人類最早使用的電池——伏打電池,就是用電解液將不同的金屬串聯(lián)起來,通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢。這種電池使用過程中,必須有液態(tài)的電解液才能讓電池穩(wěn)定提供電動(dòng)勢,這類設(shè)備也因此得名“電池”。后來為了方便使用,電解液被制成糊狀,電池就變成了干電池。盡管現(xiàn)有的多數(shù)電池中并沒有一個(gè)“水池”,但電池這種叫法仍然約定俗成地流傳了下來。
伏打電堆,早期電池中的確含有液態(tài)電解液 圖片來源:Wikipedia
而現(xiàn)在,隨著我們的能源結(jié)構(gòu)快速向新能源轉(zhuǎn)型,電網(wǎng)對電能儲(chǔ)存的要求快速提升,我們需要給電網(wǎng)專用的電池。抽水蓄能電站就是多種電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)中儲(chǔ)能規(guī)模最大,較為成熟的一種。經(jīng)過兩個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展后,電網(wǎng)使用的電池似乎又回歸了它字面的意思——一個(gè)儲(chǔ)存電能的水池。
真正的電池
隨著新能源的快速推進(jìn),光伏和風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定的特性讓發(fā)電側(cè)也出現(xiàn)了較大的儲(chǔ)能需求,抽水蓄能電站的建設(shè)也逐漸提速。就在上個(gè)月,河北豐寧抽水蓄能電站上水庫順利下閘蓄水,很快就能投入使用。屆時(shí),它將以360萬千瓦的裝機(jī)容量取代300萬千瓦的美國巴斯康蒂抽水蓄能電站(Bath County Pumped Storage Station),成為世界上最大的抽水蓄能電站,同時(shí)可以說是世界上最大的“電池”。
以豐寧抽水蓄能電站為例,它擁有上下兩個(gè)水庫,上水庫庫容為5800萬立方米,下水庫庫容為6070萬立方米,落差425米。大多數(shù)抽水蓄能電站的綜合效率能達(dá)到75%以上。以該電站為例,經(jīng)過計(jì)算可知,上水庫中每千克水平均儲(chǔ)存了0.0009度電。雖然只有蓄電池每千克0.04度的1/50左右,但水庫依然可以憑借龐大的儲(chǔ)能規(guī)模碾壓了傳統(tǒng)的蓄電池。去年全年中國生產(chǎn)的蓄電池總?cè)萘?.2億度,而當(dāng)豐寧抽水蓄能電站上水庫蓄滿水時(shí),蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于5000萬度電。僅一個(gè)水庫,就接近去年全年生產(chǎn)蓄電池總?cè)萘康?/4,它年發(fā)電量能達(dá)到66.12億度,相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤48.08萬噸。
豐寧抽水蓄能電站上水庫大壩 圖片來源:新華社
抽水蓄能電站的整體結(jié)構(gòu)和水電站類似,只是多了一條從下水庫向上水庫輸水的管道和相應(yīng)的水泵系統(tǒng)。因此,它的壽命和成本都和傳統(tǒng)水電站看齊。水電長期以來就是主要的發(fā)電形式之一,發(fā)電成本早已經(jīng)受住了考驗(yàn)。而規(guī)范水電的壽命往往也都很長——中國第一座水電站石龍壩水電站于1912年建成發(fā)電,至今還在使用。
抽水蓄能電站原理圖。用電低谷時(shí),電站用升降器將水從下池水庫抽到上池水庫;用電高峰時(shí),將水從上池水庫放到下池水庫中發(fā)電 圖片來源:Wikipedia
抽水蓄能電站以往僅存在于大城市周圍,用于平衡大城市日夜用電的巨大差異,數(shù)量較少。未來,隨著建設(shè)的提速,抽水蓄能電站可能越來越被我們所熟知。目前我國在運(yùn)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模3179萬千瓦,在建規(guī)模5463萬千瓦,預(yù)期到2025年,在運(yùn)裝機(jī)總規(guī)模將達(dá)到6200萬千瓦;到2030年,將達(dá)到1億千瓦至1.2億千瓦。
從“電塔”到“電輪”
電網(wǎng)專用的電池并不止抽水蓄能電站一種。隨著新能源的發(fā)展,各種形式的儲(chǔ)能設(shè)備也不斷涌現(xiàn)出來,包括利用重力儲(chǔ)電的“電塔”,用壓縮氣體儲(chǔ)能的“電氣”,還有用高速飛輪儲(chǔ)能的“電輪”等等。
電力中,“塔”往往用于輸電,但是儲(chǔ)電也能用到塔狀結(jié)構(gòu)。在英國愛丁堡,一口四層樓高的豎井被改造成了重力電池。該設(shè)備可以用電網(wǎng)電力將50噸的配重慢慢抬起,而在外部需要電力時(shí),它能將配重塊慢慢放下穩(wěn)定輸出能源。這項(xiàng)技術(shù)并不成熟,但它相比于抽水蓄能電站的優(yōu)勢在于:后者對地形有較高的要求,而這種“電塔”則有望靈活部署,對地形并無太大要求。
抽水蓄能電站對地形要求較高 圖片來源:Wikipedia
如果用壓縮氣體儲(chǔ)存電能,則又產(chǎn)生了“電氣”。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)能在用電低谷時(shí)將空氣壓縮到儲(chǔ)氣室中,將電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能;在用電高峰,再將高壓氣體釋放出來發(fā)電。這種技術(shù)儲(chǔ)能規(guī)模僅次于抽水蓄能電站,而響應(yīng)時(shí)間則比抽水蓄能電站更快。
還有用輪盤儲(chǔ)存電能的“電輪”。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)可以將電能以飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來。和其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相比,飛輪儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)能規(guī)模很小,但是響應(yīng)很快,其用途更傾向于改善電源品質(zhì)。除此之外,還有很多種不同的電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)。
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)示意圖 圖片來源:Wikipedia
那電池怎么辦?電網(wǎng)中當(dāng)然也存在直接用電池儲(chǔ)能的電站,但相對而言成本較高,電池報(bào)廢后造成環(huán)保問題也不容忽視。隨著電動(dòng)汽車的快速推廣,動(dòng)力電池的產(chǎn)能也在近幾年飆升,動(dòng)力電池的回收是一個(gè)巨大的問題。自然,電池的梯次利用被提上了日程。
“玩具車用完后,遙控器還能接著用。”這就是一種電池的梯次利用形式。在電動(dòng)車動(dòng)力電池衰減到報(bào)廢程度后,雖然不滿足動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn),但仍然有機(jī)會(huì)讓儲(chǔ)能電站來使用。但理想很豐滿,現(xiàn)實(shí)卻又那么骨感。電池本身是含能材料,如果沒有合適的安全管理措施,污染、起火甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)都時(shí)刻存在。就在前天,國家能源局發(fā)出征求意見稿,指出在電池一致性管理技術(shù)取得關(guān)鍵突破、動(dòng)力電池性能監(jiān)測與評價(jià)體系健全前,原則上不得新建大型動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能項(xiàng)目。
所以當(dāng)前,對電網(wǎng)儲(chǔ)能的需求而言,反而是抽水蓄能電站這種“電池”更加可靠。從18世紀(jì)末現(xiàn)代電池被發(fā)明以來,人類兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又反了回來,電池又變得“名副其實(shí)”。只不過經(jīng)過兩個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,池子中從重污染的電解液變成了清澈的水,人類也漸漸學(xué)會(huì)如何與自然和諧共生。
原標(biāo)題: 世界上最大的電池,居然是水做的