手機(jī)是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚挠闷?，娛?lè)、辦公、消費(fèi)都少不了它。為了避免手機(jī)沒(méi)電，或者沒(méi)地方充電的問(wèn)題，很多人出門時(shí)都會(huì)帶上充電寶。

但你知道嗎？其實(shí)，不只手機(jī)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(shí)，電網(wǎng)就像一部耗電迅速的手機(jī)，而有著“空氣充電寶”之稱的壓縮空氣儲(chǔ)能電站可以為電網(wǎng)及時(shí)充電。

國(guó)際首套百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站

圖源：國(guó)家科技傳播中心

01、空氣為什么可以儲(chǔ)電？

壓縮空氣儲(chǔ)能電站，顧名思義就是通過(guò)壓縮空氣來(lái)儲(chǔ)存電能的。它在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期壓縮空氣，儲(chǔ)存多余的電能，然后在用電高峰期釋放電能，從而達(dá)到平衡電網(wǎng)負(fù)荷的作用。壓縮空氣儲(chǔ)能電站的運(yùn)行過(guò)程可以分為能量?jī)?chǔ)存和能量釋放兩個(gè)階段[1]。

能量?jī)?chǔ)存

1）壓縮空氣

能量?jī)?chǔ)存階段，壓縮空氣儲(chǔ)能電站利用電網(wǎng)負(fù)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(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)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(fù)值）和環(huán)境交換的功（W，環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功為正值，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功為負(fù)值）的總和。即：△U=W+Q

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

2）儲(chǔ)存熱量

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

3）儲(chǔ)存空氣

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

鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能

圖源：金壇科普

能量釋放

1）加熱空氣

當(dāng)需要發(fā)電時(shí)，儲(chǔ)熱裝置中的高溫?fù)Q熱介質(zhì)會(huì)加熱儲(chǔ)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(jī)中膨脹做功，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，壓縮空氣的內(nèi)能和勢(shì)能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。發(fā)電機(jī)通過(guò)電磁感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)由變壓器升壓后，通過(guò)輸電線路輸送到電網(wǎng)中。

壓縮空氣儲(chǔ)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(duì)于發(fā)電單位而言，空氣壓縮儲(chǔ)能電站可以解決風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電的間歇性、不穩(wěn)定性的問(wèn)題，提供穩(wěn)定的電力支撐[3]。對(duì)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?yàn)楣╇娋o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(chǔ)能技術(shù)，空氣壓縮儲(chǔ)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(wú)污染。不僅如此，它的使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)30-50年[4]，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)[2]。

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

山東肥城300MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國(guó)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(chǔ)能發(fā)電二期項(xiàng)目正式開工建設(shè)。該項(xiàng)目的核心設(shè)備100%國(guó)產(chǎn)化，充電一次可以儲(chǔ)存280萬(wàn)度電，能滿足10萬(wàn)輛新能源汽車的充電需求，年發(fā)電量將達(dá)到9.24億度[6]。

圖源：央視網(wǎng)

03、還有哪些儲(chǔ)能技術(shù)？

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

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

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

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

鋰離子電池放電與充電過(guò)程的工作原理

圖源: 科技導(dǎo)報(bào)

液流電池通過(guò)電解液在正負(fù)極之間的流動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)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(chǔ)存在外部?jī)?chǔ)罐中，通過(guò)泵送系統(tǒng)循環(huán)使用。在充電過(guò)程中，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。放電時(shí)，儲(chǔ)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(wú)論是壓縮空氣儲(chǔ)能在內(nèi)的物理儲(chǔ)能，還是鋰離子電池在內(nèi)的化學(xué)儲(chǔ)能，所謂的“儲(chǔ)存電能”就是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，使用時(shí)再轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)能源的最大化利用。

參考文獻(xiàn)

[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(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) [J]. 儲(chǔ)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(cái)經(jīng). 上市公司布局“空氣充電寶” 壓縮空氣儲(chǔ)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(guó)際領(lǐng)先！我國(guó)這一新型壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能電站——華能金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電二期項(xiàng)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?yàn)殇囯x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)。