現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)面面觀

陳欣 鄒晨曄

儲(chǔ)能與我們每個(gè)人的生活息息相關(guān)，手機(jī)充電是儲(chǔ)能，太陽(yáng)能熱水器是儲(chǔ)能，停電時(shí)臨時(shí)使用的UPS（不間斷電源）也是儲(chǔ)能。從字面意思上來(lái)看，儲(chǔ)能就是利用各種方式儲(chǔ)存能量，然后在需要時(shí)使用的技術(shù)。

在邁向碳中和的大背景下，正在尋求綠色化轉(zhuǎn)型的電力系統(tǒng)離不開(kāi)風(fēng)電和光電，這就讓儲(chǔ)能技術(shù)成了當(dāng)下的熱門話題。本文暫不關(guān)注生活中那些瑣碎的儲(chǔ)能事例，而是聚焦于那些能讓電力系統(tǒng)更靈活、更經(jīng)濟(jì)、更安全的儲(chǔ)能技術(shù)，將其利弊得失細(xì)細(xì)道來(lái)。

原理簡(jiǎn)單應(yīng)用廣泛的抽水蓄能

經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展，儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)出許多成熟的技術(shù)，并且得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，儲(chǔ)能技術(shù)通?？煞譃?大類：

1.機(jī)械類儲(chǔ)能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等；

2.電磁類儲(chǔ)能，如超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等；

3.電化學(xué)類儲(chǔ)能，如鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池等；

4.熱儲(chǔ)能；

5.化學(xué)類儲(chǔ)能。

不同的儲(chǔ)能方式有著各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)景。

抽水蓄能是當(dāng)今世界上最為重要的儲(chǔ)能方式之一。早在一個(gè)多世紀(jì)以前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。1882年，世界上第一座抽水蓄能電站在瑞士建成。

相比國(guó)外，我國(guó)的抽水蓄能技術(shù)雖起步較晚但發(fā)展飛速。盡管直至1968年，我國(guó)才在河北崗南建立了第一座抽水蓄能電站，不過(guò)我國(guó)現(xiàn)在抽水蓄能電站的總裝機(jī)容量已居世界第一。

抽水蓄能背后的原理很簡(jiǎn)單，即將水從低處通過(guò)水泵引至高處儲(chǔ)存起來(lái)，將電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。而當(dāng)需要電能時(shí)，再讓處在高位的水流下，在此過(guò)程中通過(guò)發(fā)電機(jī)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。因此，抽水蓄能電站最重要的組成部分就是上下兩個(gè)水庫(kù)。上水庫(kù)負(fù)責(zé)在較高地勢(shì)差處蓄水，下水庫(kù)則負(fù)責(zé)儲(chǔ)水。此外，還有壓力管道、發(fā)電渦輪機(jī)、水泵等設(shè)備。

抽水蓄能技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，抽水蓄能技術(shù)的容量較大，上水庫(kù)依托自然環(huán)境可以做得很大。而且抽水蓄能電站的使用壽命與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比是較長(zhǎng)的，可達(dá)幾十年。

但是，受限于儲(chǔ)能的原理，該技術(shù)需要大量的前期投資來(lái)建設(shè)水庫(kù)等設(shè)施，并且抽水蓄能電站的建設(shè)受限于地理環(huán)境。

瑕瑜互見(jiàn)的壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能的容量量級(jí)僅次于抽水蓄能。壓縮空氣儲(chǔ)能，顧名思義就是將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能。在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期儲(chǔ)存壓縮空氣，而在電網(wǎng)運(yùn)行高峰期使壓縮空氣通過(guò)渦輪機(jī)發(fā)電。

壓縮空氣可以儲(chǔ)存在壓力容器中，也可以利用天然洞穴來(lái)存儲(chǔ)。對(duì)于利用天然洞穴來(lái)存儲(chǔ)壓縮空氣的設(shè)備來(lái)說(shuō)，其優(yōu)缺點(diǎn)與抽水蓄能一樣，高容量，長(zhǎng)壽命但投資成本高，且受限于環(huán)境。壓力容器雖然布置可以更加靈活，但成本還是居高不下。

