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假期出門,，你的充電寶充滿電了不？

帶上充電寶,，隨時隨地玩手機(jī),；騎上小電驢，走走停停很自由,。這可能是日常生活中最常見的“儲能”場景了,。

不過，隨著技術(shù)發(fā)展,，充電寶的形式早已不僅僅局限于這樣的小電池了,。許多功能更強(qiáng)大、場景更多元的“充電寶”也逐漸誕生了,。

比如,，名聲不太好的二氧化碳居然也搖身一變，成為一個“新型充電寶”了,，這又是如何實(shí)現(xiàn)的呢,？

儲能,，即能量的儲存，是指通過介質(zhì)或設(shè)備把一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量儲存起來,，在需要時再釋放的過程,。儲能分為儲冷、儲熱和儲電,，目前受到大眾和市場關(guān)注的主要是儲電技術(shù),。

談儲能就不得不追溯到電力的來源了。

長期以來,，以煤炭為能量來源的火力發(fā)電都是電力供給的主要方式,，但燃煤發(fā)電卻存在明顯弊端。一方面,，煤炭是一種不可再生能源,，儲量是有限的；另一方面燃燒產(chǎn)生的二氧化碳,、二氧化硫等對環(huán)境造成了污染,。

因此，風(fēng),、光等可再生能源逐漸走進(jìn)人類視野并將逐步替代煤炭成為主要能量來源。

國家能源局7月31日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,，截至6月底我國可再生能源裝機(jī)達(dá)到13.22億千瓦,，歷史性超過煤電,，約占我國總裝機(jī)的48.8%。數(shù)據(jù)顯示,，當(dāng)前全國發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到27.1億千瓦,，同比增長10.8%。其中,，水電裝機(jī)4.18億千瓦,，風(fēng)電裝機(jī)3.89億千瓦，光伏發(fā)電裝機(jī)4.7億千瓦,，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)0.43億千瓦,。

然而，風(fēng)能和太陽能具有顯著的間歇性,、波動性和不確定性等不利因素,，發(fā)電并不穩(wěn)定，對電網(wǎng)造成了極大的沖擊,。如果發(fā)出的電沒有被及時消納使用,，甚至?xí)C(jī)減少發(fā)電量，這樣的“高棄風(fēng)率”和“棄光率”也使其成本居高不下,。對電力系統(tǒng)的“調(diào)峰”（指在用電高峰時,，需要投入在正常運(yùn)行以外的發(fā)電機(jī)組以滿足需求）提出了更高要求。

對于用戶而言,，這種影響就更明顯了,。不穩(wěn)定的風(fēng)/光電難以匹配用戶用電的晝夜和季節(jié)性變化，電路故障,、電力不足,、用電貴、用電難的情況自然也難以避免了,。這進(jìn)一步加劇了我國電力供需“平時充裕,、尖端緊張”和“整體充裕、局部緊張”的特征,。尤其在進(jìn)入迎峰度夏期以后,，全國氣溫的不斷攀升和空調(diào)制冷負(fù)荷不斷增加，更是為能源消費(fèi)“火上澆油”,。

那么,，能不能像在銀行存錢一樣，把發(fā)出來的電“存”起來,，需要的時候再“取”出來用呢,？這就是“儲能”了。

把電能儲存起來這種想法并不是憑空出現(xiàn)的,，早在遙遠(yuǎn)的古希臘,，人們就已經(jīng)知道琥珀碎片在摩擦后可以產(chǎn)生電吸引輕質(zhì)顆粒,。然而，由摩擦產(chǎn)生的電非常容易消逝,。因?yàn)榭吹胶貌蝗菀资占碾妳s很容易地在空氣中消逝,，荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克力求找到一種保存電的方法。他在1746年發(fā)明了利用靜電學(xué)原理來收集電荷的“萊頓瓶”,。這便是最早儲存電力的裝置,。

