發(fā)的電用不完的，能儲存起來嗎？

今年夏天，四川各地持續(xù)高溫，電力供需緊張形勢進(jìn)一步加劇。在大家的印象里，四川水資源豐富，擁有多座巨型水電站，水電裝機容量和發(fā)電量，均居全國第一的水電大省，為何會在夏季出現(xiàn)電力缺口？

今年極為異常的高溫干旱，是最主要的直接原因。嚴(yán)峻的高溫干旱災(zāi)害性天氣，讓四川面臨歷史同期最高的極端高溫、歷史同期最少的降水量、歷史同期最高的電力負(fù)荷三“最”疊加的局面。

來源：veer圖庫

現(xiàn)代人的世界，離不開電

電能作為現(xiàn)代社會的運行基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。發(fā)電站將風(fēng)能、水能、煤炭中貯存的化學(xué)能等類型的能量轉(zhuǎn)換為電能，利用電網(wǎng)傳輸?shù)角Ъ胰f戶，人們再按照自己需求將電能轉(zhuǎn)換成別的能量。舉個例子，遠(yuǎn)方的發(fā)電站生產(chǎn)出的電力傳輸?shù)搅四慵依?，你再用電來照明（電能轉(zhuǎn)換成光能），做飯（電能轉(zhuǎn)換成熱能），洗衣服（電能轉(zhuǎn)換成機械能）。

圖片來源：參考文獻(xiàn)1

目前的發(fā)電模式有一個很重要的特點：消耗多少就生產(chǎn)多少。發(fā)電廠的發(fā)電功率是根據(jù)電網(wǎng)另一端的用電功率實時調(diào)整的，到晚上大家要開燈了，發(fā)電機的發(fā)電功率會根據(jù)電網(wǎng)的參數(shù)實時調(diào)整，發(fā)電功率和用電功率處在一個動態(tài)的平衡當(dāng)中。

四川省內(nèi)的電站，采用水利發(fā)電的裝機量是總發(fā)電裝機量的百分之八十二，而徑流式水電站（河里流過多少水就發(fā)多少電，沒有存水的水庫）又占到水電總裝機的百分之六十。水利發(fā)電站的發(fā)電功率受制于河流水量的大小。

豐水期水流較大，水電站如果將流過的水全部用于發(fā)電，電量消耗不完，因此出現(xiàn)了能量多余，只能將一部分水直接放走。而在枯水期，水流太小，將所有流過的水用于發(fā)電也無法滿足電力需求，導(dǎo)致能量缺乏。

徑流式水電站在實際運行時，不可避免地會遇到以上兩種情況，導(dǎo)致發(fā)電能力有時候被浪費了，有時候又不能滿足用電需求。

圖片來源：作者

輸電線路，效率高但規(guī)劃建造需要時間。我國的電能輸送技術(shù)目前可以說是藍(lán)星最強（國家電網(wǎng)：低調(diào)，低調(diào)），在電網(wǎng)的設(shè)計初期，會考慮到各地的用電量需和發(fā)電站的發(fā)電功率，規(guī)劃合適的布局，盡可能最大化的利用發(fā)電站的發(fā)電能力，減少能源的浪費。然而，要是遇到幾十年一遇的極端情況的話，設(shè)計的電網(wǎng)也會有沒能力招架的時候。

電網(wǎng)系統(tǒng)的后盾——儲能技術(shù)

當(dāng)電網(wǎng)沒能力招架了怎么辦？這時候就需要儲能設(shè)施出場救急了。儲能設(shè)施是干什么的呢？打個比方，它相當(dāng)于一個小金庫，把平時多出來的電能存到儲能設(shè)施里，有需要的時候再取出來用。這樣才是能量利用率最高的解決辦法。儲能系統(tǒng)種類繁多，各有特色，主要有抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、電化學(xué)儲能、超級電容器儲能。

目前世界上裝機容量最多的電網(wǎng)儲能設(shè)施是抽水蓄能電站，在用電低谷時，抽水蓄能電站利用網(wǎng)的多余發(fā)電量，將水從低處的水庫抽取到高處的水庫儲存起來；到用電高峰期時，再利用抽到高處水庫中的水進(jìn)行發(fā)電。這樣一來，平時多余的電能讓抽水蓄能電站儲存起來，在發(fā)電站無法滿足用電需求時，再由抽水蓄能電站發(fā)電，分擔(dān)發(fā)電站的壓力。

