中心独立设计，具有独立的知识产权。包括储能子系统和集成实验平台。其中集成实验平台包括压缩机子系统、膨胀机子系统、蓄热子系统。压缩机子系统可以进行压缩空气储能的储气过程特性研究；膨胀机子系统可以开展压缩空气储能的释能过程系统特性研究；蓄热子系统可以进行压缩过程热量回收性能研究和膨胀机释能过程再热特性研究。

图3 压缩空气储能实验室

离心压缩机实验室如图4所示，由国家能源大规模物理储能技术研发中心独立设计，具有独立的知识产权。单级功率5.2 MW，设计转速40 000 r/min，设计排气压力10 MPa，能够进行10 MW压缩空气储能压缩系统的全尺寸、全工况实验以及100 MW压缩空气储能离心压缩机模化实验。

图4 离心压缩机闭式实验室

蓄冷蓄热实验室如图5所示，由国家能源大规模物理储能技术研发中心独立设计，能够对压缩空气储能领域各种蓄冷蓄热方面的性能展开研究。包括低温实验平台、高温蓄热实验平台、中温蓄热实验平台。各实验平台参数见表1。蓄冷蓄热实验室可以进行蓄冷蓄热材料的特性分析、蓄冷蓄热装置或系统在不同温度、压力、流量下的性能实验与检测、蓄冷蓄热装置的阵列性能测试和运行策略研究。

图5 蓄冷蓄热实验室

表1 蓄冷蓄热实验参数

土壤储热实验室如图6所示，由国家能源大规模物理储能技术研发中心独立设计，设计参数为系统最大功率15 kW，最大储热量600 kW·h，储热温度为40～80 ℃。可以进行跨季节储热系统的实验研究，包括系统整体性能实验和相关参数的优化实验。

图6 土壤储热实验室

微型抽水储能实验室如图7所示，由国家能源大规模物理储能技术研发中心独立设计，设计参数为最大输出功率为4 kW，释能时间为30 min，最高水头可达100 m，可以开展系统整体性能实验和关键部件的实验研究以及新型微小型水泵水轮机的性能测试。

图7 微型抽水储能实验室

转子动力学实验室如图8 所示，由国家能源大规模物理储能技术研发中心独立设计，设计转速40 000 r/min。能够进行轴间耦合对转子临界转速、振型特性的研究；模拟不平衡量对转子动力学特性的影响研究、支撑结构对转子动力学特性的研究。

图8 转子动力学实验室

图9 液体膨胀机实验室

液体膨胀机实验室如图9所示，由国家能源大规模物理储能技术研发中心独立设计，设计流量285 t/h，入口压力1.5 MPa。可以开展液体膨胀机额定工况性能实验，液体膨胀机实验系统变工况控制规律的研究。

通过多元化储能实验室的建设，储能实验中心有全球影响力的大规模物理储能研发中心，为大规模物理储能系统研发、示范和产业化提供整体解决方案，为可再生能源大规模并网、电网削峰填谷、电网事故备用、分布式能源和智能电网提供技术支撑。

3.2 人才队伍建设管理

实验室的专业技术人才和管理人才是实验中心的重要组成部分，能够为实验室高效、高质量完成相关科研任务提供保障[15]。实验中心的科研和高校的实验室不一样，高校实验室的对象主要是学生，而实验中心面对的是实际工程，不仅需要扎实的理论研究，还需要将理论和实验综合研究。因此，国家能源大规模物理储能技术研发中心对从事实验工作的工作人员要求也不一样，人才队伍的建设更加具有针对性，主要体现在：①掌握实验室相关领域的理论基础知识；②具有较强的动手能力，能够进一步开发各实验室的功能；③摆正心态，做好设备日常维护、保养，确保各实验工作的正常的展开。

国家能源大规模物理储能技术研发中心已经建设成为一支全方位、多领域的人才团队，目前拥有从硕士研究生到博士、博士到博士后的人才培养能力，真正做到不仅在物理储能技术研究领域的国际领先，而且在为国家储能人才培养管理方面提供了强有力的保障。

