3.1超導磁儲能

 

超導磁儲能是通過電感效應把電能轉化為磁場能。超導磁儲能的原理是用直流電給由超導材料制成的螺旋形電感線圈充電。充電過程中流過電感的電流會逐漸增加到最大值，這個過程中電感線圈中的磁場會逐漸增強。當電流到達最大值時，線圈兩端的電壓就降到零。這時充電就完成了。這時將超導線圈的兩端短接，電流就在超導線圈的閉合回路中無休止的流動。理論上說能量可以永遠儲存在這里。這是自然界里發現的最接近“永遠”的現象。需要放電時，將線圈的兩端接上負載，就可以將磁能電能轉化為直流電能。這種儲能的規模是和超導線圈中電流的平方和線圈電感的乘積成正比。

 

這種儲能的實現依賴于超導體做成的線圈，由于超導導線沒有電阻，所以電流在這樣的導線上通過，沒有能量損耗。而目前的超導體只有在低溫下才有超導現象。超導材料在臨界溫度以下電阻才會消失。很多金屬都有超導現象，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。重大的突破出現在1986年IBM 蘇黎世實驗室。卡爾·亞歷山大·米勒和約翰內斯·貝德諾爾茨的合作發現了一種鈣鈦礦類型的氧化物陶瓷材料，可以在零下243度的時候就具有超導性質。后來這個臨界溫度在短短數年中被一再提高。但是到今天，還沒有臨界溫度接近室溫的超導材料。如果用陶瓷做線圈，陶瓷能做成導線嗎？陶瓷沒有延展性不能單獨做成導線，但是可以將超導陶瓷材料做成涂層。

 

超導磁儲能的能量效律可以高于97%，是所有儲能技術中最高的。這種儲能的反應時間是非常快的，可以實現在幾個毫秒內把所存的電全部放光或是充好電。沒有任何一種實用的電池，可以在毫秒內完成充電。超導磁儲能的最大的用處是保持電網的電壓和功率輸出的穩定性。

 

這種儲能，成本是最大的問題。由于沒有接近室溫工作的超導材料，這種儲能技術的超導線圈一直是在一個低溫恒溫器中工作。只是從室溫把線圈的溫度降到可以實現超導的溫度，就要長達幾個月的時間。將線圈的溫度降下來需要冷卻劑，目前普遍使用昂貴的液氦。同時整個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。由于用磁場儲能，強大的磁場會覆蓋設備區和周邊的大片地區，必須要建設一個磁場對沖的線圈，以避免對人，輸電線路，航空，候鳥遷徙等等產生的負面影響。超導磁儲能最大的潛在危險是：由于故障，線圈溫度上升到了超導臨界溫度以上，這時超導作用會消失，線圈會釋放出就大的焦耳熱，后果將是非常嚴重的。可見超導磁儲能的瓶頸還是高溫超導材料。

 

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在1890年代瑞士的蘇黎世和意大利的山區。德國最早的抽水蓄能出現在1920年代，美國是在1930年代。抽水蓄能電站和水利發電工程很相似，都是將水的重力勢能轉化為電能，進行發電。大家對水利發電站都很熟悉。抽水儲能和水利發電站有哪些相似和不同的地方呢？水利發電站是將大河攔腰截斷，筑起水壩。抽水蓄能電站有上水庫和下水庫，兩個水庫之間沒有必要緊挨著。聯通上下水庫建有輸水管，在輸水管上裝備有水力發電裝置。如果使用電力把水從下水庫抽到上水庫中，是將電能轉化為重力勢能，從而完成蓄能。抽水蓄能不依賴天然的河流的落差，抽水蓄能電站不一定建在河上。它的水頭（水的落差）可以遠遠高于水壩。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165吉瓦的抽水蓄能裝機容量，占到全世界儲能裝機容量的94-97%和世界總儲存能量的99%。抽水蓄能和水利發電站很相似，都是通過水向下流動推動渦輪機將重力勢能轉化為電能。抽水儲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，而是建在河岸附近的山頂。離河道有一定的距離。蓄能時將河水抽到上蓄水池，發電時讓水流回到河里。這樣的抽水蓄能工程可以和水壩起到類似的調節河流水量的功能。如果抽水蓄能電站不是建在河邊的，它就需要兩個蓄水池：上蓄水池和下蓄水池。這兩個蓄水池可以有距離幾公里。這樣的抽水蓄能電站工作的時候，是一個閉環。

 