安徽響水澗抽水蓄能電站（圖片來源：新華社）

風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的發(fā)電功率波動很大，而且很迅速。風(fēng)刮一會兒停一會兒，或是云朵把太陽遮了一會兒，兩者的發(fā)電功率跟過山車似地波瀾起伏。這也是現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電能量利用率不高的重要原因，波動太快導(dǎo)致電網(wǎng)無法承受。（電網(wǎng)：我的小心臟受不了這種波瀾）。有效提高這些電能利用率的辦法，也是建造儲能設(shè)施。在發(fā)電功率冗余的時候把電能存起來，然后發(fā)電功率不足時輔助放電，把發(fā)電功率給“熨平”，這樣電網(wǎng)才能承受。

（圖源：作者自制）

抽水電站能勝任這個工作嗎？不行，對于光電和風(fēng)電來說，抽水蓄能電站的反應(yīng)速度總是“慢半拍”，沒辦法滿足要求。抽水蓄能電站儲備能量通常需要幾天的時間，而且建設(shè)抽水蓄能電站對環(huán)境的要求也比較高。因此目前的抽水蓄能電站幾乎都用于在電力系統(tǒng)處于較大載荷時分擔(dān)發(fā)電壓力。

化學(xué)電池目前最有希望滿足上述要求，化學(xué)電池的充放電切換迅速，反應(yīng)極快。生活中最常見的儲能設(shè)備就是化學(xué)電池了。手機、平板、電動汽車的儲能設(shè)備都是化學(xué)電池。不過電池的性能雖好，大規(guī)模使用還是會面臨成本問題。以平時使用的手機充電寶為例，在不考慮損耗的理想情況下，需要7.5個容量一萬毫安時的充電寶才能存下一度電。這還是使用了能量密度很高（當(dāng)然，價格也很感人）的鋰離子電池的情況下。

電池技術(shù)的發(fā)展——沒有摩爾定律可言

摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。

在電池行業(yè)，這句話可以這么說：大約每兩年電池能量密度翻一番，或是同等的能量密度下價格降低一半，當(dāng)然，這在電池行業(yè)簡直是天方夜譚。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展二十多年來，一直集中在通信、消費電子以及電動汽車行業(yè)，在應(yīng)用規(guī)模更大的儲能電池行業(yè)，由于鋰電池的成本高、且難以應(yīng)對穿刺、沖撞以及高低溫等特殊環(huán)境，大規(guī)模儲能電池的應(yīng)用始終停留在實驗階段。電池技術(shù)的發(fā)展，還有很長的路要走。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

目前，國內(nèi)外儲能技術(shù)的主要研究方向都是電化學(xué)儲能，一些新技術(shù)在實驗室階段也取得了可喜的進(jìn)展。不過，新技術(shù)從實驗室走向?qū)嵱秒A段，還有很遠(yuǎn)的路要走。當(dāng)儲能技術(shù)和輸電技術(shù)發(fā)展到一個全新的水平時，我們有望擺脫對化石能源的重度依賴。每一次能源行業(yè)的重大進(jìn)展，都將人類帶到了一個全新的發(fā)展階段，未來會是如何，技術(shù)的進(jìn)步會給我們這些普通人的生活帶來什么樣的變化呢？讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn):

[1]Hosein, Stefan & Hosein, Patrick & Kattick, Walter & Ratan, Varma. (2016). Web application for power grid fault management. 1-5. 10.1109/ICIAS.2016.7824052.

[2]吳皓文, 王軍, 龔迎莉,等. 儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J]. 電力學(xué)報, 2021, 36(5):10.

[3]朱雪艷. 四川省水電站棄水成因及應(yīng)對分析[J]. 產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究, 2019(9):2.

[4]Lai, Sing C , McCulloch, et al. Levelized cost of electricity for solar photovoltaic and electrical energy storage[J]. Applied energy, 2017.

[5]https://world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/electricity-and-energy-storage

[6]吳皓文, 王軍, 龔迎莉,等. 儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J]. 電力學(xué)報, 2021, 36(5):10.

出品：科普中國

制作：海里的咸魚

監(jiān)制：中國科普博覽

責(zé)編：周曉明

來源：科普中國