目前，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)最大的問(wèn)題還是其效率低下。壓縮空氣的過(guò)程中，氣體的溫度會(huì)上升。對(duì)于非絕熱的設(shè)備，氣體在存入容器或天然洞穴之前需要降溫，否則壓縮氣體在容器中從高溫逐步降至常溫時(shí)，壓力會(huì)下降，達(dá)不到儲(chǔ)能的目的。在使壓縮空氣通過(guò)渦輪機(jī)之前，又需要加熱氣體，以保證渦輪機(jī)的平穩(wěn)高效運(yùn)行。

散熱和加熱兩個(gè)步驟使得非絕熱的壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)備的效率較低，僅不到55%。當(dāng)然，使用絕熱的設(shè)備可以在一定程度上提升效率，但這又會(huì)帶來(lái)自消耗率高的新問(wèn)題，使得其難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能。因此，盡管擁有廣闊的前景，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)目前的發(fā)展情況還是比較緩慢。

功率密度極高的飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能同樣是電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。

當(dāng)需要儲(chǔ)能時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能。相反，當(dāng)需要釋放能量時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與此同時(shí)飛輪轉(zhuǎn)子逐漸減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

飛輪轉(zhuǎn)子通常由高強(qiáng)度的復(fù)合纖維材料制成。轉(zhuǎn)子被安裝在一個(gè)真空罩中。真空罩既能減小阻力，同時(shí)也能防止高速旋轉(zhuǎn)的飛輪發(fā)生意外事故。飛輪轉(zhuǎn)子安裝在低摩擦的軸承上，有時(shí)為了進(jìn)一步降低摩擦損耗，會(huì)使用磁懸浮軸承來(lái)代替機(jī)械軸承。

作為機(jī)械類儲(chǔ)能方式的一種，飛輪儲(chǔ)能壽命長(zhǎng)，無(wú)污染。同時(shí)，與抽水蓄能相比，飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的體積小，對(duì)設(shè)備安裝環(huán)境要求低。飛輪儲(chǔ)能還具有極高的功率密度，部分設(shè)備甚至能達(dá)到10千瓦/千克的功率密度。

但是，飛輪儲(chǔ)能也有許多缺點(diǎn)，如復(fù)合纖維材料的飛輪制造成本高昂等。其中，最大的缺點(diǎn)就是這種儲(chǔ)能設(shè)備的放電時(shí)間極短。通常只要幾十秒至幾分鐘，飛輪的動(dòng)能就消耗殆盡，需要再次利用電動(dòng)機(jī)充能。

飛輪儲(chǔ)能的這些獨(dú)特性質(zhì)決定了它廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。短時(shí)間內(nèi)的高功率輸出足夠幫助工廠在停電時(shí)平穩(wěn)過(guò)渡到備用能源。它的體積優(yōu)勢(shì)和高功率密度的優(yōu)勢(shì)也能使其安裝在新能源汽車上，回收剎車的能量。

電磁類儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用受限

飛輪儲(chǔ)能屬于機(jī)械類儲(chǔ)能，超級(jí)電容器屬于電磁類儲(chǔ)能，但是兩者卻具有相似的特性。超級(jí)電容器是一種電荷存儲(chǔ)的設(shè)備，與普通的電解電容器不同，借助雙電層的原理，超級(jí)電容器的容量可以達(dá)到前者的成百上千倍。盡管與電池同樣有一個(gè)“電”字，但兩者實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的原理可是截然不同。電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量，而超級(jí)電容器的儲(chǔ)能則是純粹的物理過(guò)程，它是通過(guò)儲(chǔ)存電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的。

