新能源发展的瓶颈：储能

我要新鲜事2023-05-13 23:52:130阅

非化石的各种发电无污染，但都受自然现象影响很大，如日夜、风力、枯水季等

光电有日夜问题，风电有天气问题，水电有枯水季问题，波浪受海情的影响很大，潮汐的落差太小，新能源发展如火如荼，但问题还是不小，最大的问题是间隙性。全国互联的大功率智能电网能解决一部分问题，但不能本质解决，而中国峰值用电问题在增加。

据说美国的用电是30%工业、70%民用（居民和商用），中国正好倒过来，30%民用、70%工业。这当然反应了中国是世界制造业绝对第一大国的现实，但这个比例会逐渐美国化，如果不至于达到正好颠倒的地步。南方供暖、北方空调都是用电才能解决的问题，其他方案都有各式各样的效率问题。包括照明、空调的商业用电的通宵化也会增加。另一个潜在用电大户是城市农业。

城市菜园可解决占用耕地和新鲜果蔬问题，但需要电力

屋顶菜园、地下菜园、室内垂直菜园等各式新式菜园可能成为未来城市食品的重要来源。屋顶菜园还好，用电主要是灌溉，地下菜园就要加上人工照明了，室内垂直菜园还需要加上温控和栽培架的定期转动和换位。这些都需要用电，而且不能有间隙性，或者是反周期的。

用化石燃料作为峰值电力来源是最简便的解决方法，但碳排是无法回避的问题。核电不仅有乏燃料的处理问题，还不宜迅速增减负荷，不适合用作调峰电力。抽水储能需要在山顶建水库，安全隐患难以回避，尤其是在最需要调峰电站的人员密集地区。铅酸蓄电池效率低，固体污染大，作为大规模的调峰电站不可行。锂电池的大功率集中使用的安全性是个大问题，也有固体污染处理问题。还是需要专业、高效、安全、容易遍地铺开的新技术调峰电力技术。

用过剩电力制氢，把氢（气态或者液态）存储起来作为储能，在需要的时候用氢燃料电池或者直接燃烧发电，这是另一个思路。不过电力制氢的成本还是很高，效率也偏低，储氢又是一个不好解决的问题，就地使用还好说，长途运输的安全是个大问题。制氢也需要水源，这是另一个制约。用海水制氢倒是不怕缺水，但电解后产生的盐酸和烧碱不好处理，工业用量没有那么大，直接排放绝对不可行，日积月累更是危害大大。

大型矿坑本来就好比深挖地下的人工湖，用于抽水储能的下储水池正好

废弃的地下坑道适当加固、防漏后，也可以作为地下储水池

抽水储能在技术上简单、成熟，但地理和安全是个问题。然而，如果有条件，而且地理条件容许，地下坑道、采石坑、露天煤矿矿坑等可以利用起来，天然岩洞、溶洞也可以考虑。可能需要精细的地质考察，也需要对洞比进行适当的加固和密封。但一旦建成，这样的地下抽水储能可以用现成可靠的技术，在新能源发电高峰时把水抽上来，灌到地面的上储水池。在需要调峰或者低谷补电的时候，把水放回地下，在此过程中发电。

抽水储能就是用上下水池来回抽水储能、放水发电

光热电站可以把过剩的高温熔盐在地下储存起来，夜间再抽上来用于发电

光热发电可以用熔盐。这也可以在发电高峰把高温熔盐灌到地下岩洞保温，需要调峰和低谷补电的时候抽上来发电。这不仅需要有合适的地下岩洞，还需要对洞壁保温、防漏，要求比地下抽水储能更高，但直接与光热电站整合到一起，日夜发电。

此外，就需要一点歪门邪道了。

借用缆车的思路，可以用缆车装载重物，在储能的时候搬到山上，在发电的时候装进缆车用重力拉动发电。但作为储能和发电，可能更加陡峭效率才比较高

在坡地的轨道上来回拉动和释放重车是另一个办法

山顶观光缆车是一个思路，只是反过来。在储能的时候，把重物通过缆车拉到山顶的堆放场；在发电的时候，重物依次放进缆车，靠重力下拽，驱动发电机发电。这只要在一般的山区都有条件实现，当然，这和载人缆车不一样，没有舒适和观光的问题，越陡峭，储能和发电效率越高。在光电发达的西部，也正好有很多高山。荒凉的高山上建这样的缆车电站对生态和景观的影响很小，但可以就地解决储能问题。

