現代儲能技術面面觀

陳欣 鄒晨曄

儲能與我們每個人的生活息息相關，手機充電是儲能，太陽能熱水器是儲能，停電時臨時使用的UPS（不間斷電源）也是儲能。從字面意思上來看，儲能就是利用各種方式儲存能量，然后在需要時使用的技術。

在邁向碳中和的大背景下，正在尋求綠色化轉型的電力系統離不開風電和光電，這就讓儲能技術成了當下的熱門話題。本文暫不關注生活中那些瑣碎的儲能事例，而是聚焦于那些能讓電力系統更靈活、更經濟、更安全的儲能技術，將其利弊得失細細道來。

原理簡單應用廣泛的抽水蓄能

經過上百年的發展，儲能領域已經涌現出許多成熟的技術，并且得到廣泛應用。當前，儲能技術通常可分為5大類：

1.機械類儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；

2.電磁類儲能，如超級電容器儲能、超導儲能等；

3.電化學類儲能，如鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池等；

4.熱儲能；

5.化學類儲能。

不同的儲能方式有著各自的原理、優缺點以及應用場景。

抽水蓄能是當今世界上最為重要的儲能方式之一。早在一個多世紀以前，這項技術已經開始應用。1882年，世界上第一座抽水蓄能電站在瑞士建成。

相比國外，我國的抽水蓄能技術雖起步較晚但發展飛速。盡管直至1968年，我國才在河北崗南建立了第一座抽水蓄能電站，不過我國現在抽水蓄能電站的總裝機容量已居世界第一。

抽水蓄能背后的原理很簡單，即將水從低處通過水泵引至高處儲存起來，將電能轉化為重力勢能。而當需要電能時，再讓處在高位的水流下，在此過程中通過發電機將重力勢能轉化為電能。因此，抽水蓄能電站最重要的組成部分就是上下兩個水庫。上水庫負責在較高地勢差處蓄水，下水庫則負責儲水。此外，還有壓力管道、發電渦輪機、水泵等設備。

抽水蓄能技術有許多優點。首先，抽水蓄能技術的容量較大，上水庫依托自然環境可以做得很大。而且抽水蓄能電站的使用壽命與其他儲能技術相比是較長的，可達幾十年。

但是，受限于儲能的原理，該技術需要大量的前期投資來建設水庫等設施，并且抽水蓄能電站的建設受限于地理環境。

瑕瑜互見的壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能的容量量級僅次于抽水蓄能。壓縮空氣儲能，顧名思義就是將電能轉化為壓縮空氣的內能。在電網負荷低谷期儲存壓縮空氣，而在電網運行高峰期使壓縮空氣通過渦輪機發電。

壓縮空氣可以儲存在壓力容器中，也可以利用天然洞穴來存儲。對于利用天然洞穴來存儲壓縮空氣的設備來說，其優缺點與抽水蓄能一樣，高容量，長壽命但投資成本高，且受限于環境。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，壓縮空氣儲能技術最大的問題還是其效率低下。壓縮空氣的過程中，氣體的溫度會上升。對于非絕熱的設備，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，壓力會下降，達不到儲能的目的。在使壓縮空氣通過渦輪機之前，又需要加熱氣體，以保證渦輪機的平穩高效運行。

散熱和加熱兩個步驟使得非絕熱的壓縮空氣儲能設備的效率較低，僅不到55%。當然，使用絕熱的設備可以在一定程度上提升效率，但這又會帶來自消耗率高的新問題，使得其難以實現長時間的儲能。因此，盡管擁有廣闊的前景，壓縮空氣儲能技術目前的發展情況還是比較緩慢。

功率密度極高的飛輪儲能

飛輪儲能同樣是電能與機械能的相互轉換。

當需要儲能時，電動機帶動飛輪轉子高速旋轉，將電能轉化為飛輪的動能。相反，當需要釋放能量時，飛輪帶動發電機發電，與此同時飛輪轉子逐漸減速，將動能轉化為電能。

飛輪轉子通常由高強度的復合纖維材料制成。轉子被安裝在一個真空罩中。真空罩既能減小阻力，同時也能防止高速旋轉的飛輪發生意外事故。飛輪轉子安裝在低摩擦的軸承上，有時為了進一步降低摩擦損耗，會使用磁懸浮軸承來代替機械軸承。

作為機械類儲能方式的一種，飛輪儲能壽命長，無污染。同時，與抽水蓄能相比，飛輪儲能設備的體積小，對設備安裝環境要求低。飛輪儲能還具有極高的功率密度，部分設備甚至能達到10千瓦/千克的功率密度。