抽水蓄能電池的儲能規模取決于三個因素：蓄水池的有效體積，兩個蓄水池之間的水頭，即水的落差，和蓄能的能量轉換效率或者叫往返效率。蓄水池的體積越大，儲存的能量越多這是很好理解的。抽水蓄能的水頭一般要遠遠高于水壩。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能電池，裝機容量360萬千瓦（3.6 GW）。之前世界上最大的抽水蓄能是1985年建成的美國的巴斯縣(Bath County) 抽水蓄能，裝機容量是3003萬千瓦（3.003 GW），它的水頭是385米。第三點是往返效率。這個效率通常在70% 和85% 之間。泵水時，電能轉化為重力勢能，轉化效率和渦輪機有關，不可能是百分之百。放電時，重力勢能轉化為動能，這里就會有損失。因為水流和管道壁之間有摩擦。這種摩擦所造成的效率損失是和上、下水庫的水平距離成正比的。所以理想的情況是上、下水庫距離不遠。水的動能轉化為電能是，渦輪機的轉化效率，又有損失。還有，水從渦輪機出來的時候，并非是靜止的，快速流動的水還要帶走它的動能。最后，如果抽水蓄能是建在干燥的地區，水分的蒸發也不容忽視。這么來看往返效率如果在80%以上，已經是很出色了。

 

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。因為高水頭需要把上水庫建在地勢高的地方，而要把下水庫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，當然前提是這里的地址條件是適合的，而上庫可以建在任何一個技術上允許的高度，也就是說上庫和下庫都可以在地面以下, 成為地下抽水蓄能。這種儲能的好處是更加安全、環保。理論上說可以得到驚人的水頭，比如超過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800米。

 

對于抽水儲能，選址是一個大問題。如果剛好海邊有高地，懸崖，用海水做蓄能，可以節省淡水，世界第一個海水抽水蓄能是1999年在日本沖繩的一個3萬千瓦的小電站，建在海邊的懸崖上，但是這附近沒有多少用電需求，在2016年，這個項目被拆除了。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，是否有滲透區，是否有地質裂縫。在炎熱干燥的地區，蒸發是另一個大的問題。

 

世界上具有建設抽水蓄能電站地質條件的地區有很多。在2019年Cheng等作者通過計算估計地球從北緯60°到南緯56°范圍內有61.6萬處可以修建抽水蓄能電站。從圖七可以看出中國北方的燕山地區，河套地區，太行、秦嶺地區，長江以南的華南地區、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抽水蓄能的。而東北平原，華北平原，淮河流域有雨地勢平坦，將無法建設大規模抽水蓄能。中國抽水蓄能適合地區的分布剛剛好和中國西部極大的太陽能、風能密集的地區重合，這是中國采用可再生能源的一大優勢。中國的能源地區之間不平衡的問題，通過高壓遠距離輸變電工程已經基本解決了。歐州則是南歐的山區適合。西亞、中亞地區的適合區域恰好和古代絲綢之路重合。非洲的適合地區都分布大陸的中部和大陸的邊緣地區。二北美和南美的主要適合地區是分布在落基山脈的兩側，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。
 

 

圖5 南緯56度到北緯60度之間適合抽水儲能的地點

 

抽水蓄能用的是可逆泵 - 渦輪機組：正向可以泵水，反向可以作為發電機使用，這個功能和電池很像。這里泵水和發電只關乎于渦輪機的轉動方向。這種機組是抽水蓄能真正的核心技術。對它的要求要比常規機組高的多。由于抽水蓄能的渦輪機接受的是從隧道中奔瀉而下的水，它的機組的轉速要比常規水電機組快；再者，由于抽水蓄能的功能是為電網削峰填谷，機組要頻繁啟停，并且經常有正反轉互換。對于渦輪機的技術要求是很高的。

 

抽水儲能可以短時間內滿足電網的削峰填谷的要求，它在最多幾分鐘之內就可以提供它的裝機容量的功率，滿足用電需求。這就使得抽水蓄能可以代替煤電或者天然氣電廠來充當峰值負荷發電廠。另一方面抽水蓄能可以在幾天，幾周，甚至幾個月的時間內放電，是個超長待機電池，可以起到社會季節性用電的調節作用。和其他儲能方式相比，抽水儲能的壽命是在所有儲能方案中是最長的，一般是50年。

 

抽水蓄能的主要問題是對地理、地質條件的要求。要找到地勢有落差的地方。同時地質結構需要非常穩定，要避免由于水庫的重力所帶來的地質災害；同時要防止水的滲透作用。

 

3.3 壓縮空氣

 

第一個商業化的壓縮空氣儲能設施是1978年在德國的啟用的。它的輸出功率可以到29萬千瓦。它是將空氣加壓充到處于地下六百米的容積為31萬立方米的鹽洞中。這個鹽洞是密閉的, 額定的工作氣壓是50到60個大氣壓，最多可以被加壓到一百個大氣壓。這種鹽洞其實也是可以用來儲存天然氣的。這個設施每天有不到12小時在壓縮空氣，即“充電”， 能夠以29萬千瓦的功率發電不到個小時。

