官方网站-首页

【导语】在数字化时代，手机已成为我们日常生活的(de)必(bì)需(xū)品(pǐn)，而(ér)充(chōng)电(diàn)宝(bǎo)则(zé)是(shì)确(què)保(bǎo)手(shǒu)机(jī)不(bù)断(duàn)电(diàn)的(de)得(de)力(lì)助(zhù)手(shǒu)。但(dàn)你(nǐ)知(zhī)道(dào)吗(ma)？电(diàn)网(wǎng)也(yě)有(yǒu)它(tā)的(de)“充(chōng)电(diàn)宝(bǎo)”——压(yā)缩(suō)空(kōng)气(qì)储(chǔ)能(néng)电(diàn)站(zhàn)，被(bèi)形(xíng)象(xiàng)地(de)称(chēng)为(wèi)“空(kōng)气(qì)充(chōng)电(diàn)宝(bǎo)”。这(zhè)些(xiē)电(diàn)站(zhàn)通(tōng)过(guò)压(yā)缩(suō)空(kōng)气(qì)来(lái)储(chǔ)存(cún)电(diàn)能，为城市用电高峰期提供稳定的电力支持(chí)。本(běn)文将(jiāng)深(shēn)入(rù)探(tàn)讨(tǎo)压(yā)缩(suō)空(kōng)气(qì)储(chǔ)能(néng)电(diàn)站(zhàn)的(de)工(gōng)作(zuò)原(yuán)理(lǐ)、建(jiàn)设(shè)意(yì)义(yì)以(yǐ)及(jí)与(yǔ)其(qí)他(tā)储(chǔ)能(néng)技(jì)术(shù)的(de)对(duì)比(bǐ)，带(dài)您(nín)一(yī)窥(kuī)未(wèi)来(lái)能(néng)源(yuán)存(cún)储(chǔ)的(de)新(xīn)趋(qū)势(shì)。

手(shǒu)机(jī)是(shì)我(wǒ)们(men)日(rì)常生活中必不可少的用品，娱乐、办公(gōng)、消(xiāo)费(fèi)都(dōu)少(shǎo)不(bù)了(le)它(tā)。为(wèi)了(le)避(bì)免(miǎn)手(shǒu)机(jī)没(méi)电(diàn)，或(huò)者(zhě)没(méi)地(de)方(fāng)充(chōng)电(diàn)的(de)问(wèn)题(tí)，很(hěn)多(duō)人(rén)出(chū)门(mén)时(shí)都(dōu)会(huì)带(dài)上(shàng)充(chōng)电(diàn)宝(bǎo)。

但(dàn)你(nǐ)知(zhī)道吗？其实，不只手机需要充电宝，电网也需要充电宝。当整座城市处在用电高峰期时，电网就像一部耗电迅速的手机，而有着“空气充电宝”之称的压缩空气储能电站可以为电网及时充电。

国际首套百兆瓦先进压缩空气储能示范电站

图源：国家科技传播中心

01、空气为什么可以储电？

压缩空气储能电站，顾名思义就是通过压缩空气来储存电能的。它在电网负荷低谷期压缩空气，储存多余的电能，然后在用电高峰期释放电能，从而达到平衡电网负荷的作用。压缩空气储能电站的运行过程可以分为能量储存和能量释放两个阶段[1]。

能量储存

1）压缩空气

能量储存阶段，压缩空气储能电站利用电网负荷低谷期多余的电，或者风能、光伏发电中产生的弃风电、弃光电，通过电动机驱动压缩机工作，压缩空气。

根据能量守恒定律（热力学第一定律），系统（此处指空气）内能的增加（△U）等于系统与环境交换的热量（Q，吸热为正值，放热为负值）和环境交换的功（W，环境对系统做功为正值，系统对环境做功为负值）的总和。即：△U=W+Q

因此，在压缩空气的过程中，电能转化成了压缩空气内能和势能，使空气的温度和压力提高。

2）储存热量

压缩空气过程中产生的内能（我们通俗意义上讲的“热量”）被存储在储热装置的换热介质中。这部分的能量可以在能量释放时传递给空气，使空气温度升高。

3）储存空气

压缩后的高压空气被储存在具有良好密封性和耐压性的储气设施中。按照材料属性，储气装置可以分为天然地下洞穴储气、人造洞室储气、金属材料储气以及复合材料储气等类型[2]。

盐穴压缩空气储能

图源：金坛科普

能量释放

1）加热空气

当需要发电时，储热装置中的高温换热介质会加热储气设施中的空气，使空气的温度升高。

2）发电

加热后的空气发生膨胀（热胀冷缩现象），在膨胀机中膨胀做功，驱动涡轮机旋转。此时，压缩空气的内能和势能被转化为机械能。发电机通过电磁感应将机械能转化为电能，经由变压器升压后，通过输电线路输送到电网中。

压缩空气储能电站的工作原理

图源：央视网

02、为什么要造“空气充电宝”？

对于发电单位而言，空气压缩储能电站可以解决风能、太阳能等可再生能源发电的间歇性、不稳定性的问题，提供稳定的电力支撑[3]。对于用户而言，可以在用电高峰期享受到平稳的电能，再也不用担心因为供电紧张而突然断电。

