二氧化碳出手！又多了一個(gè)超級(jí)“充電寶”

假期出門，你的充電寶充滿電了不？

帶上充電寶，隨時(shí)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(jiàn)的“儲(chǔ)能”場(chǎng)景了。

不過(guò)，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(chǎng)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(gè)“新型充電寶”了，這又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

把電能儲(chǔ)存起來(lái)，有哪些方式？

儲(chǔ)能，即能量的儲(chǔ)存，是指通過(guò)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?jī)?chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)再釋放的過(guò)程。儲(chǔ)能分為儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱和儲(chǔ)電，目前受到大眾和市場(chǎng)關(guān)注的主要是儲(chǔ)電技術(shù)。

談儲(chǔ)能就不得不追溯到電力的來(lái)源了。

長(zhǎng)期以來(lái)，以煤炭為能量來(lái)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(chǔ)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(duì)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(lái)源。

國(guó)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(guó)可再生能源裝機(jī)達(dá)到13.22億千瓦，歷史性超過(guò)煤電，約占我國(guó)總裝機(jī)的48.8%。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到27.1億千瓦，同比增長(zhǎng)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。

風(fēng)、光可再生能源（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

然而，風(fēng)能和太陽(yáng)能具有顯著的間歇性、波動(dòng)性和不確定性等不利因素，發(fā)電并不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)造成了極大的沖擊。如果發(fā)出的電沒(méi)有被及時(shí)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(duì)電力系統(tǒng)的“調(diào)峰”（指在用電高峰時(shí)，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(duì)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(guó)電力供需“平時(shí)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(guó)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(lái)的電“存”起來(lái)，需要的時(shí)候再“取”出來(lái)用呢？這就是“儲(chǔ)能”了。

把電能儲(chǔ)存起來(lái)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(lái)收集電荷的“萊頓瓶”。這便是最早儲(chǔ)存電力的裝置。

小知識(shí)

萊頓瓶由一個(gè)內(nèi)部帶電的金屬球和一個(gè)外部不帶電的金屬殼組成。當(dāng)內(nèi)部金屬球帶有正電荷時(shí)，由于外部金屬殼是導(dǎo)體，可自由移動(dòng)電荷，因此，外部金屬殼就會(huì)帶有相同大小的負(fù)電荷。當(dāng)外部金屬殼接地時(shí)，它就會(huì)吸收內(nèi)部金屬球的正電荷，這樣就形成了一個(gè)帶有正電荷的萊頓瓶，儲(chǔ)存了電荷。

萊頓瓶示意圖（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

技術(shù)總是隨著時(shí)間不斷地發(fā)展?，F(xiàn)在我們儲(chǔ)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(chǔ)能，還有液流電池儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和二氧化碳儲(chǔ)能等多種技術(shù)都在如火如荼地發(fā)展。

簡(jiǎn)而言之，儲(chǔ)能裝置就是一個(gè)大號(hào)的“充電寶”，當(dāng)用電少發(fā)電多的時(shí)候就將多余的電力儲(chǔ)存起來(lái)，用電多發(fā)電不足時(shí)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(gè)環(huán)節(jié)都配上一個(gè)“充電寶”，就相當(dāng)于為整個(gè)電力系統(tǒng)配備了一套秘密武器，從而輕松應(yīng)對(duì)發(fā)電波動(dòng)、電路振蕩堵塞和用戶中斷等諸多問(wèn)題了。

二氧化碳“充電寶”，怎么“充電”“放電”？

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

儲(chǔ)能階段（“充電”）：首先為整個(gè)系統(tǒng)充注二氧化碳，當(dāng)前一般是采購(gòu)工業(yè)級(jí)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(shí)開(kāi)啟儲(chǔ)能過(guò)程。低壓儲(chǔ)罐中的二氧化碳經(jīng)過(guò)蓄冷換熱器吸熱氣化后通過(guò)壓縮機(jī)壓縮到高壓狀態(tài)，利用蓄熱介質(zhì)吸收并儲(chǔ)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(chǔ)罐中儲(chǔ)存。這個(gè)過(guò)程就是將電能轉(zhuǎn)換成二氧化碳的內(nèi)能、壓力勢(shì)能和蓄熱介質(zhì)的熱能。

二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)基本原理圖（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，博睿鼎能）

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(shí)開(kāi)啟釋能過(guò)程。高壓儲(chǔ)罐中的二氧化碳經(jīng)過(guò)再熱器升溫氣化后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。再熱器中的熱量就是儲(chǔ)存的壓縮熱，膨脹后的二氧化碳再經(jīng)冷后儲(chǔ)存在低壓儲(chǔ)罐。這個(gè)過(guò)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(lái)源：中國(guó)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(zhǎng)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(shí)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(gè)“充電寶”可謂一機(jī)多用，性能強(qiáng)大。

了解了二氧化碳儲(chǔ)能與釋能的原理，似乎有一種“似曾相識(shí)”的感覺(jué)，你有沒(méi)有想起北京冬奧會(huì)上的“二氧化碳制冰”？確實(shí)，二氧化碳儲(chǔ)能的原理與二氧化碳熱泵、二氧化碳制冰兩項(xiàng)技術(shù)的原理有些“雷同”。

原來(lái)，在二氧化碳進(jìn)行儲(chǔ)能壓縮的過(guò)程和釋能膨脹的過(guò)程中分別存在著一個(gè)儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷的過(guò)程。其中的儲(chǔ)熱過(guò)程指將二氧化碳?jí)嚎s后產(chǎn)生熱量?jī)?chǔ)存在一個(gè)蓄熱系統(tǒng)中，這個(gè)原理與二氧化碳熱泵的原理類似。

