节能储能（空气人类储能和减排的魔力未来）

核心观点：液化空气储能的液化和气化过程在空间和时间上可以分离，具有储能介质能够分散、运输和转移使用的独特优势，在发挥储能作用的同时，能够广泛用于社会面的供暖、供冷、冷藏、散热等场景，额外发挥出巨大的节能效果，这是其他诸多储能方式完全无法做到的，因此，可能出乎很多人的意料，液化空气未来有望仅凭一己之力基本满足全社会储能需求，我们根本无需大规模发展其他储能方式同时，考虑到使用安全性以及生产过程和报废后的巨大污染，除了二次利用电动汽车等的旧电池外，我们完全不应该也没有必要发展化学电池储能储能产业的规划、发展以及储能赛道的创业、投资等均不能不对此进行深入的思考和研究，我来为大家讲解一下关于节能储能?跟着小编一起来看一看吧!

节能储能

核心观点：液化空气储能的液化和气化过程在空间和时间上可以分离，具有储能介质能够分散、运输和转移使用的独特优势，在发挥储能作用的同时，能够广泛用于社会面的供暖、供冷、冷藏、散热等场景，额外发挥出巨大的节能效果，这是其他诸多储能方式完全无法做到的，因此，可能出乎很多人的意料，液化空气未来有望仅凭一己之力基本满足全社会储能需求，我们根本无需大规模发展其他储能方式。同时，考虑到使用安全性以及生产过程和报废后的巨大污染，除了二次利用电动汽车等的旧电池外，我们完全不应该也没有必要发展化学电池储能。储能产业的规划、发展以及储能赛道的创业、投资等均不能不对此进行深入的思考和研究。

冬天那么多冷，我想借点到夏天；夏天那么多热，我想用它来发电；我想让富余的电力可以普遍地存储和利用；我想捡起那些从火电厂、发动机等地方白白散掉的热；我想大范围利用超导电缆输电。这些似乎有点魔力的事情依靠谁能够做到？答案是——空气！

是异想天开吗？不，这还真可能是一个造福当代、利在千秋的终将实现的超级梦想！空气本身不是能源，但它可以是能量的载体，它能够通过释放、吸收和转移能量发挥出巨大的减排作用。如何实现，且看分解：

一、空气的基本性质

空气主要由氮气、氧气、惰性气体及二氧化碳、氢气、一氧化碳等组成，其中，按体积计算，氮气占78.08%，氧气占20.95%，氩气占0.93%，三者占比共计99.96%。常压下，氮气沸点-195.8℃，氧气沸点-182.98℃，氩气沸点-185.7℃。在我们一般了解的空气成分中，只有氖气、氦气、氢气三者的沸点比氮气的沸点低。

我们知道，将气体冷却到沸点以下，其会变成液体。根据空气各成分的沸点，在将空气冷却到氮气沸点之下时，几乎全部空气都已经液化，二氧化碳已经变成固体（干冰）。在气体变成液体或固体后，还可以气化成气体，液态空气气化后体积会膨胀约800倍（气化率）。

按体积计算，二氧化碳占空气的比例约为0.03%，常压下的沸点（升华点）为-78.5℃。固态的二氧化碳是把二氧化碳在6250.5498千帕压力下，冷凝成无色的液体，再在低压下迅速凝固而得到，就是俗称的干冰，其气化后体积膨胀近800倍。若只从空气来看，二氧化碳含量极低，如果用空气单独制作干冰成本会很高，但是，我国目前每年燃烧煤炭、天然气、燃油三者产生的二氧化碳排放量在120亿吨以上，我们有很多集中产生二氧化碳的地方（比如：火电厂、钢铁厂、水泥厂、供热厂、酿酒厂等）。

由于能够急速冷冻物体和降低温度，目前，液氮已经在畜牧业、医疗、食品、工业等行业广泛应用，主要用于提供超低温度环境；干冰也已在食品、医疗、工业等领域得到较多应用，主要用于冷藏、冷冻、冷却、清洗等。