除了能够实(shí)现(xiàn)调(diào)峰(fēng)填谷之外，相比于其他储能技术，空气压缩储能使用的是取之不尽用之不竭的空气，因此使用成本低，环保无污染。不仅如此，它的使用寿命长，可达30-50年(nián)[4]，被(bèi)认(rèn)为(wèi)是(shì)最(zuì)具(jù)发(fā)展(zhǎn)潜(qián)力(lì)的(de)大(dà)规(guī)模(mó)物(wù)理(lǐ)储(chǔ)能(néng)技(jì)术(shù)[2]。

目(mù)前(qián)，我(wǒ)国(guó)已(yǐ)布(bù)局(jú)多(duō)个(gè)压(yā)缩(suō)空(kōng)气(qì)储(chǔ)能(néng)电(diàn)站(zhàn)。2024年(nián)4月(yuè)，位(wèi)于(yú)山(shān)东(dōng)肥(féi)城(chéng)的(de)300MW/1800MWh压(yā)缩(suō)空(kōng)气(qì)储(chǔ)能(néng)示(shì)范(fàn)项(xiàng)目首次并网发电成功。该储能电站可实现连续放电6小时，年发电约6亿度，属于国际领先水平[5]。

山东肥城300MW先进压缩空气储能国家示范电站

图源：新华网

2024年12月，位于江苏常州的华能金坛盐穴压缩空气储能发电二期项目正式开工建设。该项目的核心设备100%国产化，充电一次可以储存280万度电，能满足10万辆新能源汽车的充电需求，年发电量将达到9.24亿度[6]。

图源：央视网

03、还有哪些储能技术？

储能技术根据其原理可以分为物理储能和化学储能两大类。

物理储能通过物理过程存储能量，不涉及化学反应，具有环境友好、寿命长、储能规模大等特点，但能量密度低、受地域限(xiàn)制(zhì)。压(yā)缩(suō)空(kōng)气(qì)储(chǔ)能(néng)便(biàn)是(shì)物(wù)理(lǐ)储(chǔ)能(néng)的(de)一(yī)种(zhǒng)形(xíng)式(shì)，常(cháng)见(jiàn)的(de)还(hái)有(yǒu)抽(chōu)水(shuǐ)蓄(xù)能(néng)的(de)方(fāng)式(shì)，也(yě)就(jiù)是将电能以水的重力势能的形式储存起来，用电时开闸放水，将重力势能重新转化为电能。

江苏常州的一个抽水蓄能电站图源：新闻联播
化学储能通过化学反应存储和释放能量，以锂离子电池和液流电池为代表的化学储能技术具有能量密度高、灵活性强等特点，近年来逐渐受到重视，但是使用寿命有限，具有一定的安全性问题。

锂离子电池依靠锂离子在正极与负极之间的往返运动工作[7]。充电时，锂离子从正极材料中脱出，通过电解液迁移到负极，并嵌入到负极中。同时，电子通过外部电路从正极流向负极，与锂离子结合。该过程涉及电能到化学能的转化(huà)。放(fàng)电时，锂离子从负极迁移到正极，电子也流向正极。此时化学能转化为电能释放。

锂离子电池放电与充电过程的工作原理

图源: 科技导报

液流电池通过电解液在正负极之间的流动来存储和释放电能[8]。与锂离子电池不同的是，液流电池的电解液通常储存在外部储罐中，通过泵送系统循环使用。在充电过程中，电能转化为化学能储存起来。放电时，储存在电池中的化学能以电能形式释放。

钒基液流电池的工作原理

图源：berconsulting.com

无论是压缩空气储能在内的物理储能，还是锂离子电池在内的化学储能，所谓的“储存电能”就是将电能转化为其他形式的能量储存起来，使用时再转化为电能，从而实现能源的最大化利用。

参考文献

[1] OLABI A G, WILBERFORCE T, RAMADAN M, et al. Compressed air energy storage systems: Components and operating parameters – A review [J]. Journal of Energy Storage, 2021, 34.

[2] 郭丁彰, 尹钊, 周学志, et al. 压缩空气储能系统储气装置研究现状与发展趋势 [J]. 储能科学与技 术, 2021, 10(5).

[3] MAHMOUD M, RAMADAN M, OLABI A-G, et al. A review of mechanical energy storage systems combined with wind and solar applications [J]. Energy Conversion and Management, 2020, 210.

[4] 新浪财经. 上市公司布局“空气充电宝” 压缩空气储能技术步入发展快车道[EB/OL].(2025-1-7)[2025-1-24]. https://finance.sina.com.cn/roll/2025-01-07/doc-ineecwet2068162.shtml

[5] 央视网. 国际领先！我国这一新型压缩空气储能电站首次并网发电成功[EB/OL].(2024-4-30)[2025-1-24]. https://news.cctv.com/2024/04/30/ARTIk1gL9bjDlhiZ1T97cJrB240430.shtml

[6] 常州市科学技术局. 世界最大压缩空气储能电站——华能金坛盐穴压缩空气储能发电二期项目开工[EB/OL].(2024-12-19)[2025-1-24].

https://kjj.changzhou.gov.cn/html/kjj/2024/MHFDIKKN_1219/46945.html

[7] GOODENOUGH J B, KIM Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries [J]. Chemistry of Materials, 2009, 22(3):587-603.

[8] SOLOVEICHIK G L. Flow Batteries: Current Status and Trends [J]. Chemical Reviews, 2015, 115(20):11533-11558.

作者：张嘉韵，复旦大学材料科学系直博生，研究方向为锂离子电池正极材料

策划&编辑：小叮当

鸣谢：苏州科技大学材料科学与工程学院 教授 马汝广 为本文提供科学指导。