不同的儲(chǔ)能原理使得超級(jí)電容器擁有遠(yuǎn)高于電池的充放電速度、功率密度和壽命。當(dāng)然，超級(jí)電容器儲(chǔ)能不可避免也有一些缺點(diǎn)。和傳統(tǒng)的電化學(xué)電池相比，它雖然有更高的功率密度，但是能量密度卻更低。同時(shí)，它的高自放電率也限制了它的應(yīng)用。

同屬電磁類儲(chǔ)能的超導(dǎo)儲(chǔ)能則是利用超導(dǎo)體零電阻的效應(yīng)來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能的。將一個(gè)超導(dǎo)線圈置于超導(dǎo)的環(huán)境下，線圈的電阻即為零，此時(shí)利用電磁感應(yīng)原理在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流便能持續(xù)存在。電網(wǎng)需要調(diào)峰時(shí)，便可將線圈接入負(fù)載電路，從而釋放電磁能量。

超導(dǎo)儲(chǔ)能具有許多優(yōu)勢(shì)，如損耗低，系統(tǒng)響應(yīng)快，使用壽命長(zhǎng)。但是，為了維持超導(dǎo)體零電阻的特性需要制冷，這些制冷設(shè)備還是使得其運(yùn)營(yíng)成本較高。

電化學(xué)類儲(chǔ)能隨處可見(jiàn)

和超導(dǎo)儲(chǔ)能相比，各種電化學(xué)類儲(chǔ)能要常見(jiàn)得多。如鋰離子電池，在我們的日常生活中已有著廣泛的應(yīng)用。手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車中都能見(jiàn)到它的身影。在大型的儲(chǔ)能設(shè)備中，鋰離子電池也發(fā)揮著重要的作用。

鋰離子電池依靠鋰離子在充電和放電過(guò)程中的移動(dòng)來(lái)工作。充電時(shí)，鋰離子從正極處脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)、隔膜嵌入負(fù)極，此過(guò)程包含了電荷的轉(zhuǎn)移；而在放電時(shí)，該過(guò)程與充電時(shí)相反。鋰離子電池的正極通常由磷酸鐵鋰或三元鋰組成（三元指錳、鎳、鈷或鋁這三種材料的聚合物），負(fù)極通常由石墨組成。

鋰離子電池具有高能量密度和高輸出功率的特點(diǎn)，同時(shí)也沒(méi)有鎳氫電池的記憶效應(yīng)。目前，世界各地也有許多關(guān)于鋰離子電池快速充電的研究。但是，鋰離子電池對(duì)使用環(huán)境的溫度比較敏感，過(guò)低或過(guò)高的溫度都不利于鋰離子電池的正常工作。

比如在我國(guó)的東北地區(qū)，由于冬季低溫的影響，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程急劇下降，影響了日常使用。此外，鋰離子電池的容量衰減也是一個(gè)重大問(wèn)題。日常生活中，基于鋰離子電池的設(shè)備就會(huì)隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)而容量下降。這一點(diǎn)，對(duì)在電網(wǎng)中運(yùn)行的鋰離子電池儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)說(shuō)顯得尤為致命。

與鋰離子電池一樣，鉛酸電池也是在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂脴O為廣泛的一種電池。它的成本比鋰離子電池更低，所以電動(dòng)助力車以及燃油車的電瓶等通常會(huì)使用鉛酸電池而不是鋰離子電池。鉛酸電池的正極為二氧化鉛，負(fù)極為鉛板，正負(fù)電極浸于稀硫酸組成的電解液中。在放電的過(guò)程中，二氧化鉛、鉛板和稀硫酸會(huì)反應(yīng)生成硫酸鉛和水；充電的過(guò)程則與之相反。