二、液化空气利用的可行性

1、液化空气利用的基本原理

我们知道，和普通空调的制冷剂原理一样，气体在液化过程中需要能量，同时也会释放出热能，反过来，液态气体在气化过程中会吸收热能，同时体积急剧膨胀，这种膨胀可以用来做功。干冰的生成和气化也是一样。液态空气和干冰都可以在保温容器中长时间存储，只是存储过程中会随着吸热逐步有小部分会气化（闪蒸气也是可以用来做功的）。

基于以上原理，我们可以使用用电低谷期的富余电能以及太阳能、风能发电站的无法上网的弃电来液化空气，液化过程中释放的热能可以用来供热或存储起来用于气化。相反，在用电高峰期或太阳能、风电的低谷期，我们可以通过液态空气的气化膨胀来进行发电，气化形成的冷能可以用来供冷或存储起来，气化所需的热量可来自于液化过程中存储的热量、环境热量、对其他设备散热获得的热量等。干冰也可以按照此种方式进行利用，只不过由于高浓度二氧化碳不像空气一样无处不在，干冰需要在火电厂等排放二氧化碳的地方进行制造。

2、液化空气利用的可行性

在原理上来讲，通过液化空气储能是没有问题的。那么，其在实际技术上、工程上是否可行？是否能够具有经济价值？由于目前没有大规模的应用，不能说这些方面都一定没有问题。但是，我们可以通过参考其他类似的产业来进行一定的判断。目前，液化天然气(LNG)已经在全球范围内得到大规模的应用，它是天然气经压缩、冷却至其沸点温度（-161.5摄氏度）后变成的液体。液化空气的温度只比液化天然气低34.3度，鉴于LNG从液化工厂、存储、运输到使用已发展相当成熟，我们可以有理由相信，液化空气及其利用在技术和工程上是完全可行的。

从经济上考虑，如果单从储能上来看，虽然没有详细的计算和论证，但若能够实现大规模应用，应该是能够具备经济价值的，尤其是在利用弃电的情况下（2021年全国弃风电量达206.1亿千瓦时，弃光电量达67.8亿千瓦时），相当于电费免费，其经济价值将会更加突出。如果再考虑储能以外的额外场景，液化空气利用更加能够形成巨大的经济价值。

实际上，根据报道，2017年中科院理化所团队已在廊坊中试基地完成了100kW低温液态空气储能示范平台的建设，取得了良好的实验结果，蓄冷效率达到了90%，系统整体效率可达60%，达到国际领先水平。

3、液化空气的应用范围

毫无疑问，储能是液化空气的一个重要应用场景，由于空气无处不在，只要通电的地方，我们都可以利用液化空气进行储能。除此之外，我们日夜呼吸的空气还会给予我们更多。由于空气液化放热、气化吸热、气化膨胀可以做功以及安全无污染等特点，液化空气还有比单纯储能重要得多的能够产生巨大价值的多个潜在应用场景，那就是体系化用于整个社会面的供暖、供冷、散热等，并同时利用液态空气的气化进行发电。

三、液化空气社会面潜在应用场景

目前，液氮已经得到了较多的应用，但总体应用量并不大。从更广的角度看，基于其独特的属性，液态空气在社会面有着众多的大规模、高价值潜在应用场景。

1、供暖、供冷

基于空调的使用，在冬天，我们将室内空气加热，对应的冷能白白释放到环境中，且让外部更冷；在夏天，我们将室内空气降温，对应的热能白白释放到环境中，且让外部更热。我们能否用冬天的冷能来中和夏天的热能？当然是可以的，只要有电、有空气的地方都可以，具体方式为：冬天，我们压缩并液化空气，释放出的热能用于供暖，并将液态空气存储起来，夏天，我们利用液态空气进行供冷，吸收夏天的热，并同时利用液态空气的气化膨胀驱动发电机发电，实现将液态空气中存储的能量转换为电能。这种方式真正实现了热量在冬天和夏天的转移，能够大幅减少供暖和供冷的燃料或电力消耗，能够产生巨大的经济效益和减排效果。

