二氧化碳出手！又多了一个超级“充电宝”
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假期出门，你的充电宝充满电了不？
带上充电宝，随时随地玩手机；骑上小电驴，走走停停很自由。这可能是日常生活中最常见的“储能”场景了。
不过，随着技术发展，充电宝的形式早已不仅仅局限于这样的小电池了。许多功能更强大、场景更多元的“充电宝”也逐渐诞生了。
比如，名声不太好的二氧化碳居然也摇身一变，成为一个“新型充电宝”了，这又是如何实现的呢？
把电能储存起来，有哪些方式？
储能，即能量的储存，是指通过介质或设备把一种形式的能量转化为另一种形式的能量储存起来，在需要时再释放的过程。储能分为储冷、储热和储电，目前受到大众和市场关注的主要是储电技术。
谈储能就不得不追溯到电力的来源了。
长期以来，以煤炭为能量来源的火力发电都是电力供给的主要方式，但燃煤发电却存在明显弊端。一方面，煤炭是一种不可再生能源，储量是有限的；另一方面燃烧产生的二氧化碳、二氧化硫等对环境造成了污染。
因此，风、光等可再生能源逐渐走进人类视野并将逐步替代煤炭成为主要能量来源。
国家能源局7月31日发布的数据显示，截至6月底我国可再生能源装机达到13.22亿千瓦，历史性超过煤电，约占我国总装机的48.8%。数据显示，当前全国发电总装机达到27.1亿千瓦，同比增长10.8%。其中，水电装机4.18亿千瓦，风电装机3.89亿千瓦，光伏发电装机4.7亿千瓦，生物质发电装机0.43亿千瓦。
风、光可再生能源（图片来源：veer图库）
然而，风能和太阳能具有显著的间歇性、波动性和不确定性等不利因素，发电并不稳定，对电网造成了极大的冲击。如果发出的电没有被及时消纳使用，甚至会停机减少发电量，这样的“高弃风率”和“弃光率”也使其成本居高不下。对电力系统的“调峰”（指在用电高峰时，需要投入在正常运行以外的发电机组以满足需求）提出了更高要求。
对于用户而言，这种影响就更明显了。不稳定的风/光电难以匹配用户用电的昼夜和季节性变化，电路故障、电力不足、用电贵、用电难的情况自然也难以避免了。这进一步加剧了我国电力供需“平时充裕、尖端紧张”和“整体充裕、局部紧张”的特征。尤其在进入迎峰度夏期以后，全国气温的不断攀升和空调制冷负荷不断增加，更是为能源消费“火上浇油”。
那么，能不能像在银行存钱一样，把发出来的电“存”起来，需要的时候再“取”出来用呢？这就是“储能”了。
把电能储存起来这种想法并不是凭空出现的，早在遥远的古希腊，人们就已经知道琥珀碎片在摩擦后可以产生电吸引轻质颗粒。然而，由摩擦产生的电非常容易消逝。因为看到好不容易收集的电却很容易地在空气中消逝，荷兰莱顿大学的马森布罗克力求找到一种保存电的方法。他在1746年发明了利用静电学原理来收集电荷的“莱顿瓶”。这便是最早储存电力的装置。
小知识
莱顿瓶由一个内部带电的金属球和一个外部不带电的金属壳组成。当内部金属球带有正电荷时，由于外部金属壳是导体，可自由移动电荷，因此，外部金属壳就会带有相同大小的负电荷。当外部金属壳接地时，它就会吸收内部金属球的正电荷，这样就形成了一个带有正电荷的莱顿瓶，储存了电荷。
莱顿瓶示意图（图片来源：veer图库）
技术总是随着时间不断地发展。现在我们储存电力的方式已经变得多种多样。除了当前技术较成熟应用比较广泛的抽水蓄能和锂电池储能，还有液流电池储能、重力储能、压缩空气储能和二氧化碳储能等多种技术都在如火如荼地发展。
简而言之，储能装置就是一个大号的“充电宝”，当用电少发电多的时候就将多余的电力储存起来，用电多发电不足时就释放电力补充供给。如果在发电、输电、配电、用电等各个环节都配上一个“充电宝”，就相当于为整个电力系统配备了一套秘密武器，从而轻松应对发电波动、电路振荡堵塞和用户中断等诸多问题了。
二氧化碳“充电宝”，怎么“充电”“放电”？