和鋰離子電池相比，鉛酸電池的成本低，放電電流大。但壽命的問(wèn)題同樣困擾著鉛酸電池。若維護(hù)不當(dāng)，鉛酸電池很有可能會(huì)壽命縮短。此外，若電池的充電電壓過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致氫氣的產(chǎn)生，從而帶來(lái)危險(xiǎn)。雖然有上述缺點(diǎn)，但總體來(lái)說(shuō)，鉛酸電池儲(chǔ)能作為一種歷史悠久、技術(shù)成熟的技術(shù)，還是在日常生活以及電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

儲(chǔ)能技術(shù)除了上述這些外，還有一些其他技術(shù)受限于篇幅無(wú)法一一展開(kāi)。例如依賴合成和燃燒氫氣、天然氣為儲(chǔ)能原理的化學(xué)類儲(chǔ)能，以及利用熔融鹽作為介質(zhì)的熱儲(chǔ)能，這些多樣的儲(chǔ)能方式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

儲(chǔ)能技術(shù)提升電力系統(tǒng)靈活性

多樣的儲(chǔ)能技術(shù)及其不同的特點(diǎn)使得其在電力系統(tǒng)中有著許多應(yīng)用。其中，調(diào)峰調(diào)頻是儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)前最重要的應(yīng)用之一。

一天24小時(shí)中，電網(wǎng)上的負(fù)荷在時(shí)刻波動(dòng)。夜深人靜時(shí)，電網(wǎng)的負(fù)荷減輕，而在白天，工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)使得負(fù)荷量增加。在不同的季節(jié)，電網(wǎng)的負(fù)荷也不同，如夏季各類電器的使用會(huì)導(dǎo)致用電量激增。發(fā)電廠的發(fā)電功率需要和用戶的負(fù)載功率相匹配，因此發(fā)電廠的機(jī)組也需要時(shí)刻調(diào)節(jié)出力。但是，由于發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組本身的調(diào)節(jié)能力有限，因此需要儲(chǔ)能設(shè)備的介入來(lái)幫助調(diào)峰。儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)峰還會(huì)帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)效益。由于峰谷電價(jià)的制度，儲(chǔ)能設(shè)備可以在電能處于谷價(jià)時(shí)存儲(chǔ)能量，然后在峰價(jià)時(shí)賣出電能，從而獲得差價(jià)的利潤(rùn)。

電力系統(tǒng)的調(diào)頻也與調(diào)峰類似。隨著電網(wǎng)上負(fù)荷的波動(dòng)和發(fā)電機(jī)出力的波動(dòng)，發(fā)電渦輪機(jī)組本身的轉(zhuǎn)速也會(huì)有輕微變化。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化帶來(lái)的后果就是電網(wǎng)上交流電頻率的變化。正常運(yùn)行時(shí)，中、小容量的電力系統(tǒng)允許的頻率偏差為±0.5赫茲，而大容量的電力系統(tǒng)則為±0.2赫茲。超出這一限制就會(huì)影響電能的質(zhì)量，甚至可能會(huì)對(duì)部分精密設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的后果。儲(chǔ)能設(shè)備的介入可以維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，提升電能的質(zhì)量。

電力系統(tǒng)的調(diào)峰和調(diào)頻的一大區(qū)別就是時(shí)間尺度上的區(qū)別。調(diào)頻需要進(jìn)行分鐘甚至秒級(jí)的調(diào)整，需要實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行追蹤，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而調(diào)峰的時(shí)間尺度就要長(zhǎng)許多。電網(wǎng)負(fù)荷的大波動(dòng)通常需要以小時(shí)為單位。由此，需要根據(jù)調(diào)峰調(diào)頻要求的不同來(lái)選擇合適的儲(chǔ)能設(shè)備。