当然，通过上述方式进行供暖和供冷不是一家一户可以实行的，必须要通过集中供暖、供冷的方式，在北方也许可以和现有的供暖系统进行结合。如果今后能够开发出适合于较小规模使用的空气液化设备，则可以在城市和乡村普遍推广应用基于液化空气的集中供暖供冷系统。如果只能大规模液化，那可以在少数地方建立空气液化工厂，并较为普遍地建设带有液态空气使用功能的中央空调系统，然后将集中生产的液态空气分送到各中央空调系统进行供冷和发电用。在实际应用中，如果空气液化释放的热以及气化所吸收的冷不足以满足供暖和供冷的需求，可以通过燃煤、天然气、电力等进行补充和调节。

2、火电厂

我国火电占全国电力的比重超过70%，火电机组能源转化效率很低（亚临界机组为38%，超临界机组为41%，超超临界机组为44%），纵使实行热电联产，火电厂还有大量的能量损耗。同时，火电厂还是二氧化碳排放的超级大户。在上述情况下，我们一方面可以考虑利用储能形成的液态空气中的冷能来将火电厂释放的大量二氧化碳生成干冰（用于供给冷库、供冷厂等地方使用），并利用液态空气的气化进行发电。同时，可以利用液态空气吸收火电厂余热，通过其气化膨胀来发电，实现将液态空气存储的能量转化为电能。

3、冷库

冷库的核心需求是冷源，我们可以设计制造能够利用液态空气的制冷系统，利用由富余电力或弃电生产的液态空气为冷库提供冷源，这样不仅可以使冷库无需用电就能制冷，还可以利用液态空气的气化膨胀进行发电。

4、数据中心

随着信息化的发展，社会对算力的需求越来越大，数据中心已经成为社会的一个耗能大户。数据中心在耗电的同时，会产生大量的热，如果能够将数据中心的散热系统改造为可以利用液态空气的系统，则能够在获得更好的散热效果的同时，实现充分利用数据中心产生的热量加热液态空气进行发电。

5、发动机

发动机在对外提供动力的同时，其自身还需要散热，液态空气本身富含冷能，且可以膨胀做功，我们可以考虑将两者结合起来，在现有发动机的基础上，增加可以使用液态空气或干冰的系统，在更好为发动机散热的同时，利用气化膨胀的能量为发动机增加动力或进行发电。

根据从网络了解的资料，1立方米常压液态空气内部的可用能为201度电，按普通小汽车计算，一个40升油箱的液态空气能够提供的能量为8度电，按每度电能够行驶5公里计算，这些能量能够使汽车行驶40公里，也是一个较为可观的数字；另一种说法是每升液态空气与1/8-1/15升的燃油相当，其综合成本可能是燃油的1/2-1/5。对于燃油车而言，能够利用液态空气进行散热和提供车内冷源，减少燃料消耗，并可以利用气化的能量提供部分动力。对电动汽车而言，能够利用液态空气的冷能进行散热和提供车内冷源，减少电力消耗，且能够利用气化发电进一步增加续航里程。尤其是对于增程式冷藏车而言，液态空气能够发挥的作用将会更大。

可能有人会问，发动机利用液态空气具备经济价值吗？我认为很具备价值，因为我们如果大规模利用液化空气储能，必须要有地方消化储能形成的液态空气，汽车就是一个相当大的应用场景，能够为液化空气储能产业的形成补齐关键性的环节。而且，由于液化空气使用的是富余电量或弃电，其成本会比较低，预计其使用能够显著降低汽车油耗成本。

