优劣对比：重力储能、压缩空气储能、氢储能！谁将是下一个“锂离子电池”？

文 | 储能头条 储留香

时下，锂离子电池由于其单位体积的储存能量高、能量转换率高、没有记忆效应、自放电率低、使用寿命长等特有的技术优势，成为当前储能市场赢家。

但随着美国、韩国等多地储能电站频频发生爆炸事故，锂离子电池储能安全性较差的问题又重新回到公众的视野。并且，Wood Mackenzie的研究报告显示，锂离子电池系统的寿命每延长一倍，其成本就会增加一倍。

于是，随着可再生能源发电的规模越来越大，要想真正使储能技术在能源结构转型中起到助推作用，人们不得不寻找新的储能形式。其中，比较有代表性的便是：重力储能、压缩空气储能和氢气储能。

重力储能

（1）基本原理

如果就纯理论来讲，重力储能是最简单的一种储能方式，其原理类似抽水蓄能，就是以重力造成的位能来储存能源。当电力有多余的时候，驱动马达将重物吊至高处，需要电力的时候，再利用重物下降的力量来驱动发电机发电。

（2）优点

原理简单，技术门槛较低；

同时由于采用物理介质储存能量，所以其储能效率高达90%，输出功率从0增加到100%只需要2.9秒，使用寿命在30年以上；

并且不需要像抽水蓄能电站那样对选址有较高要求，所以其建设成本仅为抽水蓄能的三分之一，度电成本也只有抽水蓄能的三分之二。

（3）缺点

能量密度低，建设规模过大。重力储能所需的高塔平均在百米以上，而其输出功率仅相当于一个同等高度的风力发电机；

此外，这项技术对塔吊的精度要求非常高。几十米长的缆绳，需要做到让5000块砖，每一块的位置误差都小于几毫米；

每座高塔需要上千个水泥块，而浇筑水泥块则需要排放大量的二氧化碳，稍不注意就会造成碳排放比提高新能源发电比例省下来的还多。

（4）应用

重力储能虽然原理很简单，但受到保守观念影响，电网配备大规模储能设施进展缓慢。所以重力储能直到2018年才真正作为一种储能方式出现在公众视野。其中，最具代表性的便是孙正义的“水泥块”储能项目。

2018年11月，瑞士的Energy Vault公司推出了重力储能系统，这是储能市场的最新进入者之一。

该系统由一台安装在90-140米高的格状钢塔上的二至六臂起重机组成。起重机的工作原理与抽水蓄能系统相同，它将35公吨的混凝土吊入塔周围的堆垛中，为系统充电。该系统可以在几毫秒内响应电力需求的波动或电网运营商需要的其他支持，并能为可再生能源24小时提供基本负载。

2019年8月，孙正义软银集团旗下的“愿景基金”向该公司豪掷1.1亿美元，同时这也是愿景基金首次投资能源企业。

此外，一些公司还开发出原理类似的铁路储能、山脊线储能等储能系统。

压缩空气储能

（1）基本原理

压缩空气储能采用空气作为能量的载体，大型的压缩空气储能利用过剩电力将空气压缩并储存在一个地下的结构(如地下洞穴)，当需要时再将压缩空气与天然气混合，燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。

（2）优点

有调峰功能，适合用于大规模风场，因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了中间转换成电的环节，从而提高效率。

（3）缺点

需要大的洞穴以存储压缩空气，与地理条件密切相关，适合地点非常有限;

需要燃气轮机配合，并要一定量的燃气作燃料，适合于用作能量管理、负荷调平和削峰;以往开发的是一种非绝热(diabatic)的压缩空气储能技术。空气在压缩时所释放的热，并没有储存起来，通过冷却消散了，而压缩的空气在进入透平前还需要再加热。因此全过程效率较低，通常低于50%。

（4）应用

德国 Hundorf 站，1978年投运，压缩功率60MW，发电功率290MW(后经改造提高到321MW)， 压缩时间/发电时间=4，2小时连续运行，启动过上万次，启动可靠率达97%。

美国Mcintosh站，1991年投运，110MW，压缩时间/发电时间=1.6，如连续输出100MW可维持26小时，曾因地质不稳定而发生过坍塌事故。

近年来压缩空气储能的研究和开发热度在不断上升，我国于2016年在贵州毕节建成国际首套也是目前唯一一套10MW新型压缩空气储能示范系统，效率达60.2%，是全球目前效率最高的压缩空气储能系统。

据清华大学教授梅生伟介绍，在发展过程中，压缩空气储能经历了三次更新换代，分别是补燃式压缩空气储能、常规压缩空气储能和复合式压缩空气储能。

目前最新的复合式压缩空气储能技术，不仅输入端包含风电、光伏、热、气等多种能源形式，而且输出端也可以做到冷、热、电联产的多样化输出。

未来，如果复合式压缩空气储能技术有条件普及，将使其成为能源互联网建设的重要抓手。

氢气储能

（1）基本原理

利用待弃掉的风电制氢，通过电解水，将水分解为氢气和氧气，从而获得氢。以后可直接用氢作为能量的载体，再将氢与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷)，以合成天然气作为另一种二次能量载体。

（2）优点

采用这两种物质作能量载体的好处是储存的能量很大，可达TWh级;

储存的时间也很长，可达几个月;

另外氢和合成天然气除了可用于发电外，还可有其他利用方式，如交通等。

（3）缺点

全周期效率较低，制氢效率只有70%左右，而制合成天然气的效率60-65%，从发电到用电的全周期效率更低，只有30%-40%；

同时，虽然目前电解水制氢可以实现零碳，但是由于技术不够成熟，所以导致成本太高。并且，在电解水过程中，需要大量电能，而如果从宏观角度看，目前煤电的高占比也使得其难以做到真正的“零碳”。

（4）应用

将氢与二氧化碳合成为甲烷的过程也被称作为P2G技术(power to gas)。德国热衷于推动此项技术，已有示范项目在德国投入运行。以天然气为燃料的热电联产或冷、热、电联产系统已成为分布式发电和微电网的重要组成部分，在智能配电网中发挥着重要的作用，氢和合成天然气为分布式发电提供了充足的燃料。

同时，氢燃料电池汽车也受到多家汽车巨头的重视，比较有代表性的便是丰田集团的Mirai系列。

综上所述，虽然目前对于谁能替代锂离子电池、成为新的储能“王者”，尚无法定论，且现在仍然有许多潜在的储能技术有待开发。但可以肯定的是，未来的储能市场一定是一个多种形式互补、百花齐放的情景，众多储能方式也一定会在未来的能源结构中拥有适合自己的天地。而到那时，是或不是“王者”，又有什么分别呢？

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