3.3 业务信息化建设管理

《教育部重点实验室建设与运行管理办法》指出教育部重点实验室实行“开放、流动、联合、竞争”的运行机制。同时指出科研仪器按照有关规定和要求实施数据共享[16]。国家能源大规模物理储能技术研发中心的信息化建设参照教育部重点实验室建设方法，通过开放实验室，实现实验中心之间资源共享，提高平台的利用率，同时还可以吸引国内外高水平科研人员做交流访问及合作研究。

国家能源大规模物理储能技术研发中心承担相对前沿的科研任务，传统的实验室管理方法已经满足不了实验中心的科研需求。借助计算机引进先进的现代化管理系统、方便高效的办公方式，既减少烦琐的审批程序，还能够解放双手，让实验人员有更多的时间投入到科研中去。国家能源大规模物理储能技术研发中心采用的ARP移动办公系统，解决了传统办公的烦琐的签字流程，通过网络或者手机，就能实现办公审批，极大地提高了办公效率。此外ARP系统在科研项目管理方面能够方便科研项目管理人员精准分类，高效地管理科研项目。

3.4 实验室管理

实验技术人员平时承担的很大一部分任务是对设备进行日常维护管理，保证实验室的安全运行[17]。国家能源大规模物理储能技术研发中心实验室的设备中包含有一般设备和特种设备，二者需要区分管理。

3.4.1 一般设备管理

一般设备管理模式如图10所示，主要分为日常管理和例行巡检，各实验室都安排专人进行定期检查，确保实验中心各实验室的正常运行。

图10 一般设备管理流程

3.4.2 特种设备管理

在实验平台中，特种设备主要包括压力管道、压力容器、起重机等。特种设备的管理除了按照一般设备的管理模式外，还需要特种设备安全管理人员对试验中心的所有特种设备进行管理。

特种设备管理坚持安全第一、预防为主、节能环保、综合治理的原则，并接受政府特种设备安全监督管理部门的监督。科研单位作为特种设备的使用者，在特种设备安装之前需要向特种设备安全监督管理部门报备，且在竣工验收30日内将特种设备相关资料存入专门的安全技术档案，并在特种设备投入使用之前或者投入使用30日内，向特种设备安全监督管理部门办理使用登记，并将证书放在设备显著位置。若特种设备需要改造，重大维修，需要接受特种设备检验机构的监督检验，若改变用途，需要办理变更登记，方可继续使用[18]。

在特种设备的使用过程中，应当对特种设备进行经常性维护保养和定期自行检查并记录。在检验合格期满前一个月向特种设备检验机构提出检验申请，并配合完成相关检验工作，特种设备安全管理人员应对特种设备使用状况进行经常性检查，发现问题及时处理并上报[18]。

3.5 实验室运行和安全管理

实验室是实验中心的核心业务部门，担负着整个实验中心的科研任务，也承接外来相关科研任务，实验室的正常运行和安全管理至关重要。

国家能源大规模物理储能技术研发中心在实验室运行和安全管理方面需要遵循以下要求：

1)实验有审批，开机有记录，压实安全责任。

2)一般实验设备每隔1个月有专人负责巡检维护，特种设备除每隔1个月专人负责巡检维护外，严格按照特种设备管理办法执行日常管理和维护。

3)实验中心每季度召开安全委员会，部署安全巡检工作。

4)每年定期开展消防安全培训，增强实验人员的安全意识。

4 结论

国家能源大规模物理储能技术研发中心自成立以来，在上述的建设和管理模式下成功运行，并取得了优异的成绩，得到了业界一致好评。通过储能实验中心的建设管理分析，得到如下结论：

1)储能技术是中国能源结构形式改革的重要技术支撑，储能技术研发中心及其相关的示范实验平台中心的建设，对推动储能事业良好发展、实现“双碳”目标具有重要意义。

2)建成相应体系的储能配套实验室能够进一步全面开展大规模的物理储能技术研究，对储能技术健康快速发展提供实验验证的平台。

3)储能实验中心的建设和现代化管理，持续提升实验室的管理水平，是储能实验中心持续良好发展的必经之路，对储能技术的发展至关重要，也是早日实现“双碳”目标的重要保障。