可能有人还会问，汽车利用液态空气可行性吗？我认为是可行的，首先，从大环境来看，LNG产业已经十分成熟，相关技术、设备和加气站等设施能够直接或稍加改造后应用到液化空气领域；其次，发动机虽然需要增加使用气化膨胀的能量进行发电或做功的部件，并对散热系统、空调系统进行改造，但预计不会存在技术和应用上的障碍；第三，由于发动机利用液态空气本身是一个回收热量和提供额外动力的辅助行为，可以无需考虑输出动力的稳定性，且没有液态空气也不影响发动机的运行。

当然，发动机使用液态空气的实施难度相对更大，它面对的是千千万万的“散户”，在液态空气可以大规模生产的情况下，它还需要对发动机进行重新设计和生产，需要有比较普及的液态空气加注场站提供服务，但使用液态空气所带来的成本降低一定能够吸引一大批的用户使用，尤其是运营性质的载客汽车和大中型货车。

6、超导输电

高温超导电缆能在液氮汽化温度（约-196℃）下无电阻传输大电流，导体损耗不足常规电缆的十分之一，加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%，同时，使用超导电缆还可以节约大量的占地面积和空间，并减少金属和绝缘材料使用。实际上，超导电缆已经实现了商业应用，如：上海已于2021年建成1.2公里的目前世界上输送容量最大、长度最长、全商业化运行的35千伏高温超导电缆，电缆内部是零下196℃的液氮。

超导输电技术在原理上是最理想的一种输电技术，但目前建造价格昂贵，没有实现广泛的应用。超导输电的核心问题是保持电缆的低温，如果我们能够实现液化空气储能的大规模应用，将能够为超导输电低成本提供大量液态空气。我们可以在能源输出地液化空气，并建立从能源输出地到能源使用地之间的液态空气输送管道，一方面可以实现储能载体的输送和使用，另一方面能够在液态空气管道中放置超导电缆用于输电，大幅降低输电损耗，并提升输电能力。我们还可以结合城市供暖、供冷对液态空气的生成和使用情况，在城市中建立液态空气输送管道系统及配套的超导输电系统，在输送和使用液态空气的同时，实现城市超导输电的大范围应用。

7、超导储能

超导储能装置利用超导线圈将能量转换成电磁能进行存储，并通过功率变换器控制能量交换，适用于大功率、高动态响应储能场合。超导储能有着功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等诸多优点，超导储能系统可长期无损耗地储存能量，在建造时不受地点限制，维护简单、污染小，其转换效率超过90%，应用范围很广。

在液化空气大规模应用后，将能够以较低的成本普遍地为高温超导储能提供液态空气，满足超导储能的温度要求，从而推动超导储能的规模化、普及化应用，这使液态空气在自身发挥储能减排作用的同时，能顺带为超导储能创造极佳的发展条件。

8、其他

在液化空气大规模应用后，我们还有望为超导磁悬浮交通体系的发展和大规模应用提供坚实的支撑。我们可以沿着磁悬浮轨道建设液态空气输送系统，在输送液态空气的同时，为磁悬浮交通体系提供超导所需的低温环境。

我们也可以考虑利用液态空气来制造日常所需的冰块，并同时利用其气化膨胀来发电。另外，液化空气的大规模应用还可以为超导计算机、超导发电机等超导方面的产业以及其他需要超低温度环境的产业的发展和规模化应用提供有力的支持。

四、液化空气的产业化发展

液化空气如果仅用来储能，其实施会相对比较简单，只需要在有多余电力的地方建立液化设施和气化发电设施就行，但这种方式仅实现了电能的错峰存储和释放功能，对液化空气的突出特点和优势未能有效利用，不能在储能之外对全社会发挥节能减排作用。