但是，飛輪儲能也有許多缺點，如復合纖維材料的飛輪制造成本高昂等。其中，最大的缺點就是這種儲能設備的放電時間極短。通常只要幾十秒至幾分鐘，飛輪的動能就消耗殆盡，需要再次利用電動機充能。

飛輪儲能的這些獨特性質決定了它廣泛的應用場景。短時間內的高功率輸出足夠幫助工廠在停電時平穩過渡到備用能源。它的體積優勢和高功率密度的優勢也能使其安裝在新能源汽車上，回收剎車的能量。

電磁類儲能技術應用受限

飛輪儲能屬于機械類儲能，超級電容器屬于電磁類儲能，但是兩者卻具有相似的特性。超級電容器是一種電荷存儲的設備，與普通的電解電容器不同，借助雙電層的原理，超級電容器的容量可以達到前者的成百上千倍。盡管與電池同樣有一個“電”字，但兩者實現儲能的原理可是截然不同。電池是通過電化學反應來存儲能量，而超級電容器的儲能則是純粹的物理過程，它是通過儲存電荷來實現儲能的。

不同的儲能原理使得超級電容器擁有遠高于電池的充放電速度、功率密度和壽命。當然，超級電容器儲能不可避免也有一些缺點。和傳統的電化學電池相比，它雖然有更高的功率密度，但是能量密度卻更低。同時，它的高自放電率也限制了它的應用。

同屬電磁類儲能的超導儲能則是利用超導體零電阻的效應來進行儲能的。將一個超導線圈置于超導的環境下，線圈的電阻即為零，此時利用電磁感應原理在線圈中產生的感應電流便能持續存在。電網需要調峰時，便可將線圈接入負載電路，從而釋放電磁能量。

超導儲能具有許多優勢，如損耗低，系統響應快，使用壽命長。但是，為了維持超導體零電阻的特性需要制冷，這些制冷設備還是使得其運營成本較高。

電化學類儲能隨處可見

和超導儲能相比，各種電化學類儲能要常見得多。如鋰離子電池，在我們的日常生活中已有著廣泛的應用。手機、筆記本電腦、電動汽車中都能見到它的身影。在大型的儲能設備中，鋰離子電池也發揮著重要的作用。

鋰離子電池依靠鋰離子在充電和放電過程中的移動來工作。充電時，鋰離子從正極處脫嵌，經過電解質、隔膜嵌入負極，此過程包含了電荷的轉移；而在放電時，該過程與充電時相反。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，同時也沒有鎳氫電池的記憶效應。目前，世界各地也有許多關于鋰離子電池快速充電的研究。但是，鋰離子電池對使用環境的溫度比較敏感，過低或過高的溫度都不利于鋰離子電池的正常工作。

比如在我國的東北地區，由于冬季低溫的影響，電動汽車的續航里程急劇下降，影響了日常使用。此外，鋰離子電池的容量衰減也是一個重大問題。日常生活中，基于鋰離子電池的設備就會隨著使用時間增長而容量下降。這一點，對在電網中運行的鋰離子電池儲能設備來說顯得尤為致命。

與鋰離子電池一樣，鉛酸電池也是在我們日常生活中使用極為廣泛的一種電池。它的成本比鋰離子電池更低，所以電動助力車以及燃油車的電瓶等通常會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，負極為鉛板，正負電極浸于稀硫酸組成的電解液中。在放電的過程中，二氧化鉛、鉛板和稀硫酸會反應生成硫酸鉛和水；充電的過程則與之相反。

和鋰離子電池相比，鉛酸電池的成本低，放電電流大。但壽命的問題同樣困擾著鉛酸電池。若維護不當，鉛酸電池很有可能會壽命縮短。此外，若電池的充電電壓過高也會導致氫氣的產生，從而帶來危險。雖然有上述缺點，但總體來說，鉛酸電池儲能作為一種歷史悠久、技術成熟的技術，還是在日常生活以及電力系統中有著廣泛的應用。

儲能技術除了上述這些外，還有一些其他技術受限于篇幅無法一一展開。例如依賴合成和燃燒氫氣、天然氣為儲能原理的化學類儲能，以及利用熔融鹽作為介質的熱儲能，這些多樣的儲能方式都有其各自的優缺點和應用場景。