 

人工形成鹽洞是一個有趣的工序。就是在找到了地下含鹽地層后，將一定量的水灌進去，形成鹵水，然后將鹵水抽出來，這樣的過程反復進行一定的次數，就可以形成一個預期大小的鹽洞。

 

在給壓縮空氣儲能裝置“充電”時，大量的空氣從外界引入鹽洞中。當鹽洞中的氣壓上升時候，被壓縮的空氣溫度會升高。簡單地理解，外界對空氣做功，空氣內能上升。這樣會形成鹽洞中空氣和周邊環境之間的溫度差。如果鹽洞和周邊環境有熱交換，熱量會損失，比如通過散熱器釋放到空氣中；如果鹽洞壁不是絕熱的，熱空氣就會和鹽洞壁有熱交換。最終壓縮空氣的溫度會降到和環境等溫的狀態。也就是說“充電”的一部分能量被損失了。

 

在壓縮空氣儲能裝置發電的時候，要通過解壓縮，使導出的空氣沖過渦輪機發電，這時鹽洞中的壓力降低，這個過程中，解壓縮的空氣溫度要降低 （對外做功，內能下降），會低于周邊環境，形成一個和壓縮過程相反的溫度差，這就變成了一個制冷的過程，這樣會導致設備結冰，無法正常運轉。所以對于可以自由熱交換的壓縮空氣儲能裝置，發電時必須配備一個加熱裝置，比如使用天然氣或燃油加熱，在壓縮空氣還沒有通過渦輪機之前對其進行預熱。這樣當熱空氣解壓縮到大氣壓的時候，不至于導致設備結冰。也就是說天然氣的加熱過程，也可以看作壓縮空氣儲能裝置“充電”的一部分。從另一個角度說，被壓縮的空氣是儲備了可以做功的能力。從整個過程來看，這種壓縮空氣儲能技術和天然氣的火力發電是很相似的。這種可以自由熱交換的壓縮空氣儲能裝置總的效率是不高的。目前商業化的設備只能達到54%。

 

更先進的壓縮空氣儲能是杜絕裝置和周邊環境的熱交換。為了避免和環境熱交換，整個儲能裝置必須是絕熱的。而這一類的裝置又分為有熱能儲存設備的和沒有熱能儲存設備的。如果設備無法承受長期儲存熱空氣，就可以采用熱能儲存設備，比如讓壓縮的熱空氣加熱鹽到它的熔融態，這些空氣的熱量就由熔融鹽來儲存。當裝置的空氣解壓縮的時候，這部分儲存的熱量，再用回來加熱空氣，也就不用或是少用化石燃料或是電能來加熱空氣了，這可以顯著提高壓縮空氣儲能的效率，預期達到70%以上。

 

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

 

壓縮空氣領域近些年也出現了一些初創公司。比如一個方案是使用儲氣罐來儲存壓縮空氣，這樣就不用挖鹽洞了。一個最重要的創新點，是在空氣被壓縮的時候，向空氣中噴水，來加熱水，這樣利用水的大熱容，從而將熱量存起來。在空氣解壓縮的時候，再用存的熱水，噴回到膨脹的空氣中，來加熱空氣。同一家公司的另一個方案是用風力渦輪機直接形成壓縮空氣，而他們的設計是將壓縮空氣就儲存在支撐風力渦輪機的大柱子中，這樣，風電場就自己解決了自身儲能的問題。

 

壓縮空器儲能雖然一直被認為是一種主要的儲能方式，但是直到目前為止，實現商業運營的，也只有兩處。在世界范圍內，其他在建和籌劃中的還有40幾處。

 

這里插一句關于用壓縮空氣來驅動車輛的話題。這個想法最初在1896年就有人提出來。之后陸陸續續都有一些工程師造出來這樣的車。這種車面臨的挑戰和壓縮空氣蓄能是一樣的。由于在空氣被噴出的時候，溫度大幅降低。這會對車里的乘客構成凍傷的危險。加熱設備是必須配備的，這樣的話，最多只能算是混合動力車。

 

3.4其他間接儲能方法

 

間接儲能還有其他的方法，比如飛輪儲能，熱能儲能，和化學鍵儲能。由于本文的篇幅有限，這些方案筆者就不去介紹了。下面我們重點來說說電池。

 

（未完待續，敬請期待……）

 

紀秀磊：美國俄勒岡州立大學教授。研究領域主要涉及儲能電池化學原理、材料的設計。他是2019、2020高被引學者。《Carbon Energy》副主編。2003年吉林大學化學系本科畢業。2003和2009年加拿大滑鐵盧大學碩士和博士畢業。2010至2012年美國加州大學圣巴巴拉分校博士后。2012年至今于俄勒岡州立大學執教。