3.1超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

 

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是通過(guò)電感效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的原理是用直流電給由超導(dǎo)材料制成的螺旋形電感線圈充電。充電過(guò)程中流過(guò)電感的電流會(huì)逐漸增加到最大值，這個(gè)過(guò)程中電感線圈中的磁場(chǎng)會(huì)逐漸增強(qiáng)。當(dāng)電流到達(dá)最大值時(shí)，線圈兩端的電壓就降到零。這時(shí)充電就完成了。這時(shí)將超導(dǎo)線圈的兩端短接，電流就在超導(dǎo)線圈的閉合回路中無(wú)休止的流動(dòng)。理論上說(shuō)能量可以永遠(yuǎn)儲(chǔ)存在這里。這是自然界里發(fā)現(xiàn)的最接近“永遠(yuǎn)”的現(xiàn)象。需要放電時(shí)，將線圈的兩端接上負(fù)載，就可以將磁能電能轉(zhuǎn)化為直流電能。這種儲(chǔ)能的規(guī)模是和超導(dǎo)線圈中電流的平方和線圈電感的乘積成正比。

 

這種儲(chǔ)能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于超導(dǎo)體做成的線圈，由于超導(dǎo)導(dǎo)線沒(méi)有電阻，所以電流在這樣的導(dǎo)線上通過(guò)，沒(méi)有能量損耗。而目前的超導(dǎo)體只有在低溫下才有超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)材料在臨界溫度以下電阻才會(huì)消失。很多金屬都有超導(dǎo)現(xiàn)象，汞的臨界值是零下269攝氏度，鉛是零下266攝氏度，鈮是零下264攝氏度。這些溫度太低了。重大的突破出現(xiàn)在1986年IBM 蘇黎世實(shí)驗(yàn)室。卡爾·亞歷山大·米勒和約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨的合作發(fā)現(xiàn)了一種鈣鈦礦類(lèi)型的氧化物陶瓷材料，可以在零下243度的時(shí)候就具有超導(dǎo)性質(zhì)。后來(lái)這個(gè)臨界溫度在短短數(shù)年中被一再提高。但是到今天，還沒(méi)有臨界溫度接近室溫的超導(dǎo)材料。如果用陶瓷做線圈，陶瓷能做成導(dǎo)線嗎？陶瓷沒(méi)有延展性不能單獨(dú)做成導(dǎo)線，但是可以將超導(dǎo)陶瓷材料做成涂層。

 

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的能量效律可以高于97%，是所有儲(chǔ)能技術(shù)中最高的。這種儲(chǔ)能的反應(yīng)時(shí)間是非常快的，可以實(shí)現(xiàn)在幾個(gè)毫秒內(nèi)把所存的電全部放光或是充好電。沒(méi)有任何一種實(shí)用的電池，可以在毫秒內(nèi)完成充電。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的最大的用處是保持電網(wǎng)的電壓和功率輸出的穩(wěn)定性。

 

這種儲(chǔ)能，成本是最大的問(wèn)題。由于沒(méi)有接近室溫工作的超導(dǎo)材料，這種儲(chǔ)能技術(shù)的超導(dǎo)線圈一直是在一個(gè)低溫恒溫器中工作。只是從室溫把線圈的溫度降到可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的溫度，就要長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的時(shí)間。將線圈的溫度降下來(lái)需要冷卻劑，目前普遍使用昂貴的液氦。同時(shí)整個(gè)裝置的隔熱需要做到極致。這里維持如此低溫的成本是不言而喻的。由于用磁場(chǎng)儲(chǔ)能，強(qiáng)大的磁場(chǎng)會(huì)覆蓋設(shè)備區(qū)和周邊的大片地區(qū)，必須要建設(shè)一個(gè)磁場(chǎng)對(duì)沖的線圈，以避免對(duì)人，輸電線路，航空，候鳥(niǎo)遷徙等等產(chǎn)生的負(fù)面影響。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能最大的潛在危險(xiǎn)是：由于故障，線圈溫度上升到了超導(dǎo)臨界溫度以上，這時(shí)超導(dǎo)作用會(huì)消失，線圈會(huì)釋放出就大的焦耳熱，后果將是非常嚴(yán)重的。可見(jiàn)超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的瓶頸還是高溫超導(dǎo)材料。

 

3.2 抽水蓄能

 