二氧化碳储能系统主要由二氧化碳高低压储罐、压缩机、透平和蓄热蓄冷子系统组成。对照充电宝的充电过程和放电过程，其工作原理可分为储能阶段（“充电”）和释能阶段（“放电”）两个过程。
储能阶段（“充电”）：首先为整个系统充注二氧化碳，当前一般是采购工业级二氧化碳产品。在风光资源足发电量多而用电量少时开启储能过程。低压储罐中的二氧化碳经过蓄冷换热器吸热气化后通过压缩机压缩到高压状态，利用蓄热介质吸收并储存压缩热，释放热量冷凝后的高压液态二氧化碳进入高压储罐中储存。这个过程就是将电能转换成二氧化碳的内能、压力势能和蓄热介质的热能。
二氧化碳储能系统基本原理图（图片来源：中国科学院理化技术研究所，博睿鼎能）
释能阶段（“放电”）：在风光资源匮乏发电量少而用电量多时开启释能过程。高压储罐中的二氧化碳经过再热器升温气化后进入膨胀机膨胀，带动发电机发电。再热器中的热量就是储存的压缩热，膨胀后的二氧化碳再经冷后储存在低压储罐。这个过程就是将上述能量再重新转化为电能。
二氧化碳释能系统基本原理图（图片来源：中国科学院理化技术研究所，博睿鼎能）
二氧化碳和蓄热介质都实现了闭式循环，系统一次充注可以保持长期稳定运行，实现了可再生能源平滑并网和电网蓄能调峰，同时系统运行伴随热负荷也可实现区域供热，依托区域分布式能源系统实现高效多能联供。这个“充电宝”可谓一机多用，性能强大。
了解了二氧化碳储能与释能的原理，似乎有一种“似曾相识”的感觉，你有没有想起北京冬奥会上的“二氧化碳制冰”（点这里复习）？确实，二氧化碳储能的原理与二氧化碳热泵、二氧化碳制冰两项技术的原理有些“雷同”。
原来，在二氧化碳进行储能压缩的过程和释能膨胀的过程中分别存在着一个储热、储冷的过程。其中的储热过程指将二氧化碳压缩后产生热量储存在一个蓄热系统中，这个原理与二氧化碳热泵的原理类似。
同样的，储冷过程将膨胀二氧化碳的释放的冷量储存在一个蓄冷系统中，这个原理则与二氧化碳制冰的原理类似。尤其是当需要二氧化碳储能系统发电时，其实就是使液化后的二氧化碳或高压的二氧化碳吸收热量蒸发为气态，这个过程和制冰相似，制冰其实也是一个二氧化碳气化吸热的过程。
为什么我们需要那么多种储能技术？
随着可再生能源装机规模快速增长，我国电力系统对储能需求也在快速增长。可以说，储能技术是实现“双碳”目标的关键支撑技术。
图片来源：中国科学院理化技术研究所
不同储能方式的储存时间和功率有各自的适用特点。前面我们提到了抽水蓄能、压缩空气储能以及二氧化碳储能，这三种方式均是大规模长时、可用于调峰的储能技术。但它们适用的场景不太一样。
抽水蓄能通过将电能转化为水的势能进行储存，储能时用多余的电将水从低处抽到高处储存，释能时水再从高处落下推动水轮机发电。该技术占到目前我国储能装机总量的70%以上，但它也存在对地理环境要求较高、建设周期长、初期投资大等客观问题。
抽水蓄能示意图（图片来源：通山县人民政府网站）
压缩空气储能基于传统的燃气轮机发电原理，在用电低谷的时候通过压缩机把空气压缩成高压空气存储，在用电高峰的时候释放高压空气，驱动膨胀机就可以驱动发电机发电。我国目前已经建成了6个压缩空气储能示范项目，正在建设和规划建设的有20多套。不过，压缩后的空气压力往往达到10MPa以上，一般需要依赖于盐穴等特殊地理条件存储，而目前的人工储罐成本还比较高。
建在河北张家口的国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目外观（图片来源：中新网）
二氧化碳储能是压缩气体储能技术范畴内的新一轮技术创新。把空气换成二氧化碳有什么好处？
二氧化碳储能装置（图片来源：博睿鼎能）
二氧化碳无毒、不易燃、安全等级为A1，且和空气相比，二氧化碳达到临界状态（7.39Mpa，31.4℃）后具有优良的热力学性质：黏度小、密度大、导热性能好，利于系统运行过程中的高效储热和换热。相同温度和压力下二氧化碳储存密度远大于空气，相同储能容量下，系统压力更低（一般<8MPa）且储存容积也更小。
