随身携带充电设备，让手机时刻充满活力；骑行电动小车，轻松自在，随心所欲。这些已然成为我们日常生活中最为常见的“储能”方式。

然而，随着科技的日新月异，充电宝的形态早已不再局限于小巧的电池。如今，更多功能强大、适应多种场景的“储能神器”纷纷涌现。

令人意想不到的是，曾被视为负面因素的二氧化碳，如今也华丽转身，成为了一种“新型充电宝”。这究竟是如何实现的呢？

把电能储存起来，有哪些方式？

储能，简而言之，就是能量的储存与释放过程。它利用特定介质或设备，将一种形式的能量转换成另一种形式储存起来，以备不时之需。在储能的多种形式中，储电技术尤为受到市场和大众的关注。

长期以来，火力发电，尤其是以煤炭为能量来源的发电方式，一直是电力供应的主力。然而，燃煤发电的弊端也日益凸显。一方面，煤炭作为一种不可再生资源，其储量有限；另一方面，燃烧过程中产生的二氧化碳、二氧化硫等有害物质，给环境带来了沉重负担。

随着科技的进步和环保意识的日益增强，可再生能源如风能、光能等逐渐崭露头角，引起了人们的广泛关注。这些源自大自然的能源，不仅清洁无污染，而且源源不断，具有巨大的发展潜力。

风能，通过风力发电机将自然界的风能转化为电能，既环保又经济。光能，则通过太阳能电池板将太阳辐射的光能转化为电能，为我们的生活提供源源不断的电力。这些可再生能源的广泛应用，不仅有助于减少对传统能源的依赖，还能有效降低碳排放。随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，可再生能源将逐步取代煤炭等传统能源，成为主要的能量来源。这是我们应对能源危机、实现可持续发展的必然选择。

据国家能源局7月31日发布的数据，截至今年6月底，我国可再生能源装机已历史性地超过煤电，达到13.22亿千瓦，约占全国总装机的48.8%。目前，全国发电总装机已达27.1亿千瓦，同比增长10.8%。其中，水电装机4.18亿千瓦，风电装机3.89亿千瓦，光伏发电装机4.7亿千瓦，生物质发电装机0.43亿千瓦。这一数据充分展示了我国可再生能源发展的迅猛势头。

风、光可再生能源

然而，风能和太阳能具有显著的间歇性、波动性和不确定性等不利因素，发电并不稳定，对电网造成了极大的冲击。如果发出的电没有被及时消纳使用，甚至会停机减少发电量，这样的“高弃风率”和“弃光率”也使其成本居高不下。对电力系统的“调峰”（指在用电高峰时，需要投入在正常运行以外的发电机组以满足需求）提出了更高要求。

那么，能不能像在银行存钱一样，把发出来的电“存”起来，需要的时候再“取”出来用呢？这就是“储能”了。

早在1746年，荷兰莱顿大学的马森布罗克力发明了利用静电学原理来收集电荷的“莱顿瓶”。

莱顿瓶由一个内部带电的金属球和一个外部不带电的金属壳组成。当内部金属球带有正电荷时，由于外部金属壳是导体，可自由移动电荷，因此，外部金属壳就会带有相同大小的负电荷。当外部金属壳接地时，它就会吸收内部金属球的正电荷，这样就形成了一个带有正电荷的莱顿瓶，储存了电荷。这便是最早储存电力的装置。

莱顿瓶示意图

技术总是随着时间不断地发展。现在我们储存电力的方式已经变得多种多样。除了当前技术较成熟应用比较广泛的抽水蓄能和锂电池储能，还有液流电池储能、重力储能、压缩空气储能和二氧化碳储能等多种技术都在如火如荼地发展。




二氧化碳“充电宝”，怎么“充电”“放电”？

二氧化碳储能系统主要由二氧化碳高低压储罐、压缩机、透平和蓄热蓄冷子系统组成。对照充电宝的充电过程和放电过程，其工作原理可分为储能阶段（“充电”）和释能阶段（“放电”）两个过程。

储能阶段（“充电”）：首先为整个系统充注二氧化碳，当前一般是采购工业级二氧化碳产品。在风光资源足发电量多而用电量少时开启储能过程。低压储罐中的二氧化碳经过蓄冷换热器吸热气化后通过压缩机压缩到高压状态，利用蓄热介质吸收并储存压缩热，释放热量冷凝后的高压液态二氧化碳进入高压储罐中储存。这个过程就是将电能转换成二氧化碳的内能、压力势能和蓄热介质的热能。