儲能技術提升電力系統靈活性

多樣的儲能技術及其不同的特點使得其在電力系統中有著許多應用。其中，調峰調頻是儲能技術當前最重要的應用之一。

一天24小時中，電網上的負荷在時刻波動。夜深人靜時，電網的負荷減輕，而在白天，工廠的運轉使得負荷量增加。在不同的季節，電網的負荷也不同，如夏季各類電器的使用會導致用電量激增。發電廠的發電功率需要和用戶的負載功率相匹配，因此發電廠的機組也需要時刻調節出力。但是，由于發電廠的發電機組本身的調節能力有限，因此需要儲能設備的介入來幫助調峰。儲能設備的調峰還會帶來額外的經濟效益。由于峰谷電價的制度，儲能設備可以在電能處于谷價時存儲能量，然后在峰價時賣出電能，從而獲得差價的利潤。

電力系統的調頻也與調峰類似。隨著電網上負荷的波動和發電機出力的波動，發電渦輪機組本身的轉速也會有輕微變化。渦輪機轉速的變化帶來的后果就是電網上交流電頻率的變化。正常運行時，中、小容量的電力系統允許的頻率偏差為±0.5赫茲，而大容量的電力系統則為±0.2赫茲。超出這一限制就會影響電能的質量，甚至可能會對部分精密設備帶來嚴重的后果。儲能設備的介入可以維持電網頻率的穩定，提升電能的質量。

電力系統的調峰和調頻的一大區別就是時間尺度上的區別。調頻需要進行分鐘甚至秒級的調整，需要實時對其進行追蹤，以保證電網的安全穩定運行。而調峰的時間尺度就要長許多。電網負荷的大波動通常需要以小時為單位。由此，需要根據調峰調頻要求的不同來選擇合適的儲能設備。

新型儲能技術令人期待

除了調峰調頻外，儲能技術還能與新能源技術互相配合。

隨著新能源的大力發展，風電、光電在電網中的占比越來越大。與傳統的發電機組不同，這些新能源發出的電都是直流電，為了并網，需要借助電力電子設備將直流電轉換為交流電。但是，這一轉換的過程會帶來許多問題。傳統的發電機具有良好的阻尼特性，面對外界負荷的突然波動，發電機自身轉速會發生變化，進而抵消一部分負荷波動帶來的影響。電力電子設備則沒有這種特性，其快速的動態響應特性使得它對電網本身的穩定性帶來了不利的影響。

虛擬電機這一技術的出現就很好地解決了這個問題。

簡而言之，虛擬電機技術可以使得電力電子設備能夠模仿傳統發電機的各種特性，從而保證這些新能源發電設備的并網不會對電網整體的運行帶來影響。

虛擬電機的建立又離不開儲能設備的配合。由于風力發電和太陽能發電本身的不穩定性，虛擬電機需要一個響應迅速，并且有大容量、大功率裕度的儲能設備才能實時平衡新能源發電設備帶來的不穩定因素，并且實現對傳統發電機特性的模仿。

上述的應用主要針對電力系統本身，似乎和普通家庭的距離比較遙遠。但事實上，儲能技術也能連接普通電動汽車用戶與電力系統。如今，隨著新能源技術的發展，電動汽車也變得越來越普及。一輛輛電動汽車如同一座座可以移動的小型鋰離子電池儲能設備，但這些電動汽車不會一天24小時都處在工作狀態。在大多數情況下，一天中刨去通勤的一兩個小時，其他時間都處在閑置狀態。那么，何不把這些鋰離子電池的閑置時間利用起來呢？

于是，雙向充電的概念應運而生。雙向充電，即電動汽車對電網（vehicle to grid，簡稱V2G）的互相充電。電動汽車可以在高負荷時段將電力輸回電網，輔助調峰調頻并獲取費用；另一方面，電動汽車用戶也可選擇在電價合適的時段，讓電網給車輛充電。

雙向充電對電動汽車用戶來說帶來了售電的利潤，抵消了部分車輛的運行成本。對電力公司來說，則可減少調峰調頻設備的投入。這對用戶和電力公司來說是一個雙贏的選項。但是，雙向充電目前還存在一些問題，如電動汽車的電池組壽命可能會因此縮短。若能解決這些問題，雙向充電的發展前景值得期待。

當然，本文所羅列的儲能技術與應用只是儲能技術的一小部分。經歷了一個多世紀的發展，現代儲能技術百花齊放，并在電力系統的各個場景中發揮著重要作用。當下，我們社會的正常運行已經離不開儲能技術，而零碳社會的未來也在呼喚儲能技術的進步。盡管當前部分儲能技術還存在難以解決的技術問題，但隨著科技的進步，相信這些問題終將得到解決。

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