你所熟知的電池，可能是手機中的鋰離子電池，電瓶車中的鉛酸電池，或者是在新聞上經常出現的磷酸鐵鋰電池等等。電池能向外輸出電能，但我們卻一直找不到“電池”中的“池”在哪。但如果我們採用更宏觀的視角就能發現，電網用的“電池”，真的是一個儲存電能的大水池。

撰文|王昱

審校|吳非

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起來，通過電化學反應產生電動勢。這種電池使用過程中，必須有液態的電解液才能讓電池穩定提供電動勢，這類設備也因此得名“電池”。後來爲了方便使用，電解液被製成糊狀，電池就變成了乾電池。儘管現有的多數電池中並沒有一個“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電解液 圖片來源：Wikipedia

而現在，隨着我們的能源結構快速向新能源轉型，電網對電能儲存的要求快速提升，我們需要給電網專用的電池。抽水蓄能電站就是多種電網儲能技術中儲能規模最大，較爲成熟的一種。經過兩個多世紀的發展後，電網使用的電池似乎又迴歸了它字面的意思——一個儲存電能的水池。

真正的電池

隨着新能源的快速推進，光伏和風力發電不穩定的特性讓發電側也出現了較大的儲能需求，抽水蓄能電站的建設也逐漸提速。就在上個月，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，它將以360萬千瓦的裝機容量取代300萬千瓦的美國巴斯康蒂抽水蓄能電站（Bath County Pumped Storage Station），成爲世界上最大的抽水蓄能電站，同時可以說是世界上最大的“電池”。

以豐寧抽水蓄能電站爲例，它擁有上下兩個水庫，上水庫庫容爲5800萬立方米，下水庫庫容爲6070萬立方米，落差425米。大多數抽水蓄能電站的綜合效率能達到75%以上。以該電站爲例，經過計算可知，上水庫中每千克水平均儲存了0.0009度電。雖然只有蓄電池每千克0.04度的1/50左右，但水庫依然可以憑藉龐大的儲能規模碾壓了傳統的蓄電池。去年全年中國生產的蓄電池總容量2.2億度，而當豐寧抽水蓄能電站上水庫蓄滿水時，蘊含的能量相當於5000萬度電。僅一個水庫，就接近去年全年生產蓄電池總容量的1/4，它年發電量能達到66.12億度，相當於節約標準煤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構和水電站類似，只是多了一條從下水庫向上水庫輸水的管道和相應的水泵系統。因此，它的壽命和成本都和傳統水電站看齊。水電長期以來就是主要的發電形式之一，發電成本早已經受住了考驗。而規範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於1912年建成發電，至今還在使用。

抽水蓄能電站原理圖。用電低谷時，電站用升降器將水從下池水庫抽到上池水庫；用電高峯時，將水從上池水庫放到下池水庫中發電 圖片來源：Wikipedia

抽水蓄能電站以往僅存在於大城市周圍，用於平衡大城市日夜用電的巨大差異，數量較少。未來，隨着建設的提速，抽水蓄能電站可能越來越被我們所熟知。目前我國在運抽水蓄能電站裝機規模3179萬千瓦，在建規模5463萬千瓦，預期到2025年，在運裝機總規模將達到6200萬千瓦；到2030年，將達到1億千瓦至1.2億千瓦。

從“電塔”到“電輪”

電網專用的電池並不止抽水蓄能電站一種。隨着新能源的發展，各種形式的儲能設備也不斷湧現出來，包括利用重力儲電的“電塔”，用壓縮氣體儲能的“電氣”，還有用高速飛輪儲能的“電輪”等等。

電力中，“塔”往往用於輸電，但是儲電也能用到塔狀結構。在英國愛丁堡，一口四層樓高的豎井被改造成了重力電池。該設備可以用電網電力將50噸的配重慢慢抬起，而在外部需要電力時，它能將配重塊慢慢放下穩定輸出能源。這項技術並不成熟，但它相比於抽水蓄能電站的優勢在於：後者對地形有較高的要求，而這種“電塔”則有望靈活部署，對地形並無太大要求。

　　抽水蓄能電站對地形要求較高 圖片來源：Wikipedia

如果用壓縮氣體儲存電能，則又產生了“電氣”。壓縮空氣儲能技術能在用電低谷時將空氣壓縮到儲氣室中，將電能轉化爲空氣的內能；在用電高峯，再將高壓氣體釋放出來發電。這種技術儲能規模僅次於抽水蓄能電站，而響應時間則比抽水蓄能電站更快。

還有用輪盤儲存電能的“電輪”。飛輪儲能技術可以將電能以飛輪轉動動能的形式儲存起來。和其他儲能系統相比，飛輪儲能技術儲能規模很小，但是響應很快，其用途更傾向於改善電源品質。除此之外，還有很多種不同的電網儲能技術。

　　飛輪儲能技術示意圖 圖片來源：Wikipedia

那電池怎麼辦？

電網中當然也存在直接用電池儲能的電站，但相對而言成本較高，電池報廢后造成環保問題也不容忽視。隨着電動汽車的快速推廣，動力電池的產能也在近幾年飆升，動力電池的回收是一個巨大的問題。自然，電池的梯次利用被提上了日程。

“玩具車用完後，遙控器還能接着用。”這就是一種電池的梯次利用形式。在電動車動力電池衰減到報廢程度後，雖然不滿足動力電池標準，但仍然有機會讓儲能電站來使用。但理想很豐滿，現實卻又那麼骨感。電池本身是含能材料，如果沒有合適的安全管理措施，污染、起火甚至爆炸的風險都時刻存在。就在前天，國家能源局發出徵求意見稿，指出在電池一致性管理技術取得關鍵突破、動力電池性能監測與評價體系健全前，原則上不得新建大型動力電池梯次利用儲能項目。

所以當前，對電網儲能的需求而言，反而是抽水蓄能電站這種“電池”更加可靠。從18世紀末現代電池被髮明以來，人類兜兜轉轉又反了回來，電池又變得“名副其實”。只不過經過兩個多世紀的發展，池子中從重污染的電解液變成了清澈的水，人類也漸漸學會如何與自然和諧共生。

主要參考論文：

劉英軍，劉暢，王偉，胡珊，郝木凱，徐玉傑，劉嘉，吳豔。儲能發展現狀與趨勢分析[J]。中外能源，2017，22（04）：80-88。

主要參考鏈接：

http://www.xinhuanet.com/power/2021-05/24/c_1211169296.htm

https：//www.sciencemag.org/news/2021/04/gravity-based-batteries-try-beat-their-chemical-cousins-winches-weights-and-mine-shafts