抽水蓄能是最早的蓄能方式。最早的抽水蓄能出現(xiàn)在1890年代瑞士的蘇黎世和意大利的山區(qū)。德國(guó)最早的抽水蓄能出現(xiàn)在1920年代，美國(guó)是在1930年代。抽水蓄能電站和水利發(fā)電工程很相似，都是將水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)行發(fā)電。大家對(duì)水利發(fā)電站都很熟悉。抽水儲(chǔ)能和水利發(fā)電站有哪些相似和不同的地方呢？水利發(fā)電站是將大河攔腰截?cái)啵鹚畨巍３樗钅茈娬居猩纤畮?kù)和下水庫(kù)，兩個(gè)水庫(kù)之間沒(méi)有必要緊挨著。聯(lián)通上下水庫(kù)建有輸水管，在輸水管上裝備有水力發(fā)電裝置。如果使用電力把水從下水庫(kù)抽到上水庫(kù)中，是將電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，從而完成蓄能。抽水蓄能不依賴(lài)天然的河流的落差，抽水蓄能電站不一定建在河上。它的水頭（水的落差）可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水壩。比如三峽大壩的額定水頭是80.6米，最高可以到113米。而抽水蓄能的水頭要高得多。一般都是兩三百米，多的可以達(dá)到四百米。修抽水蓄能的成本大概是水壩的兩倍。

 

目前世界上有超過(guò)165吉瓦的抽水蓄能裝機(jī)容量，占到全世界儲(chǔ)能裝機(jī)容量的94-97%和世界總儲(chǔ)存能量的99%。抽水蓄能和水利發(fā)電站很相似，都是通過(guò)水向下流動(dòng)推動(dòng)渦輪機(jī)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。抽水儲(chǔ)能和水壩有哪些不同的地方呢？首先抽水蓄能電站可以建在河邊，也可以不在河邊。如果抽水儲(chǔ)能修在河邊，和水壩攔截大江、大河不同，抽水蓄能的上蓄水池不是壩上的水庫(kù)，而是建在河岸附近的山頂。離河道有一定的距離。蓄能時(shí)將河水抽到上蓄水池，發(fā)電時(shí)讓水流回到河里。這樣的抽水蓄能工程可以和水壩起到類(lèi)似的調(diào)節(jié)河流水量的功能。如果抽水蓄能電站不是建在河邊的，它就需要兩個(gè)蓄水池：上蓄水池和下蓄水池。這兩個(gè)蓄水池可以有距離幾公里。這樣的抽水蓄能電站工作的時(shí)候，是一個(gè)閉環(huán)。

 

抽水蓄能電池的儲(chǔ)能規(guī)模取決于三個(gè)因素：蓄水池的有效體積，兩個(gè)蓄水池之間的水頭，即水的落差，和蓄能的能量轉(zhuǎn)換效率或者叫往返效率。蓄水池的體積越大，儲(chǔ)存的能量越多這是很好理解的。抽水蓄能的水頭一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水壩。比如三峽大壩的額定水頭是80.6米，最高可以到113米。而抽水蓄能的水頭要高得多。一般都是兩三百米，多的可以達(dá)到四百米。比如河北豐寧抽水蓄能電站的水頭是425米，它是目前全球最大的勢(shì)能電池，裝機(jī)容量360萬(wàn)千瓦（3.6 GW）。之前世界上最大的抽水蓄能是1985年建成的美國(guó)的巴斯縣(Bath County) 抽水蓄能，裝機(jī)容量是3003萬(wàn)千瓦（3.003 GW），它的水頭是385米。第三點(diǎn)是往返效率。這個(gè)效率通常在70% 和85% 之間。泵水時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，轉(zhuǎn)化效率和渦輪機(jī)有關(guān)，不可能是百分之百。放電時(shí)，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這里就會(huì)有損失。因?yàn)樗骱凸艿辣谥g有摩擦。這種摩擦所造成的效率損失是和上、下水庫(kù)的水平距離成正比的。所以理想的情況是上、下水庫(kù)距離不遠(yuǎn)。水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能是，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)化效率，又有損失。還有，水從渦輪機(jī)出來(lái)的時(shí)候，并非是靜止的，快速流動(dòng)的水還要帶走它的動(dòng)能。最后，如果抽水蓄能是建在干燥的地區(qū)，水分的蒸發(fā)也不容忽視。這么來(lái)看往返效率如果在80%以上，已經(jīng)是很出色了。