实际上，人类社会能量的使用在时间和空间上存在巨大的错配，就使用空调而言，我们冬天为房间获取热能，而把冷能扔掉，夏天我们为房间获取冷能，而把热能丢弃，另外，我们的火电厂、发动机、钢铁厂、水泥厂等有大量的热量还需要花费电力去把它们白白散掉。结合液化空气储能作用，通过将液化和气化两个过程分开以及液态空气在时间和空间上的转移，我们能够在很大程度上弥合人类在能量使用时空上的错配，实现“把冷和热留给需要的地方，把白白浪费的能量捡起来”，这必将会大幅提高全社会的能量利用效率，为节能减排做出巨大的贡献。要实现液化空气这种“减少能量时空错配和能量浪费”的作用，必须要使液化空气形成一个大产业，形成完整的产业链条和完善的产业体系。

1、技术研发和设备制造

需要有专门机构对液化空气利用的整个技术路线进行研究和规划，并需要众多单位共同开展各项具体技术研究。在设备方面，一是要进行空气液化以及液态空气存储、运输、加注等设备的制造；二是需要针对各不同场景需求进行利用液态空气制冷及发电的设备研发；三是要开发能够利用液态空气能量的发动机，研究超导输电、超导储能、超导计算机等利用液态空气的相关技术和设备。如果能够将液化空气的相关设备小型化到可以利用于普通供暖（冷）厂或中央空调系统，将更能够推动液态空气的广泛应用。

2、空气液化和存储

可以考虑在不同地区建立大中型空气液化工厂，并建立大中型储罐，利用富余电力进行空气液化，实现储能，并将液化过程中的热量用于供暖或存储起来用于气化液态空气。同时，如果能够实现空气液化系统的小型化，则可以将液化和气化系统直接建立在居住小区或楼宇附近，成为地区供暖（冷）系统或中央空调系统的一部分。

3、液态空气运输和加注

液态空气的运输和加注与液化天然气类似，如果液态空气的温度在液化天然气设备的设计温度范围内，甚至可直接使用液化天然气的设备进行液态空气的运输和加注。我们可以采取固定加注点和移动加注车相结合的方式将液态空气送到需要使用的地方。

4、液态空气的使用

液化空气真正发挥作用的关键是能够获得规模化、体系化的应用，并做到全社会的协同使用。在供暖（冷）中心、火电厂、冷库、数据中心等地方，应该进行大面积推广使用。在汽车领域，如果能够成功在现有发动机的基础上开发出能够利用液态空气的设备，也要进行大规模推广应用。超导输电、超导计算机等其他产业预计也能够跟随液化空气产业的发展而逐步实现规模化。总体上来讲，液化空气储能和减排产业的发展需要靠使用来拉动，使用的规模越大，越能够降低产业整体成本，越能够提高全社会的能源利用效率。

5、与干冰的配合应用

与液态空气一样，干冰也可以实现同样的储能和减排功能，但干冰的制造不需要那么低的温度，且由于其为固态，存储、运输更为方便。为此，我们可以考虑将液态空气和干冰的应用有机结合起来，利用富余电力将火电厂、钢厂、水泥厂等产生的二氧化碳转化为干冰，并供应到供冷厂、冷库、数据中心等需要冷能的地方，与液态空气搭配使用。

6、产业化发展路径

从产业化发展路径上来看，首先，我们应重点将液化空气用于储能，实现液化空气储能的较大规模应用，建立起液态空气生产和存储产业体系；其次，研究制造相关设备，逐步试点和推广液态空气在供暖、供冷、冷库、数据中心、火电厂等集中式场景的使用，发展液态空气的大范围运输和加注能力；第三，研究制造利用液态空气的发动机，逐步试点和推广应用，最终形成成熟的广覆盖的液态空气生产、存储、运输和加注服务体系；第四，伴随着液化空气产业的发展和液态空气成本的降低，适时规模化发展超导储能、超导输电、超导磁悬浮、超导计算机、超导发电机等新兴产业。

五、液化空气利用的特点分析

液态空气温度极低，制造难度相对较大，在存储、运输和使用中也存在一定的风险。同时，如果不提供加热的热源，液态空气的气化只能靠吸收环境热量或其他设备的散热，膨胀做功的输出功率较低且不稳定（但实际上在多数使用场景中都不需要其大功率或稳定做功）。除此之外，用液化空气储能和减排有着诸多的优点：

