储能：从技术分析到产业纵横

本文为投稿文章，作者王睿勐 系澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)光伏研究所电子工程/光伏工程博士研究生。

新能源毫无疑问是最近几年投资界最火热的话题之一。从某种意义上讲，这也是社会进步的必然。著名的学者尤瓦尔·赫拉利曾经在《人类简史》中总结道：工业革命的本质特征之一就是能源革命。

最早的人类能源来源于柴薪和牛粪。后来煤和石油的发现推动了人类的整个社会进步。20世纪后期，许多地缘政治冲突都可以从对石油资源的争夺这一点上找到根源。比如起因是号称人类历史上炸死人数最多的一颗手榴弹^[1]，打了整整八年的两伊战争，在暗含对盛产石油资源的伊朗胡齐斯坦省（又称阿拉伯斯坦，是一个以阿拉伯人居多的伊朗省份）的争夺。

如今，各种新能源技术越发成熟；在新能源的产生方面，光伏，风力发电是目前最为领先的两种新能源技术。而众所周知，光伏和风力发电有个最大的问题，就是光伏和风力发电由于受时间，空间两个维度的限制，如果要把光伏和风力发电所产生的电流直接送入电网，就会造成很严重的系统不稳定性问题。

需求是发明之母。正因为存在电网不稳定性这样的需求，人们就会考虑各种各样的方式来解决这样的问题。

一个最典型的案例就是光伏/风力发电的智能预测。既然系统存在的问题是不稳定，那么我们从稳定性入手，能够直接的去预测光伏/风力发电的产生量，这样加上火电（以及在未来，核能发电）的调峰，不就能够实现系统的稳定运行了吗？到目前为止，有了机器学习，数据科学的帮助，这确实是一种非常好的办法^[2][3]。

而目前比较通行的另一种方法，是把新能源产生和储能技术结合起来。这就好比我们想要收集天上的雨水。我们不再通过看天气预报来决定在门外放多少水桶；而是直接挖一个巨大的水塘，我们不再在乎哪天下雨，而是直接把水收集在这个水库里面。

当然，值得一提的是，我们绝不会简单粗暴的管理这个"水库。"储能技术与ICT（信息通信）技术的融合，可以极大的提升储能系统的性能。这一点我们会在后面进行专门的讨论。

01

储存是人类文明的天性，储能是人类文明发展的必然

有了人类文明就有储存，而储存也促进了人类文明的进步与演替。早在人类文明的幼年时期，考古遗址里就有储存好的从野外采集的种子。

在隋唐交际，天下大乱的时代，以李密，翟让为首的起义军攻下了位于长安，洛阳，燕京和杭州四大城市交汇之处的，隋朝当时天下最大的粮仓，洛口仓。以占领的洛口仓储存的资源作为起家的原始资本，李密起义军招来了天下的饥民。而这一招从根本上极大的动摇了隋朝的统治。哪怕是经历这种规模的消耗，据史书记载，洛口仓里储存的粮食一直到唐朝的贞观末年还没有吃完。

洛口仓遗址，河南洛阳

笔者的家父早年曾在陕西关中的乡村任职。家父经常提到，当时（大概是90年代初）关中北部的农村生活条件非常艰苦，一直到他们工作那个时候，连他们所在的政府单位，都要吃“窖水”，也就是在下雨天收集的雨水。吃之前加一点明矾，然后做一下水的净化。

而值得称道的是，当年家父工作的那个政府人员都需要吃“窖水”的贫困县城，二十余年时间里，如今已经是全世界最大，最成功的太阳能公司的主要生产基地之一。这也不得不让人称道改革开放和市场经济的神奇。

而对能源的储存，也是现在人们社会发展到一定阶段的必然行为。我们知道，20世纪工业革命的本质之一就是电气化。电力在20世纪，可以说是渗透到了社会的方方面面。电力彻底改变了人类社会。

然而，到目前为止，绝大多数的发电系统都是基于化石能源的。一方面会产生大量的温室气体，另一方面也会产生包括氮氧化物在内的有毒气体。同时，化石能源也是化学工业的原料；我们完全可以把这些原本用来拿去烧掉的化石能源拿去做化工原料。

电力，从原理上讲，是无法直接储存的。它只能被变换成其他的形式，然后储存。这也促成了作为技术的储能行业。

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储能行业的概述

储能的目的是什么？用储能技术，来突破时间和空间上的限制。

从理论上说，任何一个电能与其他能源形式（包括热能，机械能，化学能等）的转化，都可以被开发成一种储能技术。实际上，各位可以回想一下高中物理和化学：储能虽然是一个比较新的技术门类，但是储能的基本原理，几乎都在高中的物理化学里面讲完了。