二氧化碳三相图（图片来源：《超临界二氧化碳输送中的增压问题分析》-吴全）
二氧化碳密度变化图（图片来源：《超临界二氧化碳输送中的增压问题分析》-吴全）
当然，二氧化碳储能系统作为一种闭式循环，运行前需要提前充注二氧化碳气体，需要额外配置低压气体储存装置，这也带来了一定额外的原料和用地成本。但若进一步与碳捕集进行耦合，则既能为储能系统供应稳定低成本的气源，又能对外输出二氧化碳产品。这也是未来研究的一个方向。
我们可以从电-电效率、储能密度、寿命以及成本等几个方面对储能系统进行评价。电-电效率通俗地来说，指的是系统发电量与用电量的比值，该比值越高储能系统的性能越优。储能密度指储存的能量与存储介质所占面积的比值，在存储介质所用占地面积相同的情况下，储能密度越大，系统储存的能量就越多。
二氧化碳储能具有电-电转换效率高、储能密度大、寿命长、成本低等特点，能够满足大规模可再生能源电力消纳、电网削峰填谷和火电蓄能调峰等庞大市场需求。
二氧化碳储能系统沙盘模型实物图（图片来源：中国科学院理化技术研究所、博睿鼎能）
除了在发电侧充当风、光等新能源电站的充电宝和火力发电厂的“充电宝”，二氧化碳储能技术在电网侧也大有用处，可以缓解电网运行中的震荡阻塞等问题，提高用电稳定性，降低用电成本。
如果按区域为电网集配站配备二氧化碳“充电宝”，在发生大规模停电事件时就可以用二氧化碳所储存的电能优先给一部分关键的地区供电，避免大量的经济损失。同理，我们也可以将二氧化碳储能技术用在用户侧，例如一些用电量大的工业园区和海洋平台等场景。
二氧化碳储能的未来：
成本与火电持平，还能减碳！
二氧化碳储能是一种新型长时大规模储能技术，当前正处于技术示范推广的关键时期。
意大利Energy Dome公司在2022年6月建成了一套4MW·h的“二氧化碳电池”试点项目，成为世界上首个二氧化碳储能示范项目；2023年8月，中国科学院理化技术研究所科研团队也在河北省廊坊市建设了国内首个百千瓦液态二氧化碳储能示范验证项目。此外，容量更大、释能时间更长的储能项目也正在不断出现在人们视野中。
二氧化碳储能系统还具有显著的规模效应，随系统容量的增加，单位成本明显下降。以一套100MW/400MW•h 的二氧化碳储能系统为例：
从发电的角度来看，100MW指的是它的发电功率，400MW•h指的是发电容量。该系统能够发出40万度电，按照每户每月用电350～450度来算，该系统完成一次充放电可供近千户用户用电一个月。而该系统完成一次充电和一次放电均仅需几小时。在系统的整个寿命期内，每度电的成本可降至0.2元，几乎可以和传统火电持平。
从碳减排的角度来看，该系统能带来近六千吨的碳减排，相当于近6000辆普通的燃油车不眠不休从我国的首都北京穿越3700公里的路程到达蒙古国的首都乌兰巴托。
从技术先进性来看，二氧化碳储能可保障高比例可再生能源并网及电网安全，是能源结构转型的重要支撑。从环境友好性来看，实现“双碳”目标的重要手段之一便是碳捕集、封存与利用（即常说的CCUS技术）。二氧化碳储能系统正是一个典型的二氧化碳利用场景，并且有望深度嵌入CCUS的各个环节。此外，储能系统建设所带来的就业拉动、经济增长以及二氧化碳资源利用所产生的生态效益都是极其可观的。
（图片来源：veer图库）
目前，中国正在大力发展新型储能技术的研发应用，国家层面出台了一系列的宏观政策鼓励长时储能的发展。目前已有26个省市规划了“十四五”新型储能装机目标，总规模接近67GW。根据中关村储能产业技术联盟（CNESA）预计。“十四五”时期，新型储能年复合增长率保持在55%-70%，市场规模将再创新高。
说不定，不久的将来，你就能用上二氧化碳“充电宝”，迎接绿色发展的未来！
作者：郝佳豪 郑平洋 李静雯
作者单位：中国科学院理化技术研究所
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