环球科学|世界上最大的电池，是用水做的_

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你所熟知的电池，可能是手机中的锂离子电池，电瓶车中的铅酸电池，或者是在新闻上经常出现的磷酸铁锂电池等等。电池能向外输出电能，但我们却一直找不到“电池”中的“池”在哪。但如果我们采用更宏观的视角就能发现，电网用的“电池” ，真的是一个储存电能的大水池。
撰文|王昱
审校|吴非
人类最早使用的电池——伏打电池，就是用电解液将不同的金属串联起来，通过电化学反应产生电动势。这种电池使用过程中，必须有液态的电解液才能让电池稳定提供电动势，这类设备也因此得名“电池” 。后来为了方便使用，电解液被制成糊状，电池就变成了干电池。尽管现有的多数电池中并没有一个“水池” ，但电池这种叫法仍然约定俗成地流传了下来。

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伏打电堆，早期电池中的确含有液态电解液图片来源：Wikipedia
而现在，随着我们的能源结构快速向新能源转型，电网对电能储存的要求快速提升，我们需要给电网专用的电池。抽水蓄能电站就是多种电网储能技术中储能规模最大，较为成熟的一种。经过两个多世纪的发展后，电网使用的电池似乎又回归了它字面的意思——一个储存电能的水池。
真正的电池
随着新能源的快速推进，光伏和风力发电不稳定的特性让发电侧也出现了较大的储能需求，抽水蓄能电站的建设也逐渐提速。就在上个月，河北丰宁抽水蓄能电站上水库顺利下闸蓄水，很快就能投入使用。届时，它将以360万千瓦的装机容量取代300万千瓦的美国巴斯康蒂抽水蓄能电站（Bath County Pumped Storage Station），成为世界上最大的抽水蓄能电站，同时可以说是世界上最大的“电池” 。
以丰宁抽水蓄能电站为例，它拥有上下两个水库，上水库库容为5800万立方米，下水库库容为6070万立方米，落差425米。大多数抽水蓄能电站的综合效率能达到75%以上。以该电站为例，经过计算可知，上水库中每千克水平均储存了0.0009度电。虽然只有蓄电池每千克0.04度的1/50左右，但水库依然可以凭借庞大的储能规模碾压了传统的蓄电池。去年全年中国生产的蓄电池总容量2.2亿度，而当丰宁抽水蓄能电站上水库蓄满水时，蕴含的能量相当于5000万度电。仅一个水库，就接近去年全年生产蓄电池总容量的1/4 ，它年发电量能达到66.12亿度，相当于节约标准煤48.08万吨。

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丰宁抽水蓄能电站上水库大坝图片来源：新华社
抽水蓄能电站的整体结构和水电站类似，只是多了一条从下水库向上水库输水的管道和相应的水泵系统。因此，它的寿命和成本都和传统水电站看齐。水电长期以来就是主要的发电形式之一，发电成本早已经受住了考验。而规范水电的寿命往往也都很长——中国第一座水电站石龙坝水电站于1912年建成发电，至今还在使用。
抽水蓄能电站原理图。用电低谷时，电站用升降器将水从下池水库抽到上池水库；用电高峰时，将水从上池水库放到下池水库中发电图片来源：Wikipedia
抽水蓄能电站以往仅存在于大城市周围，用于平衡大城市日夜用电的巨大差异，数量较少。未来，随着建设的提速，抽水蓄能电站可能越来越被我们所熟知。目前我国在运抽水蓄能电站装机规模3179万千瓦，在建规模5463万千瓦，预期到2025年，在运装机总规模将达到6200万千瓦；到2030年，将达到1亿千瓦至1.2亿千瓦。
从“电塔”到“电轮”
电网专用的电池并不止抽水蓄能电站一种。随着新能源的发展，各种形式的储能设备也不断涌现出来，包括利用重力储电的“电塔” ，用压缩气体储能的“电气” ，还有用高速飞轮储能的“电轮”等等。
电力中， “塔”往往用于输电，但是储电也能用到塔状结构。在英国爱丁堡，一口四层楼高的竖井被改造成了重力电池。该设备可以用电网电力将50吨的配重慢慢抬起，而在外部需要电力时，它能将配重块慢慢放下稳定输出能源。这项技术并不成熟，但它相比于抽水蓄能电站的优势在于：后者对地形有较高的要求，而这种“电塔”则有望灵活部署，对地形并无太大要求。

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抽水蓄能电站对地形要求较高图片来源：Wikipedia
如果用压缩气体储存电能，则又产生了“电气” 。压缩空气储能技术能在用电低谷时将空气压缩到储气室中，将电能转化为空气的内能；在用电高峰，再将高压气体释放出来发电。这种技术储能规模仅次于抽水蓄能电站，而响应时间则比抽水蓄能电站更快。
还有用轮盘储存电能的“电轮” 。飞轮储能技术可以将电能以飞轮转动动能的形式储存起来。和其他储能系统相比，飞轮储能技术储能规模很小，但是响应很快，其用途更倾向于改善电源品质。除此之外，还有很多种不同的电网储能技术。

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飞轮储能技术示意图图片来源：Wikipedia
那电池怎么办？
电网中当然也存在直接用电池储能的电站，但相对而言成本较高，电池报废后造成环保问题也不容忽视。随着电动汽车的快速推广，动力电池的产能也在近几年飙升，动力电池的回收是一个巨大的问题。自然，电池的梯次利用被提上了日程。
“玩具车用完后，遥控器还能接着用。 ”这就是一种电池的梯次利用形式。在电动车动力电池衰减到报废程度后，虽然不满足动力电池标准，但仍然有机会让储能电站来使用。但理想很丰满，现实却又那么骨感。电池本身是含能材料，如果没有合适的安全管理措施，污染、起火甚至爆炸的风险都时刻存在。就在前天，国家能源局发出征求意见稿，指出在电池一致性管理技术取得关键突破、动力电池性能监测与评价体系健全前，原则上不得新建大型动力电池梯次利用储能项目。
所以当前，对电网储能的需求而言，反而是抽水蓄能电站这种“电池”更加可靠。从18世纪末现代电池被发明以来，人类兜兜转转又反了回来，电池又变得“名副其实” 。只不过经过两个多世纪的发展，池子中从重污染的电解液变成了清澈的水，人类也渐渐学会如何与自然和谐共生。
主要参考论文：
刘英军，刘畅，王伟，胡珊，郝木凯，徐玉杰，刘嘉，吴艳。储能发展现状与趋势分析。中外能源， 2017 ， 22（04）：80-88 。
主要参考链接：
http://www.xinhuanet.com/power/2021-05/24/c_1211169296.htm
【环球科学|世界上最大的电池，是用水做的】https：//www.sciencemag.org/news/2021/04/gravity-based-batteries-try-beat-their-chemical-cousins-winches-weights-and-mine-shafts

环球科学|世界上最大的电池，是用水做的

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