即使在相对平坦的东南沿海，也有足够的丘陵可以建造这样的缆车电站。用拦阻沟、拦阻坝等，安全问题比高山水库要容易解决得多。

同样的缆车电站可以在深水实现，既可以用重物，但需要克服浮力对效率的降低；也可以用浮体。比如说，在储能期向空心球内充轻质油，用电力拉到水底；在发电期上浮，拉动发电。或者更加高效一点，在储能期有重力自然下沉，在水下充填轻质油，节约电力。上浮发电是一样的。这可用于近海或者深水湖。还可以利用深水与浅水的水温差别进一步增加浮力效应。

但更加直接的是用竖井，英国已经开始试验了。

典型构型是深井-重锤系统，井口的电动绞车是可逆电机，把重锤拉上来的时候用电、储能（以位能形式）；释放重锤的时候，重锤拉动电机发电，可以按需要指定几个发电、几个空转，改变能量释放速度和发电量，在瞬时的峰值发电和耐久的低谷补电之间调整。

按照最简单化的计算，按照加拿大独立住户典型年耗电量8000千瓦-小时的耗电量作为上限参照，忽略季节性差异，每天以12小时无日照低谷计算，其中4小时为高峰用电，用电量3倍于低谷，折算为高峰耗电约2千瓦，低谷耗电约0.7千瓦，并假定日间用电与夜间低谷相当。假定重锤重量500吨，井深800米，储能释放无损耗，峰值发电200千瓦，可覆盖100个住户，按照峰值能发电5.4小时，按照1：3的分段发电，可延长到9.8小时，大体可覆盖低谷期间。

不过800米的深井不是俯拾皆是的，100个住户的覆盖面也不算大。实际上算入系统损耗的话，还要打不小的折扣。要是能减少井深，比如150米，就容易实现多了。甚至不用打深井，高楼的中心筒都可以用，就地解决储能和低谷补电的问题。

问题是同时需要大大增加重锤重量。就100个住户来说，需要增加到2650吨，才能恢复到同样的发电时间，而150米的高楼还远不止100个住户，即使中国高楼实际住户的耗电不如作为参照的加拿大独立屋，实际上需要增加的重锤重量更大。但这样的重锤不容易处理，搁在高楼顶上更是不妥。

但地下竖井的安全问题比较容易解决，要提高放电时间，可能需要竖井能在一次放电周期里反复使用，缆车概念又可以用了。比如说，每次降落到低点的时候，把铁质重锤（比如说是吊篮里的铁质重球）推出去，导向停放场，空的缆车吊上去，推进下一个铁质重球再次下垂释放储能，这样周而复始，可以大大延长放电时间。100个25吨的铁球比一个2500吨的重锤要容易处理得多。

放电的间隙性问题可以由电网解决，地区内多个竖井储能电站像四缸、八缸发动机一样，熨平波峰波谷，也可以由超级电容削峰填谷。在井口和井底则需要保龄球道一样的堆放场，把铁质重球推出去、收回来。

不用铁球，用水也可以，在井口和井底各需要一个水池，如果井底水池的水用泵打上井口，还降低电动绞车提升的出力和磨损，尽管在储能阶段的耗能并不减少。水的重度是1，铁是7.9，同样重量的“水锤”的的体积需要大很多，但实际限制不可能体积太大，好在可以“勤以补拙”，多次反复使用，可以补上总的发电量。另一方面，水池不需要多大，实际上重量就很可观。比如说，50x21x1.8米的标准游泳池可以容纳1890吨水。适当加大，可以大量增加蓄水量，但这样尺寸的水池在技术上没有难度。这还可以用于无日照或者无风季节用外网的波动峰值电力维持本地电力消耗的情况，一有可用的剩余电力就把水从井底打到井口，维持竖井电站的长时间连续运作。

据英国计算，这样的储能电站的电力成本是锂电池的一半，寿命可达50年，定期更新设备后实际上没有寿命限制，即使报废，后处理也要简单得多。只要地质条件合适，竖井电站遍地开花也问题不大，而且没有污染。