技術(shù)總是隨著時間不斷地發(fā)展?，F(xiàn)在我們儲存電力的方式已經(jīng)變得多種多樣,。除了當(dāng)前技術(shù)較成熟應(yīng)用比較廣泛的抽水蓄能和鋰電池儲能，還有液流電池儲能,、重力儲能,、壓縮空氣儲能和二氧化碳儲能等多種技術(shù)都在如火如荼地發(fā)展。

簡而言之,，儲能裝置就是一個大號的“充電寶”,，當(dāng)用電少發(fā)電多的時候就將多余的電力儲存起來，用電多發(fā)電不足時就釋放電力補(bǔ)充供給,。如果在發(fā)電,、輸電、配電,、用電等各個環(huán)節(jié)都配上一個“充電寶”,，就相當(dāng)于為整個電力系統(tǒng)配備了一套秘密武器，從而輕松應(yīng)對發(fā)電波動,、電路振蕩堵塞和用戶中斷等諸多問題了,。

二氧化碳儲能系統(tǒng)主要由二氧化碳高低壓儲罐,、壓縮機(jī)、透平和蓄熱蓄冷子系統(tǒng)組成。對照充電寶的充電過程和放電過程,，其工作原理可分為儲能階段（“充電”）和釋能階段（“放電”）兩個過程,。

儲能階段（“充電”）：首先為整個系統(tǒng)充注二氧化碳，當(dāng)前一般是采購工業(yè)級二氧化碳產(chǎn)品,。在風(fēng)光資源足發(fā)電量多而用電量少時開啟儲能過程。低壓儲罐中的二氧化碳經(jīng)過蓄冷換熱器吸熱氣化后通過壓縮機(jī)壓縮到高壓狀態(tài),，利用蓄熱介質(zhì)吸收并儲存壓縮熱,，釋放熱量冷凝后的高壓液態(tài)二氧化碳進(jìn)入高壓儲罐中儲存。這個過程就是將電能轉(zhuǎn)換成二氧化碳的內(nèi)能,、壓力勢能和蓄熱介質(zhì)的熱能,。

釋能階段（“放電”）：在風(fēng)光資源匱乏發(fā)電量少而用電量多時開啟釋能過程,。高壓儲罐中的二氧化碳經(jīng)過再熱器升溫氣化后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹,，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。再熱器中的熱量就是儲存的壓縮熱,，膨脹后的二氧化碳再經(jīng)冷后儲存在低壓儲罐,。這個過程就是將上述能量再重新轉(zhuǎn)化為電能。

二氧化碳釋能系統(tǒng)基本原理圖（圖片來源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所,，博睿鼎能）

二氧化碳和蓄熱介質(zhì)都實(shí)現(xiàn)了閉式循環(huán),，系統(tǒng)一次充注可以保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了可再生能源平滑并網(wǎng)和電網(wǎng)蓄能調(diào)峰,，同時系統(tǒng)運(yùn)行伴隨熱負(fù)荷也可實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱,，依托區(qū)域分布式能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效多能聯(lián)供。這個“充電寶”可謂一機(jī)多用,，性能強(qiáng)大,。

了解了二氧化碳儲能與釋能的原理，似乎有一種“似曾相識”的感覺,，你有沒有想起北京冬奧會上的“二氧化碳制冰”（點(diǎn)這里復(fù)習(xí)）,？確實(shí)，二氧化碳儲能的原理與二氧化碳熱泵,、二氧化碳制冰兩項技術(shù)的原理有些“雷同”,。

原來，在二氧化碳進(jìn)行儲能壓縮的過程和釋能膨脹的過程中分別存在著一個儲熱,、儲冷的過程,。其中的儲熱過程指將二氧化碳壓縮后產(chǎn)生熱量儲存在一個蓄熱系統(tǒng)中，這個原理與二氧化碳熱泵的原理類似,。

同樣的,，儲冷過程將膨脹二氧化碳的釋放的冷量儲存在一個蓄冷系統(tǒng)中，這個原理則與二氧化碳制冰的原理類似,。尤其是當(dāng)需要二氧化碳儲能系統(tǒng)發(fā)電時,，其實(shí)就是使液化后的二氧化碳或高壓的二氧化碳吸收熱量蒸發(fā)為氣態(tài),，這個過程和制冰相似，制冰其實(shí)也是一個二氧化碳?xì)饣鼰岬倪^程,。