而我们如何评价一个储能技术的优劣？我们在前文中提到，电能无法被直接储存起来。那么，从电能到其他能源形式再回到电能这个路径，会有多少能源损耗？

我们从热力学定律里可以知道，这个过程是一定会有能源损耗的。显然，能源损耗一定是越小越好。同时，把电能转化成其他能源形式，再转化成电能，这个过程的速度如何？有些储能技术，能源转换的速度会非常快。最典型的就是磷酸铁锂电池和飞轮储能。而有些储能的技术，能源转换的速度会比较慢。比如蓄水储能。同样是电池储能，磷酸铁锂电池的充放能速度，就比全钒液流电池来的快。我们还需要考虑储能的成本问题。比如现在众所周知固态电池很可能会成为一种非常不错的电池。但是固态电池面临着成本的考验。

当然，最后一个，但是也是最为重要的问题，那便是储能的安全性问题。比如，我们如果要修建一个蓄水电站，就要考虑对下游的安全问题。如果我们要修建一个电池储能系统，那么这个系统的安全性我们如何去管理和运营？

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现阶段，储能都有哪些种类？

一个基本的储能的分类，如下图所示。这也是目前比较主流的技术。

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现阶段，各类储能技术的占比

2022年，中国各类储能技术的占比

到目前为止，我们发现，虽然在投资圈里，各类电池储能，还有电池回收的概念如火如荼，但是绝大多数储能技术还是基于抽水储能的。那么什么是抽水储能呢？

其实这是一个非常古老的技术。在1930年代的时候，美国和日本就已经有了抽水储能来做电力系统调峰的实践。也非常容易理解。

在一个有山坡坡度的地方，山下和山顶各修一个水电站。在需要储能的时候，利用发电机带动水轮机把山下的水抽到山上去。在需要把机械能转化成电能的时候，让山上的水流下来带动水轮机做功来发电。

抽水储能原理图示

抽水储能的好处是非常明显的。比如它可以做很大的工程项目。比如我国中心城市之一的广州市，在广州郊区的从化地区（是一个山清水秀的好地方），从化的抽水储能项目负责粤港澳大湾区的调峰工作。2014年5月15日，香港某电厂机组突然停机。损失负荷200MW。

广州地区的抽水蓄能电站紧急向系统提供180MW的有用功，当时就让系统很快恢复正常。同时，也可以开发成旅游项目。比如水资源丰富的从化地区也是广州著名的温泉疗养度假区。

从化温泉

当然，坏处也非常明显。比如显然我们不可能为了在一个居民小区的储能项目单独修一个小水电。在中国，水电项目的分布也是非常不均衡的。中国绝大多数的水电站，大多数都在云贵川藏四省，其他的比较多的还包括广东，广西，江西，湖南，东北。而到目前为止，云贵川三省的水电已经开发的差不多了。

这也是为什么除了抽水储能以外的储能技术，都在不断发展的源动力。

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各类储能的方式

压缩空气储能是对抽水储能最直接的魔改。首先，水和空气都是流体。在一些废弃的矿洞，山穴，岩洞里，通过与抽水蓄能非常类似的方法：当我们需要储存能量的时候，使用压缩机，压缩空气做功；而当我们想要向外释放能量，我们就让被压缩的空气向外做功，输出能量。

一个最典型的工程案例就是近些年的江苏金坛盐穴储能项目。利用开采盐矿剩下的采矿空穴，做空气储能的项目。在工业发达，非常需要电力调峰（尤其是夏天，因为大量用户要用空调所以负载量会非常大）的江苏省，这个大号的“充电宝”可以说是解决当地发展需求的及时雨^[5]。

利用化学气体/液体储能也是目前比较流行的一种方式。通过光伏，风力发电产生的电能，可以被用于生产一系列的化学气体或者液体。最典型的就是利用光伏来制氢^[6]，或者甲醇。这些气体/液体既可以用于储存能源，也可以用于化工领域。这着实为化工行业开辟了新道路。

基于电池的电化学储能是目前最火爆的储能领域。这是因为电池系统非常容易被嵌入各种自动化控制系统中。储能电池也因此成了一门非常专门的学术。储能电池和动力电池，也因此成为了一对兄弟：开发储能电池的经验常常被用于开发动力电池，而开发动力电池，也运用了来自开发储能电池的经验。尤其是目前，被淘汰的动力电池，现在也经常被用于开发储能电池。

