中國儲能網(wǎng)訊：你所熟知的電池，可能是手機中的鋰離子電池，電瓶車中的鉛酸電池，或者是在新聞上經(jīng)常出現(xiàn)的磷酸鐵鋰電池等等。電池能向外輸出電能，但我們卻一直找不到“電池”中的“池”在哪。但如果我們采用更宏觀的視角就能發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)用的“電池”，真的是一個儲存電能的大水池。
撰文｜王昱
審校｜吳非
人類最早使用的電池——伏打電池，就是用電解液將不同的金屬串聯(lián)起來，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢。這種電池使用過程中，必須有液態(tài)的電解液才能讓電池穩(wěn)定提供電動勢，這類設(shè)備也因此得名“電池”。后來為了方便使用，電解液被制成糊狀，電池就變成了干電池。盡管現(xiàn)有的多數(shù)電池中并沒有一個“水池”，但電池這種叫法仍然約定俗成地流傳了下來。
伏打電堆，早期電池中的確含有液態(tài)電解液 圖片來源：Wikipedia
而現(xiàn)在，隨著我們的能源結(jié)構(gòu)快速向新能源轉(zhuǎn)型，電網(wǎng)對電能儲存的要求快速提升，我們需要給電網(wǎng)專用的電池。抽水蓄能電站就是多種電網(wǎng)儲能技術(shù)中儲能規(guī)模最大，較為成熟的一種。經(jīng)過兩個多世紀(jì)的發(fā)展后，電網(wǎng)使用的電池似乎又回歸了它字面的意思——一個儲存電能的水池。
真正的電池
隨著新能源的快速推進，光伏和風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定的特性讓發(fā)電側(cè)也出現(xiàn)了較大的儲能需求，抽水蓄能電站的建設(shè)也逐漸提速。就在上個月，河北豐寧抽水蓄能電站上水庫順利下閘蓄水，很快就能投入使用。屆時，它將以360萬千瓦的裝機容量取代300萬千瓦的美國巴斯康蒂抽水蓄能電站（Bath County Pumped Storage Station），成為世界上最大的抽水蓄能電站，同時可以說是世界上最大的“電池”。
以豐寧抽水蓄能電站為例，它擁有上下兩個水庫，上水庫庫容為5800萬立方米，下水庫庫容為6070萬立方米，落差425米。大多數(shù)抽水蓄能電站的綜合效率能達到75%以上。以該電站為例，經(jīng)過計算可知，上水庫中每千克水平均儲存了0.0009度電。雖然只有蓄電池每千克0.04度的1/50左右，但水庫依然可以憑借龐大的儲能規(guī)模碾壓了傳統(tǒng)的蓄電池。去年全年中國生產(chǎn)的蓄電池總?cè)萘?.2億度，而當(dāng)豐寧抽水蓄能電站上水庫蓄滿水時，蘊含的能量相當(dāng)于5000萬度電。僅一個水庫，就接近去年全年生產(chǎn)蓄電池總?cè)萘康?/4，它年發(fā)電量能達到66.12億度，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤48.08萬噸。
豐寧抽水蓄能電站上水庫大壩 圖片來源：新華社
抽水蓄能電站的整體結(jié)構(gòu)和水電站類似，只是多了一條從下水庫向上水庫輸水的管道和相應(yīng)的水泵系統(tǒng)。因此，它的壽命和成本都和傳統(tǒng)水電站看齊。水電長期以來就是主要的發(fā)電形式之一，發(fā)電成本早已經(jīng)受住了考驗。而規(guī)范水電的壽命往往也都很長——中國第一座水電站石龍壩水電站于1912年建成發(fā)電，至今還在使用。
抽水蓄能電站原理圖。用電低谷時，電站用升降器將水從下池水庫抽到上池水庫；用電高峰時，將水從上池水庫放到下池水庫中發(fā)電 圖片來源：Wikipedia