隨著可再生能源裝機(jī)規(guī)模快速增長,，我國電力系統(tǒng)對儲能需求也在快速增長,。可以說,，儲能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵支撐技術(shù),。

圖片來源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

不同儲能方式的儲存時間和功率有各自的適用特點(diǎn)。前面我們提到了抽水蓄能,、壓縮空氣儲能以及二氧化碳儲能,，這三種方式均是大規(guī)模長時、可用于調(diào)峰的儲能技術(shù),。但它們適用的場景不太一樣,。

抽水蓄能通過將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能進(jìn)行儲存，儲能時用多余的電將水從低處抽到高處儲存,，釋能時水再從高處落下推動水輪機(jī)發(fā)電,。該技術(shù)占到目前我國儲能裝機(jī)總量的70%以上，但它也存在對地理環(huán)境要求較高,、建設(shè)周期長,、初期投資大等客觀問題。

抽水蓄能示意圖（圖片來源：通山縣人民政府網(wǎng)站）

壓縮空氣儲能基于傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電原理,，在用電低谷的時候通過壓縮機(jī)把空氣壓縮成高壓空氣存儲,，在用電高峰的時候釋放高壓空氣，驅(qū)動膨脹機(jī)就可以驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電,。我國目前已經(jīng)建成了6個壓縮空氣儲能示范項目,，正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的有20多套。不過,，壓縮后的空氣壓力往往達(dá)到10MPa以上,，一般需要依賴于鹽穴等特殊地理條件存儲，而目前的人工儲罐成本還比較高,。

二氧化碳儲能是壓縮氣體儲能技術(shù)范疇內(nèi)的新一輪技術(shù)創(chuàng)新,。把空氣換成二氧化碳有什么好處？

二氧化碳儲能裝置（圖片來源：博睿鼎能）

二氧化碳無毒,、不易燃,、安全等級為A1，且和空氣相比，二氧化碳達(dá)到臨界狀態(tài)（7.39Mpa,，31.4℃）后具有優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)：黏度小,、密度大、導(dǎo)熱性能好,，利于系統(tǒng)運(yùn)行過程中的高效儲熱和換熱,。相同溫度和壓力下二氧化碳儲存密度遠(yuǎn)大于空氣，相同儲能容量下,，系統(tǒng)壓力更低（一般<8MPa）且儲存容積也更小,。

二氧化碳三相圖（圖片來源：《超臨界二氧化碳輸送中的增壓問題分析》-吳全）

二氧化碳密度變化圖（圖片來源：《超臨界二氧化碳輸送中的增壓問題分析》-吳全）

當(dāng)然，二氧化碳儲能系統(tǒng)作為一種閉式循環(huán),，運(yùn)行前需要提前充注二氧化碳?xì)怏w，需要額外配置低壓氣體儲存裝置,，這也帶來了一定額外的原料和用地成本,。但若進(jìn)一步與碳捕集進(jìn)行耦合，則既能為儲能系統(tǒng)供應(yīng)穩(wěn)定低成本的氣源,，又能對外輸出二氧化碳產(chǎn)品,。這也是未來研究的一個方向。

我們可以從電-電效率,、儲能密度,、壽命以及成本等幾個方面對儲能系統(tǒng)進(jìn)行評價。電-電效率通俗地來說,，指的是系統(tǒng)發(fā)電量與用電量的比值,，該比值越高儲能系統(tǒng)的性能越優(yōu)。儲能密度指儲存的能量與存儲介質(zhì)所占面積的比值,，在存儲介質(zhì)所用占地面積相同的情況下,，儲能密度越大，系統(tǒng)儲存的能量就越多,。

二氧化碳儲能具有電-電轉(zhuǎn)換效率高,、儲能密度大、壽命長,、成本低等特點(diǎn),，能夠滿足大規(guī)模可再生能源電力消納,、電網(wǎng)削峰填谷和火電蓄能調(diào)峰等龐大市場需求,。

