现代储能技术面面观

陈欣 邹晨晔

储能与我们每个人的生活息息相关，手机充电是储能，太阳能热水器是储能，停电时临时使用的UPS（不间断电源）也是储能。从字面意思上来看，储能就是利用各种方式储存能量，然后在需要时使用的技术。

在迈向碳中和的大背景下，正在寻求绿色化转型的电力系统离不开风电和光电，这就让储能技术成了当下的热门话题。本文暂不关注生活中那些琐碎的储能事例，而是聚焦于那些能让电力系统更灵活、更经济、更安全的储能技术，将其利弊得失细细道来。

原理简单应用广泛的抽水蓄能

经过上百年的发展，储能领域已经涌现出许多成熟的技术，并且得到广泛应用。当前，储能技术通常可分为5大类：

1.机械类储能，如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；

2.电磁类储能，如超级电容器储能、超导储能等；

3.电化学类储能，如锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池、液流电池等；

4.热储能；

5.化学类储能。

不同的储能方式有着各自的原理、优缺点以及应用场景。

抽水蓄能是当今世界上最为重要的储能方式之一。早在一个多世纪以前，这项技术已经开始应用。1882年，世界上第一座抽水蓄能电站在瑞士建成。

相比国外，我国的抽水蓄能技术虽起步较晚但发展飞速。尽管直至1968年，我国才在河北岗南建立了第一座抽水蓄能电站，不过我国现在抽水蓄能电站的总装机容量已居世界第一。

抽水蓄能背后的原理很简单，即将水从低处通过水泵引至高处储存起来，将电能转化为重力势能。而当需要电能时，再让处在高位的水流下，在此过程中通过发电机将重力势能转化为电能。因此，抽水蓄能电站最重要的组成部分就是上下两个水库。上水库负责在较高地势差处蓄水，下水库则负责储水。此外，还有压力管道、发电涡轮机、水泵等设备。

抽水蓄能技术有许多优点。首先，抽水蓄能技术的容量较大，上水库依托自然环境可以做得很大。而且抽水蓄能电站的使用寿命与其他储能技术相比是较长的，可达几十年。

但是，受限于储能的原理，该技术需要大量的前期投资来建设水库等设施，并且抽水蓄能電站的建设受限于地理环境。

瑕瑜互见的压缩空气储能

压缩空气储能的容量量级仅次于抽水蓄能。压缩空气储能，顾名思义就是将电能转化为压缩空气的内能。在电网负荷低谷期储存压缩空气，而在电网运行高峰期使压缩空气通过涡轮机发电。

压缩空气可以储存在压力容器中，也可以利用天然洞穴来存储。对于利用天然洞穴来存储压缩空气的设备来说，其优缺点与抽水蓄能一样，高容量，长寿命但投资成本高，且受限于环境。压力容器虽然布置可以更加灵活，但成本还是居高不下。

目前，压缩空气储能技术最大的问题还是其效率低下。压缩空气的过程中，气体的温度会上升。对于非绝热的设备，气体在存入容器或天然洞穴之前需要降温，否则压缩气体在容器中从高温逐步降至常温时，压力会下降，达不到储能的目的。在使压缩空气通过涡轮机之前，又需要加热气体，以保证涡轮机的平稳高效运行。

散热和加热两个步骤使得非绝热的压缩空气储能设备的效率较低，仅不到55%。当然，使用绝热的设备可以在一定程度上提升效率，但这又会带来自消耗率高的新问题，使得其难以实现长时间的储能。因此，尽管拥有广阔的前景，压缩空气储能技术目前的发展情况还是比较缓慢。

功率密度极高的飞轮储能

飞轮储能同样是电能与机械能的相互转换。

当需要储能时，电动机带动飞轮转子高速旋转，将电能转化为飞轮的动能。相反，当需要释放能量时，飞轮带动发电机发电，与此同时飞轮转子逐渐减速，将动能转化为电能。

飞轮转子通常由高强度的复合纤维材料制成。转子被安装在一个真空罩中。真空罩既能减小阻力，同时也能防止高速旋转的飞轮发生意外事故。飞轮转子安装在低摩擦的轴承上，有时为了进一步降低摩擦损耗，会使用磁悬浮轴承来代替机械轴承。

作为机械类储能方式的一种，飞轮储能寿命长，无污染。同时，与抽水蓄能相比，飞轮储能设备的体积小，对设备安装环境要求低。飞轮储能还具有极高的功率密度，部分设备甚至能达到10千瓦/千克的功率密度。