 

和水壩攔截大江大河不同，抽水蓄能多是建在河岸附近的山區(qū)。因?yàn)楦咚^需要把上水庫(kù)建在地勢(shì)高的地方，而要把下水庫(kù)也可以是河流留在低處。要想得到高水頭，也可以把廢棄的礦井改造成下水庫(kù)，當(dāng)然前提是這里的地址條件是適合的，而上庫(kù)可以建在任何一個(gè)技術(shù)上允許的高度，也就是說(shuō)上庫(kù)和下庫(kù)都可以在地面以下, 成為地下抽水蓄能。這種儲(chǔ)能的好處是更加安全、環(huán)保。理論上說(shuō)可以得到驚人的水頭，比如超過(guò)1千米。但是不知出于什么原因，所有的抽水蓄能在工程上可以做到的水頭還不超過(guò)800米。

 

對(duì)于抽水儲(chǔ)能，選址是一個(gè)大問(wèn)題。如果剛好海邊有高地，懸崖，用海水做蓄能，可以節(jié)省淡水，世界第一個(gè)海水抽水蓄能是1999年在日本沖繩的一個(gè)3萬(wàn)千瓦的小電站，建在海邊的懸崖上，但是這附近沒(méi)有多少用電需求，在2016年，這個(gè)項(xiàng)目被拆除了。抽水蓄能最重要的考慮是水是否可以存得住，這需要考慮蓄水湖的湖床的巖石的性質(zhì)，是否有滲透區(qū)，是否有地質(zhì)裂縫。在炎熱干燥的地區(qū)，蒸發(fā)是另一個(gè)大的問(wèn)題。

 

世界上具有建設(shè)抽水蓄能電站地質(zhì)條件的地區(qū)有很多。在2019年Cheng等作者通過(guò)計(jì)算估計(jì)地球從北緯60°到南緯56°范圍內(nèi)有61.6萬(wàn)處可以修建抽水蓄能電站。從圖七可以看出中國(guó)北方的燕山地區(qū)，河套地區(qū)，太行、秦嶺地區(qū)，長(zhǎng)江以南的華南地區(qū)、青藏高原，尤其是雅魯藏布江大拐彎流域、新疆北部都是可以建設(shè)抽水蓄能的。而東北平原，華北平原，淮河流域有雨地勢(shì)平坦，將無(wú)法建設(shè)大規(guī)模抽水蓄能。中國(guó)抽水蓄能適合地區(qū)的分布剛剛好和中國(guó)西部極大的太陽(yáng)能、風(fēng)能密集的地區(qū)重合，這是中國(guó)采用可再生能源的一大優(yōu)勢(shì)。中國(guó)的能源地區(qū)之間不平衡的問(wèn)題，通過(guò)高壓遠(yuǎn)距離輸變電工程已經(jīng)基本解決了。歐州則是南歐的山區(qū)適合。西亞、中亞地區(qū)的適合區(qū)域恰好和古代絲綢之路重合。非洲的適合地區(qū)都分布大陸的中部和大陸的邊緣地區(qū)。二北美和南美的主要適合地區(qū)是分布在落基山脈的兩側(cè)，北美的阿巴拉契亞山脈附近和巴西的亞馬孫熱帶雨林地區(qū)。
 

 

圖5 南緯56度到北緯60度之間適合抽水儲(chǔ)能的地點(diǎn)

 

抽水蓄能用的是可逆泵 - 渦輪機(jī)組：正向可以泵水，反向可以作為發(fā)電機(jī)使用，這個(gè)功能和電池很像。這里泵水和發(fā)電只關(guān)乎于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。這種機(jī)組是抽水蓄能真正的核心技術(shù)。對(duì)它的要求要比常規(guī)機(jī)組高的多。由于抽水蓄能的渦輪機(jī)接受的是從隧道中奔瀉而下的水，它的機(jī)組的轉(zhuǎn)速要比常規(guī)水電機(jī)組快；再者，由于抽水蓄能的功能是為電網(wǎng)削峰填谷，機(jī)組要頻繁啟停，并且經(jīng)常有正反轉(zhuǎn)互換。對(duì)于渦輪機(jī)的技術(shù)要求是很高的。

 