1、完全靠物理作用实现能量的存储和转移，介质为空气，不会对环境造成污染，不会形成有害垃圾。相比而言，化学电池储能燃烧爆炸的风险较大，且废旧电池会造成巨大的污染（我认为除了二次利用电动汽车等的旧电池外，我们不应该发展化学电池储能）。

2、空气无处不在，只要有电的地方就能进行空气液化，这使液化空气储能能够实现广泛应用，不像抽水蓄能等需要特殊的场地。

3、液态空气不具备可燃性，无需高压存储，使用安全性较好，同时，其储能密度（单位储气容积的发电量）是压缩空气储能的15-20倍，且可以长时间存储，使用灵活性高。

4、与现有LNG产业的技术和设备趋同性高，可以利用LNG产业的现有资源，且预计可与LNG产业形成配合，使我们能够更好利用天然气液化过程中释放的热能、LNG本身含有的冷能以及LNG气化膨胀中的能量。

5、通过液态空气的运输，能够实现将能量载体在不同地方的转移以及在多个社会场景的广泛应用，而抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、超级电容储能、电池储能等方式的储能载体均无法实现转移。

6、更为重要的是，我们能够将液化放热和气化吸热在时间和空间上解耦，做到放热和吸热、热能和冷能的完全分开应用，实现“将冬天的冷能转移到夏天”和“捡起那些原来白白散失的热量”，这更是抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、超级电容储能、电池储能等方式完全无法做到的。

六、液化空气储能和减排的预期效果

1、发展可再生能源是大势所趋，未来太阳能、风能等清洁能源在全社会能源使用中的占比必将逐步提高，相应地对储能的要求也会越来越高。如果液化空气储能能够在全社会推广应用，预计其将能够仅凭一己之力基本满足电力调峰和储能需求，推动可再生能源发展，我们无需再去大规模进行其他方式的储能建设。

2、随着我国“碳达峰”和“碳中和”战略的推进，降低碳排放成为全国的一个重要目标和任务。通过大范围推广使用液化空气，可以实现“将冬天的冷能转移到夏天”和“捡起那些原来白白散失的热量”，能够在全社会范围内降低能源消耗，减少城市热岛效应，形成巨量的二氧化碳减排，为我国碳中和目标的实现做出巨大贡献。

3、如果我们把液化空气和干冰的利用结合起来，将火电厂、炼钢厂、水泥厂等的二氧化碳制造成为干冰，并将干冰用于制冷、散热、发电等，这样会在全社会形成较大数量的干冰循环存量，相当于直接实现了大规模的固碳。

4、液化空气潜在的应用范围广、场景多、规模大，将能够开创多个全新的产业领域，带来一大波创业和就业机会。如果液化空气能够形成一个大规模的产业，将能够在大幅降低全社会的能源使用成本的同时，大幅降低液化空气的成本，并在社会面形成巨大的液态空气循环存量，可以为超导储能、超导输电、超导磁悬浮交通等其他需要超低温环境的产业发展提供良好的支撑。

后记：前不久，我看到了《中国能源报》关于我国储能发展情况的一篇报道，突然想到了是否可以利用干冰储能和减排，可是仔细一想，空气中二氧化碳含量太低，用空气中的二氧化碳制干冰肯定不具有经济性，后来一想，那为何不利用液化空气呢？然后，通过进一步分析和查询相关资料，形成了上述的一些想法，这些想法并未向专家求证过，虽然我自己认为是可行的，但也很可能存在重大的遗漏或错误，恳请大家不吝指正（34620425@qq.com）。液化空气储能减排是一个潜在的超级大产业，希望相关部门能够站在全社会一体化应用的角度，组织开展面向未来的液化空气储能减排的规模化和产业化发展研究，并大力推动实施。希望我们能够在节能减排上尽早获得新突破，早日实现碳中和，迎来一个更加清洁和美好的世界。

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