你所熟知的电池,可能是手机中的锂离子电池,电瓶车中的铅酸电池,或者是在新闻上经常出现的磷酸铁锂电池等等。电池能向外输出电能,但我们却一直找不到“电池”中的“池”在哪。但如果我们采用更宏观的视角就能发现,电网用的“电池”,真的是一个储存电能的大水池。

  撰文|王昱

  审校|吴非

  人类最早使用的电池——伏打电池,就是用电解液将不同的金属串联起来,通过电化学反应产生电动势。这种电池使用过程中,必须有液态的电解液才能让电池稳定提供电动势,这类设备也因此得名“电池”。后来为了方便使用,电解液被制成糊状,电池就变成了干电池。尽管现有的多数电池中并没有一个“水池”,但电池这种叫法仍然约定俗成地流传了下来。

伏打电堆,早期电池中的确含有液态电解液 图片来源:Wikipedia  伏打电堆,早期电池中的确含有液态电解液 图片来源:Wikipedia

  而现在,随着我们的能源结构快速向新能源转型,电网对电能储存的要求快速提升,我们需要给电网专用的电池。抽水蓄能电站就是多种电网储能技术中储能规模最大,较为成熟的一种。经过两个多世纪的发展后,电网使用的电池似乎又回归了它字面的意思——一个储存电能的水池。

  真正的电池

  随着新能源的快速推进,光伏和风力发电不稳定的特性让发电侧也出现了较大的储能需求,抽水蓄能电站的建设也逐渐提速。就在上个月,河北丰宁抽水蓄能电站上水库顺利下闸蓄水,很快就能投入使用。届时,它将以360万千瓦的装机容量取代300万千瓦的美国巴斯康蒂抽水蓄能电站(Bath County Pumped Storage Station),成为世界上最大的抽水蓄能电站,同时可以说是世界上最大的“电池”

  以丰宁抽水蓄能电站为例,它拥有上下两个水库,上水库库容为5800万立方米,下水库库容为6070万立方米,落差425米。大多数抽水蓄能电站的综合效率能达到75%以上。以该电站为例,经过计算可知,上水库中每千克水平均储存了0.0009度电。虽然只有蓄电池每千克0.04度的1/50左右,但水库依然可以凭借庞大的储能规模碾压了传统的蓄电池。去年全年中国生产的蓄电池总容量2.2亿度,而当丰宁抽水蓄能电站上水库蓄满水时,蕴含的能量相当于5000万度电。仅一个水库,就接近去年全年生产蓄电池总容量的1/4,它年发电量能达到66.12亿度,相当于节约标准煤48.08万吨。

丰宁抽水蓄能电站上水库大坝 图片来源:新华社  丰宁抽水蓄能电站上水库大坝 图片来源:新华社

  抽水蓄能电站的整体结构和水电站类似,只是多了一条从下水库向上水库输水的管道和相应的水泵系统。因此,它的寿命和成本都和传统水电站看齐。水电长期以来就是主要的发电形式之一,发电成本早已经受住了考验。而规范水电的寿命往往也都很长——中国第一座水电站石龙坝水电站于1912年建成发电,至今还在使用。

  抽水蓄能电站原理图。用电低谷时,电站用升降器将水从下池水库抽到上池水库;用电高峰时,将水从上池水库放到下池水库中发电 图片来源:Wikipedia

  抽水蓄能电站以往仅存在于大城市周围,用于平衡大城市日夜用电的巨大差异,数量较少。未来,随着建设的提速,抽水蓄能电站可能越来越被我们所熟知。目前我国在运抽水蓄能电站装机规模3179万千瓦,在建规模5463万千瓦,预期到2025年,在运装机总规模将达到6200万千瓦;到2030年,将达到1亿千瓦至1.2亿千瓦。

  从“电塔”到“电轮”

  电网专用的电池并不止抽水蓄能电站一种。随着新能源的发展,各种形式的储能设备也不断涌现出来,包括利用重力储电的“电塔”,用压缩气体储能的“电气”,还有用高速飞轮储能的“电轮”等等。

  电力中,“塔”往往用于输电,但是储电也能用到塔状结构。在英国爱丁堡,一口四层楼高的竖井被改造成了重力电池。该设备可以用电网电力将50吨的配重慢慢抬起,而在外部需要电力时,它能将配重块慢慢放下稳定输出能源。这项技术并不成熟,但它相比于抽水蓄能电站的优势在于:后者对地形有较高的要求,而这种“电塔”则有望灵活部署,对地形并无太大要求

抽水蓄能电站对地形要求较高 图片来源:Wikipedia  抽水蓄能电站对地形要求较高 图片来源:Wikipedia

  如果用压缩气体储存电能,则又产生了“电气”。压缩空气储能技术能在用电低谷时将空气压缩到储气室中,将电能转化为空气的内能;在用电高峰,再将高压气体释放出来发电。这种技术储能规模仅次于抽水蓄能电站,而响应时间则比抽水蓄能电站更快。

  还有用轮盘储存电能的“电轮”。飞轮储能技术可以将电能以飞轮转动动能的形式储存起来。和其他储能系统相比,飞轮储能技术储能规模很小,但是响应很快,其用途更倾向于改善电源品质。除此之外,还有很多种不同的电网储能技术。

飞轮储能技术示意图 图片来源:Wikipedia  飞轮储能技术示意图 图片来源:Wikipedia

  那电池怎么办?

  电网中当然也存在直接用电池储能的电站,但相对而言成本较高,电池报废后造成环保问题也不容忽视。随着电动汽车的快速推广,动力电池的产能也在近几年飙升,动力电池的回收是一个巨大的问题。自然,电池的梯次利用被提上了日程。

  “玩具车用完后,遥控器还能接着用。”这就是一种电池的梯次利用形式。在电动车动力电池衰减到报废程度后,虽然不满足动力电池标准,但仍然有机会让储能电站来使用。但理想很丰满,现实却又那么骨感。电池本身是含能材料,如果没有合适的安全管理措施,污染、起火甚至爆炸的风险都时刻存在。就在前天,国家能源局发出征求意见稿,指出在电池一致性管理技术取得关键突破、动力电池性能监测与评价体系健全前,原则上不得新建大型动力电池梯次利用储能项目。

  所以当前,对电网储能的需求而言,反而是抽水蓄能电站这种“电池”更加可靠。从18世纪末现代电池被发明以来,人类兜兜转转又反了回来,电池又变得“名副其实”。只不过经过两个多世纪的发展,池子中从重污染的电解液变成了清澈的水,人类也渐渐学会如何与自然和谐共生。

  主要参考论文:

  刘英军,刘畅,王伟,胡珊,郝木凯,徐玉杰,刘嘉,吴艳。储能发展现状与趋势分析[J]。中外能源,2017,22(04):80-88。

  主要参考链接:

  http://www.xinhuanet.com/power/2021-05/24/c_1211169296.htm

  https://www.sciencemag.org/news/2021/04/gravity-based-batteries-try-beat-their-chemical-cousins-winches-weights-and-mine-shafts


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