抽水儲(chǔ)能可以短時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足電網(wǎng)的削峰填谷的要求，它在最多幾分鐘之內(nèi)就可以提供它的裝機(jī)容量的功率，滿(mǎn)足用電需求。這就使得抽水蓄能可以代替煤電或者天然氣電廠來(lái)充當(dāng)峰值負(fù)荷發(fā)電廠。另一方面抽水蓄能可以在幾天，幾周，甚至幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)放電，是個(gè)超長(zhǎng)待機(jī)電池，可以起到社會(huì)季節(jié)性用電的調(diào)節(jié)作用。和其他儲(chǔ)能方式相比，抽水儲(chǔ)能的壽命是在所有儲(chǔ)能方案中是最長(zhǎng)的，一般是50年。

 

抽水蓄能的主要問(wèn)題是對(duì)地理、地質(zhì)條件的要求。要找到地勢(shì)有落差的地方。同時(shí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)需要非常穩(wěn)定，要避免由于水庫(kù)的重力所帶來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害；同時(shí)要防止水的滲透作用。

 

3.3 壓縮空氣

 

第一個(gè)商業(yè)化的壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施是1978年在德國(guó)的啟用的。它的輸出功率可以到29萬(wàn)千瓦。它是將空氣加壓充到處于地下六百米的容積為31萬(wàn)立方米的鹽洞中。這個(gè)鹽洞是密閉的, 額定的工作氣壓是50到60個(gè)大氣壓，最多可以被加壓到一百個(gè)大氣壓。這種鹽洞其實(shí)也是可以用來(lái)儲(chǔ)存天然氣的。這個(gè)設(shè)施每天有不到12小時(shí)在壓縮空氣，即“充電”， 能夠以29萬(wàn)千瓦的功率發(fā)電不到個(gè)小時(shí)。

 

人工形成鹽洞是一個(gè)有趣的工序。就是在找到了地下含鹽地層后，將一定量的水灌進(jìn)去，形成鹵水，然后將鹵水抽出來(lái)，這樣的過(guò)程反復(fù)進(jìn)行一定的次數(shù)，就可以形成一個(gè)預(yù)期大小的鹽洞。

 

在給壓縮空氣儲(chǔ)能裝置“充電”時(shí)，大量的空氣從外界引入鹽洞中。當(dāng)鹽洞中的氣壓上升時(shí)候，被壓縮的空氣溫度會(huì)升高。簡(jiǎn)單地理解，外界對(duì)空氣做功，空氣內(nèi)能上升。這樣會(huì)形成鹽洞中空氣和周邊環(huán)境之間的溫度差。如果鹽洞和周邊環(huán)境有熱交換，熱量會(huì)損失，比如通過(guò)散熱器釋放到空氣中；如果鹽洞壁不是絕熱的，熱空氣就會(huì)和鹽洞壁有熱交換。最終壓縮空氣的溫度會(huì)降到和環(huán)境等溫的狀態(tài)。也就是說(shuō)“充電”的一部分能量被損失了。

 

在壓縮空氣儲(chǔ)能裝置發(fā)電的時(shí)候，要通過(guò)解壓縮，使導(dǎo)出的空氣沖過(guò)渦輪機(jī)發(fā)電，這時(shí)鹽洞中的壓力降低，這個(gè)過(guò)程中，解壓縮的空氣溫度要降低 （對(duì)外做功，內(nèi)能下降），會(huì)低于周邊環(huán)境，形成一個(gè)和壓縮過(guò)程相反的溫度差，這就變成了一個(gè)制冷的過(guò)程，這樣會(huì)導(dǎo)致設(shè)備結(jié)冰，無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以對(duì)于可以自由熱交換的壓縮空氣儲(chǔ)能裝置，發(fā)電時(shí)必須配備一個(gè)加熱裝置，比如使用天然氣或燃油加熱，在壓縮空氣還沒(méi)有通過(guò)渦輪機(jī)之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱。這樣當(dāng)熱空氣解壓縮到大氣壓的時(shí)候，不至于導(dǎo)致設(shè)備結(jié)冰。也就是說(shuō)天然氣的加熱過(guò)程，也可以看作壓縮空氣儲(chǔ)能裝置“充電”的一部分。從另一個(gè)角度說(shuō)，被壓縮的空氣是儲(chǔ)備了可以做功的能力。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，這種壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和天然氣的火力發(fā)電是很相似的。這種可以自由熱交換的壓縮空氣儲(chǔ)能裝置總的效率是不高的。目前商業(yè)化的設(shè)備只能達(dá)到54%。