二氧化碳储能系统基本原理图（图片来源：中国科学院理化技术研究所，博睿鼎能）

释能阶段（“放电”）：在风光资源匮乏发电量少而用电量多时开启释能过程。高压储罐中的二氧化碳经过再热器升温气化后进入膨胀机膨胀，带动发电机发电。再热器中的热量就是储存的压缩热，膨胀后的二氧化碳再经冷后储存在低压储罐。这个过程就是将上述能量再重新转化为电能。


二氧化碳释能系统基本原理图（图片来源：中国科学院理化技术研究所，博睿鼎能）

二氧化碳和蓄热介质都实现了闭式循环，系统一次充注可以保持长期稳定运行，实现了可再生能源平滑并网和电网蓄能调峰，同时系统运行伴随热负荷也可实现区域供热，依托区域分布式能源系统实现高效多能联供。这个“充电宝”可谓一机多用，性能强大。

抽水蓄能示意图（图片来源：通山县人民政府网站）

压缩空气储能基于传统的燃气轮机发电原理，在用电低谷的时候通过压缩机把空气压缩成高压空气存储，在用电高峰的时候释放高压空气，驱动膨胀机就可以驱动发电机发电。不过，压缩后的空气压力往往达到10MPa以上，一般需要依赖于盐穴等特殊地理条件存储，而目前的人工储罐成本还比较高。

建在河北张家口的国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目外观

二氧化碳储能是压缩气体储能技术范畴内的新一轮技术创新。把空气换成二氧化碳有什么好处？


二氧化碳储能装置

二氧化碳无毒、不易燃、安全等级为A1，且和空气相比，二氧化碳达到临界状态（7.39Mpa，31.4℃）后具有优良的热力学性质：黏度小、密度大、导热性能好，利于系统运行过程中的高效储热和换热。相同温度和压力下二氧化碳储存密度远大于空气，相同储能容量下，系统压力更低（一般<8MPa）且储存容积也更小。


二氧化碳三相图（图片来源：《超临界二氧化碳输送中的增压问题分析》-吴全）


二氧化碳密度变化图（图片来源：《超临界二氧化碳输送中的增压问题分析》-吴全）

当然，二氧化碳储能系统作为一种闭式循环，运行前需要提前充注二氧化碳气体，需要额外配置低压气体储存装置，这也带来了一定额外的原料和用地成本。但若进一步与碳捕集进行耦合，则既能为储能系统供应稳定低成本的气源，又能对外输出二氧化碳产品。这也是未来研究的一个方向。

二氧化碳储能具有电-电转换效率高、储能密度大、寿命长、成本低等特点，能够满足大规模可再生能源电力消纳、电网削峰填谷和火电蓄能调峰等庞大市场需求。


二氧化碳储能系统沙盘模型实物图（图片来源：中国科学院理化技术研究所、博睿鼎能）

除了在发电侧充当风、光等新能源电站的充电宝和火力发电厂的“充电宝”，二氧化碳储能技术在电网侧也大有用处，可以缓解电网运行中的震荡阻塞等问题，提高用电稳定性，降低用电成本。




二氧化碳储能的未来！

二氧化碳储能是一种新型长时大规模储能技术，当前正处于技术示范推广的关键时期。

意大利Energy Dome公司在2022年6月建成了一套4MW·h的“二氧化碳电池”试点项目，成为世界上首个二氧化碳储能示范项目；2023年8月，中国科学院理化技术研究所科研团队也在河北省廊坊市建设了国内首个百千瓦液态二氧化碳储能示范验证项目。此外，容量更大、释能时间更长的储能项目也正在不断出现在人们视野中。

二氧化碳储能系统还具有显著的规模效应，随系统容量的增加，单位成本明显下降。以一套100MW/400MW•h 的二氧化碳储能系统为例：从发电的角度来看，100MW指的是它的发电功率，400MW•h指的是发电容量。该系统能够发出40万度电，按照每户每月用电350～450度来算，该系统完成一次充放电可供近千户用户用电一个月。而该系统完成一次充电和一次放电均仅需几小时。在系统的整个寿命期内，每度电的成本可降至0.2元，几乎可以和传统火电持平。

目前，中国正在大力发展新型储能技术的研发应用，国家层面出台了一系列的宏观政策鼓励长时储能的发展。目前已有26个省市规划了“十四五”新型储能装机目标，总规模接近67GW。根据中关村储能产业技术联盟（CNESA）预计。“十四五”时期，新型储能年复合增长率保持在55%-70%，市场规模将再创新高。

说不定，不久的将来，你就能用上二氧化碳“充电宝”，迎接绿色发展的未来！

本文转自科普中国

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