但是，飞轮储能也有许多缺点，如复合纤维材料的飞轮制造成本高昂等。其中，最大的缺点就是这种储能设备的放电时间极短。通常只要几十秒至几分钟，飞轮的动能就消耗殆尽，需要再次利用电动机充能。

飞轮储能的这些独特性质决定了它广泛的应用场景。短时间内的高功率输出足够帮助工厂在停电时平稳过渡到备用能源。它的体积优势和高功率密度的优势也能使其安装在新能源汽车上，回收刹车的能量。

电磁类储能技术应用受限

飞轮储能属于机械类储能，超级电容器属于电磁类储能，但是两者却具有相似的特性。超级电容器是一种电荷存储的设备，与普通的电解电容器不同，借助双电层的原理，超级电容器的容量可以达到前者的成百上千倍。尽管与电池同样有一个“电”字，但两者实现储能的原理可是截然不同。电池是通过电化学反应来存储能量，而超级电容器的储能则是纯粹的物理过程，它是通过储存电荷来实现储能的。

不同的储能原理使得超级电容器拥有远高于电池的充放电速度、功率密度和寿命。当然，超级电容器储能不可避免也有一些缺点。和传统的电化学电池相比，它虽然有更高的功率密度，但是能量密度却更低。同时，它的高自放电率也限制了它的应用。

同属电磁类储能的超导储能则是利用超导体零电阻的效应来进行储能的。将一个超导线圈置于超导的环境下，线圈的电阻即为零，此时利用电磁感应原理在线圈中产生的感应电流便能持续存在。电网需要调峰时，便可将线圈接入负载电路，从而释放电磁能量。

超导储能具有许多优势，如损耗低，系统响应快，使用寿命长。但是，为了维持超导体零电阻的特性需要制冷，这些制冷设备还是使得其运营成本较高。

电化学类储能随处可见

和超导储能相比，各种电化学类储能要常见得多。如锂离子电池，在我们的日常生活中已有着广泛的应用。手机、笔记本电脑、电动汽车中都能见到它的身影。在大型的储能设备中，锂离子电池也发挥着重要的作用。

锂离子电池依靠锂离子在充电和放电过程中的移动来工作。充电时，锂离子从正极处脱嵌，经过电解质、隔膜嵌入负极，此过程包含了电荷的转移；而在放电时，该过程与充电时相反。锂离子电池的正极通常由磷酸铁锂或三元锂组成（三元指锰、镍、钴或铝这三种材料的聚合物），负极通常由石墨组成。

锂离子电池具有高能量密度和高输出功率的特点，同时也没有镍氢电池的记忆效应。目前，世界各地也有许多关于锂离子电池快速充电的研究。但是，锂离子电池对使用环境的温度比较敏感，过低或过高的温度都不利于锂离子电池的正常工作。

比如在我国的东北地区，由于冬季低温的影响，电动汽车的续航里程急剧下降，影响了日常使用。此外，鋰离子电池的容量衰减也是一个重大问题。日常生活中，基于锂离子电池的设备就会随着使用时间增长而容量下降。这一点，对在电网中运行的锂离子电池储能设备来说显得尤为致命。

与锂离子电池一样，铅酸电池也是在我们日常生活中使用极为广泛的一种电池。它的成本比锂离子电池更低，所以电动助力车以及燃油车的电瓶等通常会使用铅酸电池而不是锂离子电池。铅酸电池的正极为二氧化铅，负极为铅板，正负电极浸于稀硫酸组成的电解液中。在放电的过程中，二氧化铅、铅板和稀硫酸会反应生成硫酸铅和水；充电的过程则与之相反。

和锂离子电池相比，铅酸电池的成本低，放电电流大。但寿命的问题同样困扰着铅酸电池。若维护不当，铅酸电池很有可能会寿命缩短。此外，若电池的充电电压过高也会导致氢气的产生，从而带来危险。虽然有上述缺点，但总体来说，铅酸电池储能作为一种历史悠久、技术成熟的技术，还是在日常生活以及电力系统中有着广泛的应用。

储能技术除了上述这些外，还有一些其他技术受限于篇幅无法一一展开。例如依赖合成和燃烧氢气、天然气为储能原理的化学类储能，以及利用熔融盐作为介质的热储能，这些多样的储能方式都有其各自的优缺点和应用场景。