 

更先進(jìn)的壓縮空氣儲(chǔ)能是杜絕裝置和周邊環(huán)境的熱交換。為了避免和環(huán)境熱交換，整個(gè)儲(chǔ)能裝置必須是絕熱的。而這一類(lèi)的裝置又分為有熱能儲(chǔ)存設(shè)備的和沒(méi)有熱能儲(chǔ)存設(shè)備的。如果設(shè)備無(wú)法承受長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱空氣，就可以采用熱能儲(chǔ)存設(shè)備，比如讓壓縮的熱空氣加熱鹽到它的熔融態(tài)，這些空氣的熱量就由熔融鹽來(lái)儲(chǔ)存。當(dāng)裝置的空氣解壓縮的時(shí)候，這部分儲(chǔ)存的熱量，再用回來(lái)加熱空氣，也就不用或是少用化石燃料或是電能來(lái)加熱空氣了，這可以顯著提高壓縮空氣儲(chǔ)能的效率，預(yù)期達(dá)到70%以上。

 

最后一種壓縮空氣儲(chǔ)能方案是保持體系的溫度不變，無(wú)論是壓縮還是解壓縮都是緩慢地進(jìn)行。由于體系的溫度一直和環(huán)境相同，就沒(méi)有熱損耗。理論上說(shuō)，這樣的方案的效率是100%。但實(shí)際上想達(dá)到這個(gè)目的是非常困難的。可以想象，這種裝置的輸出功率將是非常低的。

 

壓縮空氣領(lǐng)域近些年也出現(xiàn)了一些初創(chuàng)公司。比如一個(gè)方案是使用儲(chǔ)氣罐來(lái)儲(chǔ)存壓縮空氣，這樣就不用挖鹽洞了。一個(gè)最重要的創(chuàng)新點(diǎn)，是在空氣被壓縮的時(shí)候，向空氣中噴水，來(lái)加熱水，這樣利用水的大熱容，從而將熱量存起來(lái)。在空氣解壓縮的時(shí)候，再用存的熱水，噴回到膨脹的空氣中，來(lái)加熱空氣。同一家公司的另一個(gè)方案是用風(fēng)力渦輪機(jī)直接形成壓縮空氣，而他們的設(shè)計(jì)是將壓縮空氣就儲(chǔ)存在支撐風(fēng)力渦輪機(jī)的大柱子中，這樣，風(fēng)電場(chǎng)就自己解決了自身儲(chǔ)能的問(wèn)題。

 

壓縮空器儲(chǔ)能雖然一直被認(rèn)為是一種主要的儲(chǔ)能方式，但是直到目前為止，實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的，也只有兩處。在世界范圍內(nèi)，其他在建和籌劃中的還有40幾處。

 

這里插一句關(guān)于用壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的話題。這個(gè)想法最初在1896年就有人提出來(lái)。之后陸陸續(xù)續(xù)都有一些工程師造出來(lái)這樣的車(chē)。這種車(chē)面臨的挑戰(zhàn)和壓縮空氣蓄能是一樣的。由于在空氣被噴出的時(shí)候，溫度大幅降低。這會(huì)對(duì)車(chē)?yán)锏某丝蜆?gòu)成凍傷的危險(xiǎn)。加熱設(shè)備是必須配備的，這樣的話，最多只能算是混合動(dòng)力車(chē)。

 

3.4其他間接儲(chǔ)能方法

 

間接儲(chǔ)能還有其他的方法，比如飛輪儲(chǔ)能，熱能儲(chǔ)能，和化學(xué)鍵儲(chǔ)能。由于本文的篇幅有限，這些方案筆者就不去介紹了。下面我們重點(diǎn)來(lái)說(shuō)說(shuō)電池。

 

（未完待續(xù)，敬請(qǐng)期待……）

 

紀(jì)秀磊：美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)教授。研究領(lǐng)域主要涉及儲(chǔ)能電池化學(xué)原理、材料的設(shè)計(jì)。他是2019、2020高被引學(xué)者。《Carbon Energy》副主編。2003年吉林大學(xué)化學(xué)系本科畢業(yè)。2003和2009年加拿大滑鐵盧大學(xué)碩士和博士畢業(yè)。2010至2012年美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校博士后。2012年至今于俄勒岡州立大學(xué)執(zhí)教。