充滿一次就夠給10萬輛新能源汽車充電！什么“充電寶”容量這么大？

手機是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚挠闷?，娛樂、辦公、消費都少不了它。為了避免手機沒電，或者沒地方充電的問題，很多人出門時都會帶上充電寶。

但你知道嗎？其實，不只手機需要充電寶，電網(wǎng)也需要充電寶。當(dāng)整座城市處在用電高峰期時，電網(wǎng)就像一部耗電迅速的手機，而有著“空氣充電寶”之稱的壓縮空氣儲能電站可以為電網(wǎng)及時充電。

國際首套百兆瓦先進壓縮空氣儲能示范電站

圖源：國家科技傳播中心

01、空氣為什么可以儲電？

壓縮空氣儲能電站，顧名思義就是通過壓縮空氣來儲存電能的。它在電網(wǎng)負荷低谷期壓縮空氣，儲存多余的電能，然后在用電高峰期釋放電能，從而達到平衡電網(wǎng)負荷的作用。壓縮空氣儲能電站的運行過程可以分為能量儲存和能量釋放兩個階段[1]。

能量儲存

1）壓縮空氣

能量儲存階段，壓縮空氣儲能電站利用電網(wǎng)負荷低谷期多余的電，或者風(fēng)能、光伏發(fā)電中產(chǎn)生的棄風(fēng)電、棄光電，通過電動機驅(qū)動壓縮機工作，壓縮空氣。

根據(jù)能量守恒定律（熱力學(xué)第一定律），系統(tǒng)（此處指空氣）內(nèi)能的增加（△U）等于系統(tǒng)與環(huán)境交換的熱量（Q，吸熱為正值，放熱為負值）和環(huán)境交換的功（W，環(huán)境對系統(tǒng)做功為正值，系統(tǒng)對環(huán)境做功為負值）的總和。即：△U=W+Q

因此，在壓縮空氣的過程中，電能轉(zhuǎn)化成了壓縮空氣內(nèi)能和勢能，使空氣的溫度和壓力提高。

2）儲存熱量

壓縮空氣過程中產(chǎn)生的內(nèi)能（我們通俗意義上講的“熱量”）被存儲在儲熱裝置的換熱介質(zhì)中。這部分的能量可以在能量釋放時傳遞給空氣，使空氣溫度升高。

3）儲存空氣

壓縮后的高壓空氣被儲存在具有良好密封性和耐壓性的儲氣設(shè)施中。按照材料屬性，儲氣裝置可以分為天然地下洞穴儲氣、人造洞室儲氣、金屬材料儲氣以及復(fù)合材料儲氣等類型[2]。

鹽穴壓縮空氣儲能

圖源：金壇科普

能量釋放

1）加熱空氣

當(dāng)需要發(fā)電時，儲熱裝置中的高溫換熱介質(zhì)會加熱儲氣設(shè)施中的空氣，使空氣的溫度升高。

2）發(fā)電

加熱后的空氣發(fā)生膨脹（熱脹冷縮現(xiàn)象），在膨脹機中膨脹做功，驅(qū)動渦輪機旋轉(zhuǎn)。此時，壓縮空氣的內(nèi)能和勢能被轉(zhuǎn)化為機械能。發(fā)電機通過電磁感應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)由變壓器升壓后，通過輸電線路輸送到電網(wǎng)中。

壓縮空氣儲能電站的工作原理

圖源：央視網(wǎng)

02、為什么要造“空氣充電寶”？

對于發(fā)電單位而言，空氣壓縮儲能電站可以解決風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電的間歇性、不穩(wěn)定性的問題，提供穩(wěn)定的電力支撐[3]。對于用戶而言，可以在用電高峰期享受到平穩(wěn)的電能，再也不用擔(dān)心因為供電緊張而突然斷電。

除了能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)峰填谷之外，相比于其他儲能技術(shù)，空氣壓縮儲能使用的是取之不盡用之不竭的空氣，因此使用成本低，環(huán)保無污染。不僅如此，它的使用壽命長，可達30-50年[4]，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模物理儲能技術(shù)[2]。

目前，我國已布局多個壓縮空氣儲能電站。2024年4月，位于山東肥城的300MW/1800MWh壓縮空氣儲能示范項目首次并網(wǎng)發(fā)電成功。該儲能電站可實現(xiàn)連續(xù)放電6小時，年發(fā)電約6億度，屬于國際領(lǐng)先水平[5]。

山東肥城300MW先進壓縮空氣儲能國家示范電站

圖源：新華網(wǎng)