储能技术提升电力系统灵活性

多样的储能技术及其不同的特点使得其在电力系统中有着许多应用。其中，调峰调频是储能技术当前最重要的应用之一。

一天24小时中，电网上的负荷在时刻波动。夜深人静时，电网的负荷减轻，而在白天，工厂的运转使得负荷量增加。在不同的季节，电网的负荷也不同，如夏季各类电器的使用会导致用电量激增。发电厂的发电功率需要和用户的负载功率相匹配，因此发电厂的机组也需要时刻调节出力。但是，由于发电厂的发电机组本身的调节能力有限，因此需要储能设备的介入来帮助调峰。储能设备的调峰还会带来额外的经济效益。由于峰谷电价的制度，储能设备可以在电能处于谷价时存储能量，然后在峰价时卖出电能，从而获得差价的利润。

电力系统的调频也与调峰类似。随着电网上负荷的波动和发电机出力的波动，发电涡轮机组本身的转速也会有轻微变化。涡轮机转速的变化带来的后果就是电网上交流电频率的变化。正常运行时，中、小容量的电力系统允许的频率偏差为±0.5赫兹，而大容量的电力系统则为±0.2赫兹。超出这一限制就会影响电能的质量，甚至可能会对部分精密设备带来严重的后果。储能设备的介入可以维持电网频率的稳定，提升电能的质量。

电力系统的调峰和调频的一大区别就是时间尺度上的区别。调频需要进行分钟甚至秒级的调整，需要实时对其进行追踪，以保证电网的安全稳定运行。而调峰的时间尺度就要长许多。电网负荷的大波动通常需要以小时为单位。由此，需要根据调峰调频要求的不同来选择合适的储能设备。

新型储能技术令人期待

除了调峰调频外，储能技术还能与新能源技术互相配合。

随着新能源的大力发展，风电、光电在电网中的占比越来越大。与传统的发电机组不同，这些新能源发出的电都是直流电，为了并网，需要借助电力电子设备将直流电转换为交流电。但是，这一转换的过程会带来许多问题。传统的发电机具有良好的阻尼特性，面对外界负荷的突然波动，发电机自身转速会发生变化，进而抵消一部分负荷波动带来的影响。电力电子设备则没有这种特性，其快速的动态响应特性使得它对电网本身的稳定性带来了不利的影响。

虚拟电机这一技术的出现就很好地解决了这个问题。

简而言之，虚拟电机技术可以使得电力电子设备能够模仿传统发电机的各种特性，从而保证这些新能源发电设备的并网不会对电网整体的运行带来影响。

虚拟电机的建立又离不开储能设备的配合。由于风力发电和太阳能发电本身的不稳定性，虚拟电机需要一个响应迅速，并且有大容量、大功率裕度的储能设备才能实时平衡新能源发电设备带来的不稳定因素，并且实现对传统发电机特性的模仿。

上述的应用主要针对电力系统本身，似乎和普通家庭的距离比较遥远。但事实上，储能技术也能连接普通电动汽车用户与电力系统。如今，随着新能源技术的发展，电动汽车也变得越来越普及。一辆辆电动汽车如同一座座可以移动的小型锂离子电池储能设备，但这些电动汽车不会一天24小时都处在工作状态。在大多数情况下，一天中刨去通勤的一两个小时，其他时间都处在闲置状态。那么，何不把这些锂离子电池的闲置时间利用起来呢？

于是，双向充电的概念应运而生。双向充电，即电动汽车对电网（vehicle to grid，简称V2G）的互相充电。电动汽车可以在高负荷时段将电力输回电网，辅助调峰调频并获取费用；另一方面，电动汽车用户也可选择在电价合适的时段，让电网给车辆充电。

双向充电对电动汽车用户来说带来了售电的利润，抵消了部分车辆的运行成本。对电力公司来说，则可减少调峰调频设备的投入。这对用户和电力公司来说是一个双赢的选项。但是，双向充电目前还存在一些问题，如电动汽车的电池组寿命可能会因此缩短。若能解决这些问题，双向充电的发展前景值得期待。

当然，本文所罗列的储能技术与应用只是储能技术的一小部分。经历了一个多世纪的发展，现代储能技术百花齐放，并在电力系统的各个场景中发挥着重要作用。当下，我们社会的正常运行已经离不开储能技术，而零碳社会的未来也在呼唤储能技术的进步。尽管当前部分储能技术还存在难以解决的技术问题，但随着科技的进步，相信这些问题终将得到解决。

（本文第一作者陈欣为西安交通大学电气工程学院副教授，第二作者邹晨晔为该学院本科四年级学生）