同樣的，儲(chǔ)冷過(guò)程將膨脹二氧化碳的釋放的冷量?jī)?chǔ)存在一個(gè)蓄冷系統(tǒng)中，這個(gè)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(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電時(shí)，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(gè)過(guò)程和制冰相似，制冰其實(shí)也是一個(gè)二氧化碳?xì)饣鼰岬倪^(guò)程。

為什么我們需要那么多種儲(chǔ)能技術(shù)？

隨著可再生能源裝機(jī)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能需求也在快速增長(zhǎng)?？梢哉f(shuō)，儲(chǔ)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(lái)源：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所

不同儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)存時(shí)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(chǔ)能以及二氧化碳儲(chǔ)能，這三種方式均是大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)、可用于調(diào)峰的儲(chǔ)能技術(shù)。但它們適用的場(chǎng)景不太一樣。

抽水蓄能通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能進(jìn)行儲(chǔ)存，儲(chǔ)能時(shí)用多余的電將水從低處抽到高處儲(chǔ)存，釋能時(shí)水再?gòu)母咛幝湎峦苿?dòng)水輪機(jī)發(fā)電。該技術(shù)占到目前我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)總量的70%以上，但它也存在對(duì)地理環(huán)境要求較高、建設(shè)周期長(zhǎng)、初期投資大等客觀問(wèn)題。

抽水蓄能示意圖（圖片來(lái)源：通山縣人民政府網(wǎng)站）

壓縮空氣儲(chǔ)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(shí)候通過(guò)壓縮機(jī)把空氣壓縮成高壓空氣存儲(chǔ)，在用電高峰的時(shí)候釋放高壓空氣，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)就可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。我國(guó)目前已經(jīng)建成了6個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的有20多套。不過(guò)，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?xiàng)l件存儲(chǔ)，而目前的人工儲(chǔ)罐成本還比較高。

建在河北張家口的國(guó)際首套百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國(guó)家示范項(xiàng)目外觀（圖片來(lái)源：中新網(wǎng)）

二氧化碳儲(chǔ)能是壓縮氣體儲(chǔ)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(chǔ)能裝置（圖片來(lái)源：博睿鼎能）

二氧化碳無(wú)毒、不易燃、安全等級(jí)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(guò)程中的高效儲(chǔ)熱和換熱。相同溫度和壓力下二氧化碳儲(chǔ)存密度遠(yuǎn)大于空氣，相同儲(chǔ)能容量下，系統(tǒng)壓力更低（一般<8MPa）且儲(chǔ)存容積也更小。

二氧化碳三相圖（圖片來(lái)源：《超臨界二氧化碳輸送中的增壓?jiǎn)栴}分析》-吳全）

二氧化碳密度變化圖（圖片來(lái)源：《超臨界二氧化碳輸送中的增壓?jiǎn)栴}分析》-吳全）

當(dāng)然，二氧化碳儲(chǔ)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(chǔ)存裝置，這也帶來(lái)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(chǔ)能系統(tǒng)供應(yīng)穩(wěn)定低成本的氣源，又能對(duì)外輸出二氧化碳產(chǎn)品。這也是未來(lái)研究的一個(gè)方向。

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

二氧化碳儲(chǔ)能具有電-電轉(zhuǎn)換效率高、儲(chǔ)能密度大、壽命長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，能夠滿足大規(guī)?？稍偕茉措娏ο{、電網(wǎng)削峰填谷和火電蓄能調(diào)峰等龐大市場(chǎng)需求。

二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)沙盤模型實(shí)物圖（圖片來(lái)源：中國(guó)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(chǔ)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(wèn)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(shí)就可以用二氧化碳所儲(chǔ)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(chǔ)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(tái)等場(chǎng)景。

二氧化碳儲(chǔ)能的未來(lái)：成本與火電持平，還能減碳！

二氧化碳儲(chǔ)能是一種新型長(zhǎng)時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，當(dāng)前正處于技術(shù)示范推廣的關(guān)鍵時(shí)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(xiàng)目，成為世界上首個(gè)二氧化碳儲(chǔ)能示范項(xiàng)目；2023年8月，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所科研團(tuán)隊(duì)也在河北省廊坊市建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)百千瓦液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能示范驗(yàn)證項(xiàng)目。此外，容量更大、釋能時(shí)間更長(zhǎng)的儲(chǔ)能項(xiàng)目也正在不斷出現(xiàn)在人們視野中。

二氧化碳儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)為例：

從發(fā)電的角度來(lái)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(wàn)度電，按照每戶每月用電350～450度來(lái)算，該系統(tǒng)完成一次充放電可供近千戶用戶用電一個(gè)月。而該系統(tǒng)完成一次充電和一次放電均僅需幾小時(shí)。在系統(tǒng)的整個(gè)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(lái)看，該系統(tǒng)能帶來(lái)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(guó)的首都北京穿越3700公里的路程到達(dá)蒙古國(guó)的首都烏蘭巴托。

從技術(shù)先進(jìn)性來(lái)看，二氧化碳儲(chǔ)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(lái)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(shuō)的CCUS技術(shù)）。二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)正是一個(gè)典型的二氧化碳利用場(chǎng)景，并且有望深度嵌入CCUS的各個(gè)環(huán)節(jié)。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)所帶來(lái)的就業(yè)拉動(dòng)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

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

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

作者：郝佳豪 鄭平洋 李靜雯

作者單位：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所

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