抽水蓄能電站以往僅存在于大城市周圍，用于平衡大城市日夜用電的巨大差異，數(shù)量較少。未來，隨著建設(shè)的提速，抽水蓄能電站可能越來越被我們所熟知。目前我國在運抽水蓄能電站裝機規(guī)模3179萬千瓦，在建規(guī)模5463萬千瓦，預(yù)期到2025年，在運裝機總規(guī)模將達到6200萬千瓦；到2030年，將達到1億千瓦至1.2億千瓦。
從“電塔”到“電輪”
電網(wǎng)專用的電池并不止抽水蓄能電站一種。隨著新能源的發(fā)展，各種形式的儲能設(shè)備也不斷涌現(xiàn)出來，包括利用重力儲電的“電塔”，用壓縮氣體儲能的“電氣”，還有用高速飛輪儲能的“電輪”等等。
電力中，“塔”往往用于輸電，但是儲電也能用到塔狀結(jié)構(gòu)。在英國愛丁堡，一口四層樓高的豎井被改造成了重力電池。該設(shè)備可以用電網(wǎng)電力將50噸的配重慢慢抬起，而在外部需要電力時，它能將配重塊慢慢放下穩(wěn)定輸出能源。這項技術(shù)并不成熟，但它相比于抽水蓄能電站的優(yōu)勢在于：后者對地形有較高的要求，而這種“電塔”則有望靈活部署，對地形并無太大要求。
抽水蓄能電站對地形要求較高 圖片來源：Wikipedia
如果用壓縮氣體儲存電能，則又產(chǎn)生了“電氣”。壓縮空氣儲能技術(shù)能在用電低谷時將空氣壓縮到儲氣室中，將電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能；在用電高峰，再將高壓氣體釋放出來發(fā)電。這種技術(shù)儲能規(guī)模僅次于抽水蓄能電站，而響應(yīng)時間則比抽水蓄能電站更快。
還有用輪盤儲存電能的“電輪”。飛輪儲能技術(shù)可以將電能以飛輪轉(zhuǎn)動動能的形式儲存起來。和其他儲能系統(tǒng)相比，飛輪儲能技術(shù)儲能規(guī)模很小，但是響應(yīng)很快，其用途更傾向于改善電源品質(zhì)。除此之外，還有很多種不同的電網(wǎng)儲能技術(shù)。
飛輪儲能技術(shù)示意圖 圖片來源：Wikipedia
那電池怎么辦？
電網(wǎng)中當(dāng)然也存在直接用電池儲能的電站，但相對而言成本較高，電池報廢后造成環(huán)保問題也不容忽視。隨著電動汽車的快速推廣，動力電池的產(chǎn)能也在近幾年飆升，動力電池的回收是一個巨大的問題。自然，電池的梯次利用被提上了日程。
“玩具車用完后，遙控器還能接著用?！边@就是一種電池的梯次利用形式。在電動車動力電池衰減到報廢程度后，雖然不滿足動力電池標(biāo)準(zhǔn)，但仍然有機會讓儲能電站來使用。但理想很豐滿，現(xiàn)實卻又那么骨感。電池本身是含能材料，如果沒有合適的安全管理措施，污染、起火甚至爆炸的風(fēng)險都時刻存在。就在前天，國家能源局發(fā)出征求意見稿，指出在電池一致性管理技術(shù)取得關(guān)鍵突破、動力電池性能監(jiān)測與評價體系健全前，原則上不得新建大型動力電池梯次利用儲能項目。
所以當(dāng)前，對電網(wǎng)儲能的需求而言，反而是抽水蓄能電站這種“電池”更加可靠。從18世紀(jì)末現(xiàn)代電池被發(fā)明以來，人類兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又反了回來，電池又變得“名副其實”。只不過經(jīng)過兩個多世紀(jì)的發(fā)展，池子中從重污染的電解液變成了清澈的水，人類也漸漸學(xué)會如何與自然和諧共生。
主要參考論文：
劉英軍,劉暢,王偉,胡珊,郝木凱,徐玉杰,劉嘉,吳艷.儲能發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J].中外能源,2017,22(04):80-88.