新型儲(chǔ)能技術(shù)令人期待

除了調(diào)峰調(diào)頻外，儲(chǔ)能技術(shù)還能與新能源技術(shù)互相配合。

隨著新能源的大力發(fā)展，風(fēng)電、光電在電網(wǎng)中的占比越來(lái)越大。與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組不同，這些新能源發(fā)出的電都是直流電，為了并網(wǎng)，需要借助電力電子設(shè)備將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。但是，這一轉(zhuǎn)換的過(guò)程會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)具有良好的阻尼特性，面對(duì)外界負(fù)荷的突然波動(dòng)，發(fā)電機(jī)自身轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而抵消一部分負(fù)荷波動(dòng)帶來(lái)的影響。電力電子設(shè)備則沒(méi)有這種特性，其快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性使得它對(duì)電網(wǎng)本身的穩(wěn)定性帶來(lái)了不利的影響。

虛擬電機(jī)這一技術(shù)的出現(xiàn)就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

簡(jiǎn)而言之，虛擬電機(jī)技術(shù)可以使得電力電子設(shè)備能夠模仿傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的各種特性，從而保證這些新能源發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)整體的運(yùn)行帶來(lái)影響。

虛擬電機(jī)的建立又離不開(kāi)儲(chǔ)能設(shè)備的配合。由于風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電本身的不穩(wěn)定性，虛擬電機(jī)需要一個(gè)響應(yīng)迅速，并且有大容量、大功率裕度的儲(chǔ)能設(shè)備才能實(shí)時(shí)平衡新能源發(fā)電設(shè)備帶來(lái)的不穩(wěn)定因素，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)特性的模仿。

上述的應(yīng)用主要針對(duì)電力系統(tǒng)本身，似乎和普通家庭的距離比較遙遠(yuǎn)。但事實(shí)上，儲(chǔ)能技術(shù)也能連接普通電動(dòng)汽車用戶與電力系統(tǒng)。如今，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車也變得越來(lái)越普及。一輛輛電動(dòng)汽車如同一座座可以移動(dòng)的小型鋰離子電池儲(chǔ)能設(shè)備，但這些電動(dòng)汽車不會(huì)一天24小時(shí)都處在工作狀態(tài)。在大多數(shù)情況下，一天中刨去通勤的一兩個(gè)小時(shí)，其他時(shí)間都處在閑置狀態(tài)。那么，何不把這些鋰離子電池的閑置時(shí)間利用起來(lái)呢？

于是，雙向充電的概念應(yīng)運(yùn)而生。雙向充電，即電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)（vehicle to grid，簡(jiǎn)稱V2G）的互相充電。電動(dòng)汽車可以在高負(fù)荷時(shí)段將電力輸回電網(wǎng)，輔助調(diào)峰調(diào)頻并獲取費(fèi)用；另一方面，電動(dòng)汽車用戶也可選擇在電價(jià)合適的時(shí)段，讓電網(wǎng)給車輛充電。

雙向充電對(duì)電動(dòng)汽車用戶來(lái)說(shuō)帶來(lái)了售電的利潤(rùn)，抵消了部分車輛的運(yùn)行成本。對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)，則可減少調(diào)峰調(diào)頻設(shè)備的投入。這對(duì)用戶和電力公司來(lái)說(shuō)是一個(gè)雙贏的選項(xiàng)。但是，雙向充電目前還存在一些問(wèn)題，如電動(dòng)汽車的電池組壽命可能會(huì)因此縮短。若能解決這些問(wèn)題，雙向充電的發(fā)展前景值得期待。

當(dāng)然，本文所羅列的儲(chǔ)能技術(shù)與應(yīng)用只是儲(chǔ)能技術(shù)的一小部分。經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)百花齊放，并在電力系統(tǒng)的各個(gè)場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)下，我們社會(huì)的正常運(yùn)行已經(jīng)離不開(kāi)儲(chǔ)能技術(shù)，而零碳社會(huì)的未來(lái)也在呼喚儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步。盡管當(dāng)前部分儲(chǔ)能技術(shù)還存在難以解決的技術(shù)問(wèn)題，但隨著科技的進(jìn)步，相信這些問(wèn)題終將得到解決。

（本文第一作者陳欣為西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，第二作者鄒晨曄為該學(xué)院本科四年級(jí)學(xué)生）