發(fā)的電用不完的，能儲(chǔ)存起來(lái)嗎？

今年夏天，四川各地持續(xù)高溫，電力供需緊張形勢(shì)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(jī)容量和發(fā)電量，均居全國(guó)第一的水電大省，為何會(huì)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(lái)源：veer圖庫(kù)

現(xiàn)代人的世界，離不開電

電能作為現(xiàn)代社會(huì)的運(yùn)行基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)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(wàn)戶，人們?cè)侔凑兆约盒枨髮㈦娔苻D(zhuǎn)換成別的能量。舉個(gè)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?lái)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(jī)械能）。

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

目前的發(fā)電模式有一個(gè)很重要的特點(diǎn)：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(shí)時(shí)調(diào)整的，到晚上大家要開燈了，發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率會(huì)根據(jù)電網(wǎng)的參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整，發(fā)電功率和用電功率處在一個(gè)動(dòng)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(jī)量是總發(fā)電裝機(jī)量的百分之八十二，而徑流式水電站（河里流過(guò)多少水就發(fā)多少電，沒(méi)有存水的水庫(kù)）又占到水電總裝機(jī)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(guò)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(guò)的水用于發(fā)電也無(wú)法滿足電力需求，導(dǎo)致能量缺乏。

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

圖片來(lái)源：作者

輸電線路，效率高但規(guī)劃建造需要時(shí)間。我國(guó)的電能輸送技術(shù)目前可以說(shuō)是藍(lán)星最強(qiáng)（國(guó)家電網(wǎng)：低調(diào)，低調(diào)），在電網(wǎng)的設(shè)計(jì)初期，會(huì)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(fèi)。然而，要是遇到幾十年一遇的極端情況的話，設(shè)計(jì)的電網(wǎng)也會(huì)有沒(méi)能力招架的時(shí)候。

電網(wǎng)系統(tǒng)的后盾——儲(chǔ)能技術(shù)

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

目前世界上裝機(jī)容量最多的電網(wǎng)儲(chǔ)能設(shè)施是抽水蓄能電站，在用電低谷時(shí)，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(kù)抽取到高處的水庫(kù)儲(chǔ)存起來(lái)；到用電高峰期時(shí)，再利用抽到高處水庫(kù)中的水進(jìn)行發(fā)電。這樣一來(lái)，平時(shí)多余的電能讓抽水蓄能電站儲(chǔ)存起來(lái)，在發(fā)電站無(wú)法滿足用電需求時(shí)，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(lái)源：新華社）

風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)電功率波動(dòng)很大，而且很迅速。風(fēng)刮一會(huì)兒停一會(huì)兒，或是云朵把太陽(yáng)遮了一會(huì)兒，兩者的發(fā)電功率跟過(guò)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(dòng)太快導(dǎo)致電網(wǎng)無(wú)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(chǔ)能設(shè)施。在發(fā)電功率冗余的時(shí)候把電能存起來(lái)，然后發(fā)電功率不足時(shí)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(gè)工作嗎？不行，對(duì)于光電和風(fēng)電來(lái)說(shuō)，抽水蓄能電站的反應(yīng)速度總是“慢半拍”，沒(méi)辦法滿足要求。抽水蓄能電站儲(chǔ)備能量通常需要幾天的時(shí)間，而且建設(shè)抽水蓄能電站對(duì)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(shí)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(chǔ)能設(shè)備就是化學(xué)電池了。手機(jī)、平板、電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能設(shè)備都是化學(xué)電池。不過(guò)電池的性能雖好，大規(guī)模使用還是會(huì)面臨成本問(wèn)題。以平時(shí)使用的手機(jī)充電寶為例，在不考慮損耗的理想情況下，需要7.5個(gè)容量一萬(wàn)毫安時(shí)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(jià)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(méi)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(yàn)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(guò)18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。換言之，處理器的性能大約每?jī)赡攴槐?，同時(shí)價(jià)格下降為之前的一半。

在電池行業(yè)，這句話可以這么說(shuō)：大約每?jī)赡觌姵啬芰棵芏确环?，或是同等的能量密度下價(jià)格降低一半，當(dāng)然，這在電池行業(yè)簡(jiǎn)直是天方夜譚。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展二十多年來(lái)，一直集中在通信、消費(fèi)電子以及電動(dòng)汽車行業(yè)，在應(yīng)用規(guī)模更大的儲(chǔ)能電池行業(yè)，由于鋰電池的成本高、且難以應(yīng)對(duì)穿刺、沖撞以及高低溫等特殊環(huán)境，大規(guī)模儲(chǔ)能電池的應(yīng)用始終停留在實(shí)驗(yàn)階段。電池技術(shù)的發(fā)展，還有很長(zhǎng)的路要走。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

目前，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能技術(shù)的主要研究方向都是電化學(xué)儲(chǔ)能，一些新技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室階段也取得了可喜的進(jìn)展。不過(guò)，新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱秒A段，還有很遠(yuǎn)的路要走。當(dāng)儲(chǔ)能技術(shù)和輸電技術(shù)發(fā)展到一個(gè)全新的水平時(shí)，我們有望擺脫對(duì)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(gè)全新的發(fā)展階段，未來(lái)會(huì)是如何，技術(shù)的進(jìn)步會(huì)給我們這些普通人的生活帶來(lái)什么樣的變化呢？讓我們拭目以待。

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[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(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J]. 電力學(xué)報(bào), 2021, 36(5):10.

出品：科普中國(guó)

制作：海里的咸魚

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

責(zé)編：周曉明

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