以下是常见的几种储能电池的概述：

铅酸电池：这是一种成本低廉的储能方式，广泛应用于汽车、电动车等领域。然而，铅酸电池重量较大，且存在环境污染问题。

镍系电池：镍镉电池（NiCd）和镍氢电池（NiMH）是两种常见的镍系电池。它们具有较高的能量密度和循环寿命，但价格较高。镍镉电池已逐渐被镍氢电池取代，因为镍镉电池存在严重的环境问题。

锂系电池：锂离子电池（Li-ion）是目前最常用的锂系电池。它具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点，广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。

液流电池：液流电池是一种将电解质储存在外部容器中的储能方式，如锌溴液流电池（ZEBRA）和铁铬液流电池（FRB）。液流电池具有可扩展性和高功率输出能力，适用于大规模储能系统。

钠硫电池：钠硫电池（NaS）是一种以钠为负极、硫为正极的二次电池。它具有高能量密度、低成本和长寿命等优点，但需要特殊的无水环境来防止硫与水反应产生氢气。

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必由之路：储能技术与ICT技术的融合

ICT技术便是信息，计算机和通信技术的统称。ICT技术一方面是能源消耗的一个大户：全球各地的电脑，手机，服务器，通信基站都需要消耗大量的电能。而这些系统的运维过程中与避免停电相关的需求也催生了具体的储能业务。当互联网业务成为了新时代的水与电，如果地震等天灾突然降临，我们如何保证重要的互联网服务不中断？这就涉及到了具体的储能业务。

而另一方面，ICT技术也为储能提供了无限可能。现代的嵌入式智能设备和网络通信设备，使得我们可以从储能系统中收集到大量的数据。而这些数据，也成了智能算法的基础。这些智能算法，包括机器学习，深度学习，大模型，大数据等等。

这些智能算法，归根结底，就是要多快好省的帮我们提高系统的效率。

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产业纵横：功业便是血骨堆

储能是新基建的一部分。根据世界能源署（IEA）的数据，在中国，截止到今天，绝大多数要使用到2050年的房屋都已经修建完毕。建筑业的剩余产能被应用于包括储能在内的新基建是一个非常好的发展方向。

储能首先要解决的问题在于安全。没有安全就没有建设和发展。储能尤其是电池储能，一旦发生事故，很容易变成大型火灾等恶性事故。因此我们必须在发展之前确保安全。

北京市2021年发生的一起储能电站火灾，有两位消防员牺牲^[7]

储能长期发展的核心在于价格与质量的较量。与储能情况非常类似的中国光伏，用了20年成为世界第一。在这个过程中，既有后来的隆基，晶科等成功者，也有汉能，尚德等前车之鉴。而储能在接下来几十年的行业竞争中会是怎样的情况呢？让我们拭目以待。

Reference List

[1]. 两伊战争的直接导火索是一个激进派伊朗学生，在一次集会上扔了一颗手榴弹，炸伤了当时的伊拉克副总理，炸死了几个围观的群众。之后便是长达八年的漫长战争。伊拉克和伊朗两个国家动用了从一战战术到当时最先进的飞机，坦克和导弹在内的所有力量，到最后甚至发生了袭击城市的战争，袭击油田的战争以及袭击外国运输船只的战争，直到1988年，在双方战死数百万人之后才勉强通过了停火协议。

[2]. 国家电投和Datafountain（我国著名的数据科学平台）曾经联合举办过基于数据科学的光伏电站人工智能运维大数据处理分析竞赛。可以参考：https://www.datafountain.cn/competitions/303

这里是两篇机器学习/深度学习用于光伏发电预测的review：

[3]. Das, U. K. , Tey, K. S. , Seyedmahmoudian, M. , Mekhilef, S. , Idris, M. Y. I. , & Van Deventer, W. , et al. (2018). Forecasting of photovoltaic power generation and model optimization: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81(pt.1), 912-928.

[4]. Sivanand, R. , Singh, J. , Ali, A. , Khan, A. , & Hoda, M. F. . (2021). A comparative study of different deep learning models for mid-term solar power prediction.

[5]. 赋能地下盐穴|希望森兰助力打造超大号“绿色充电宝” https://www.gongkong.com/article/202401/105281.html

[6]. 关于光伏制氢的总结。https://zhuanlan.zhihu.com/p/566252306

[7]. https://k.sina.com.cn/article_6143128258_16e28b2c201900qfjy.html

[8]. 新基建：重点面向数字经济领域，稳步发展融合基础设施

[9]. 价值共生：数字化时代的碳中和 https://digitalpower.huawei.com/cn/activity/news/detail/1384.html

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