二氧化碳儲能系統(tǒng)沙盤模型實(shí)物圖（圖片來源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、博睿鼎能）

除了在發(fā)電側(cè)充當(dāng)風(fēng),、光等新能源電站的充電寶和火力發(fā)電廠的“充電寶”,，二氧化碳儲能技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)也大有用處，可以緩解電網(wǎng)運(yùn)行中的震蕩阻塞等問題，提高用電穩(wěn)定性,，降低用電成本,。

如果按區(qū)域?yàn)殡娋W(wǎng)集配站配備二氧化碳“充電寶”，在發(fā)生大規(guī)模停電事件時就可以用二氧化碳所儲存的電能優(yōu)先給一部分關(guān)鍵的地區(qū)供電,，避免大量的經(jīng)濟(jì)損失,。同理，我們也可以將二氧化碳儲能技術(shù)用在用戶側(cè),，例如一些用電量大的工業(yè)園區(qū)和海洋平臺等場景,。

二氧化碳儲能是一種新型長時大規(guī)模儲能技術(shù),，當(dāng)前正處于技術(shù)示范推廣的關(guān)鍵時期。

意大利Energy Dome公司在2022年6月建成了一套4MW·h的“二氧化碳電池”試點(diǎn)項目,，成為世界上首個二氧化碳儲能示范項目,；2023年8月，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所科研團(tuán)隊也在河北省廊坊市建設(shè)了國內(nèi)首個百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗(yàn)證項目,。此外,，容量更大、釋能時間更長的儲能項目也正在不斷出現(xiàn)在人們視野中,。

二氧化碳儲能系統(tǒng)還具有顯著的規(guī)模效應(yīng),，隨系統(tǒng)容量的增加，單位成本明顯下降,。以一套100MW/400MW·h 的二氧化碳儲能系統(tǒng)為例：

從發(fā)電的角度來看,，100MW指的是它的發(fā)電功率，400MW·h指的是發(fā)電容量,。該系統(tǒng)能夠發(fā)出40萬度電,，按照每戶每月用電350～450度來算，該系統(tǒng)完成一次充放電可供近千戶用戶用電一個月,。而該系統(tǒng)完成一次充電和一次放電均僅需幾小時,。在系統(tǒng)的整個壽命期內(nèi)，每度電的成本可降至0.2元,，幾乎可以和傳統(tǒng)火電持平,。

從碳減排的角度來看，該系統(tǒng)能帶來近六千噸的碳減排,，相當(dāng)于近6000輛普通的燃油車不眠不休從我國的首都北京穿越3700公里的路程到達(dá)蒙古國的首都烏蘭巴托,。

從技術(shù)先進(jìn)性來看，二氧化碳儲能可保障高比例可再生能源并網(wǎng)及電網(wǎng)安全,，是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要支撐,。從環(huán)境友好性來看,，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段之一便是碳捕集、封存與利用（即常說的CCUS技術(shù)）,。二氧化碳儲能系統(tǒng)正是一個典型的二氧化碳利用場景,，并且有望深度嵌入CCUS的各個環(huán)節(jié)。此外,，儲能系統(tǒng)建設(shè)所帶來的就業(yè)拉動,、經(jīng)濟(jì)增長以及二氧化碳資源利用所產(chǎn)生的生態(tài)效益都是極其可觀的。

目前,，中國正在大力發(fā)展新型儲能技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用,，國家層面出臺了一系列的宏觀政策鼓勵長時儲能的發(fā)展。目前已有26個省市規(guī)劃了“十四五”新型儲能裝機(jī)目標(biāo),，總規(guī)模接近67GW,。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）預(yù)計?！笆奈濉睍r期,，新型儲能年復(fù)合增長率保持在55%-70%，市場規(guī)模將再創(chuàng)新高,。

說不定，不久的將來,，你就能用上二氧化碳“充電寶”,，迎接綠色發(fā)展的未來！