2024年12月，位于江蘇常州的華能金壇鹽穴壓縮空氣儲能發(fā)電二期項目正式開工建設(shè)。該項目的核心設(shè)備100%國產(chǎn)化，充電一次可以儲存280萬度電，能滿足10萬輛新能源汽車的充電需求，年發(fā)電量將達到9.24億度[6]。

圖源：央視網(wǎng)

03、還有哪些儲能技術(shù)？

儲能技術(shù)根據(jù)其原理可以分為物理儲能和化學(xué)儲能兩大類。

物理儲能通過物理過程存儲能量，不涉及化學(xué)反應(yīng)，具有環(huán)境友好、壽命長、儲能規(guī)模大等特點，但能量密度低、受地域限制。壓縮空氣儲能便是物理儲能的一種形式，常見的還有抽水蓄能的方式，也就是將電能以水的重力勢能的形式儲存起來，用電時開閘放水，將重力勢能重新轉(zhuǎn)化為電能。

江蘇常州的一個抽水蓄能電站圖源：新聞聯(lián)播
化學(xué)儲能通過化學(xué)反應(yīng)存儲和釋放能量，以鋰離子電池和液流電池為代表的化學(xué)儲能技術(shù)具有能量密度高、靈活性強等特點，近年來逐漸受到重視，但是使用壽命有限，具有一定的安全性問題。

鋰離子電池依靠鋰離子在正極與負極之間的往返運動工作[7]。充電時，鋰離子從正極材料中脫出，通過電解液遷移到負極，并嵌入到負極中。同時，電子通過外部電路從正極流向負極，與鋰離子結(jié)合。該過程涉及電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。放電時，鋰離子從負極遷移到正極，電子也流向正極。此時化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放。

鋰離子電池放電與充電過程的工作原理

圖源: 科技導(dǎo)報

液流電池通過電解液在正負極之間的流動來存儲和釋放電能[8]。與鋰離子電池不同的是，液流電池的電解液通常儲存在外部儲罐中，通過泵送系統(tǒng)循環(huán)使用。在充電過程中，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來。放電時，儲存在電池中的化學(xué)能以電能形式釋放。

釩基液流電池的工作原理

圖源：berconsulting.com

無論是壓縮空氣儲能在內(nèi)的物理儲能，還是鋰離子電池在內(nèi)的化學(xué)儲能，所謂的“儲存電能”就是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲存起來，使用時再轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)能源的最大化利用。

參考文獻

[1] OLABI A G, WILBERFORCE T, RAMADAN M, et al. Compressed air energy storage systems: Components and operating parameters – A review [J]. Journal of Energy Storage, 2021, 34.

[2] 郭丁彰, 尹釗, 周學(xué)志, et al. 壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J]. 儲能科學(xué)與技 術(shù), 2021, 10(5).

[3] MAHMOUD M, RAMADAN M, OLABI A-G, et al. A review of mechanical energy storage systems combined with wind and solar applications [J]. Energy Conversion and Management, 2020, 210.

[4] 新浪財經(jīng). 上市公司布局“空氣充電寶” 壓縮空氣儲能技術(shù)步入發(fā)展快車道[EB/OL].(2025-1-7)[2025-1-24]. https://finance.sina.com.cn/roll/2025-01-07/doc-ineecwet2068162.shtml

[5] 央視網(wǎng). 國際領(lǐng)先！我國這一新型壓縮空氣儲能電站首次并網(wǎng)發(fā)電成功[EB/OL].(2024-4-30)[2025-1-24]. https://news.cctv.com/2024/04/30/ARTIk1gL9bjDlhiZ1T97cJrB240430.shtml

[6] 常州市科學(xué)技術(shù)局. 世界最大壓縮空氣儲能電站——華能金壇鹽穴壓縮空氣儲能發(fā)電二期項目開工[EB/OL].(2024-12-19)[2025-1-24].

https://kjj.changzhou.gov.cn/html/kjj/2024/MHFDIKKN_1219/46945.html

[7] GOODENOUGH J B, KIM Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries [J]. Chemistry of Materials, 2009, 22(3):587-603.

[8] SOLOVEICHIK G L. Flow Batteries: Current Status and Trends [J]. Chemical Reviews, 2015, 115(20):11533-11558.

作者：張嘉韻，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系直博生，研究方向為鋰離子電池正極材料

策劃&編輯：小叮當(dāng)

鳴謝：蘇州科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 教授 馬汝廣 為本文提供科學(xué)指導(dǎo)。