今年夏天,四川各地持续⾼温,电⼒供需紧张形势进⼀步加剧。在⼤家的印象⾥,四川⽔资源丰富,拥有多座巨型⽔电站,⽔电装机容量和发电量均居全国第⼀的⽔电⼤省,为何会在夏季出现电⼒缺⼝?今年极为异常的⾼温⼲旱,是最主要的直接原因。严峻的⾼温⼲旱灾害性天⽓,让四川⾯临历史同期最⾼的极端⾼温、历史同期最少的降⽔量、历史同期最⾼的电⼒负荷三“最”叠加的局⾯。现代⼈的世界,离不开电。
电能作为现代社会的运⾏基础,⼴泛应⽤于⽣产⽣活的各个领域。发电站将⻛能、⽔能、煤炭中贮存的化学能等类型的能量转换为电能,利⽤电⽹传输到千家万户,⼈们再按照⾃⼰需求将电能转换成别的能量。举个例⼦,远⽅的发电站⽣产出的电⼒传输到你家⾥,你再⽤电来照明(电能转换成光能),做饭(电能转换成热能),洗⾐服(电能转换成机械能)。⽬前的发电模式有⼀个很重要的特点:消耗多少就⽣产多少。
发电⼚的发电功率是根据电⽹另⼀端的⽤电功率实时调整的,到晚上⼤家要开灯了,发电机的发电功率会根据电⽹的参数实时调整,发电功率和⽤电功率处在⼀个动态的平衡当中。四川省内的电站,采⽤⽔利发电的装机量是总发电装机量的百分之⼋⼗⼆,⽽径流式⽔电站(河⾥流过多少⽔就发多少电,没有存⽔的⽔库)⼜占到⽔电总装机的百分之六⼗。⽔利发电站的发电功率受制于河流⽔量的⼤⼩。
丰⽔期⽔流较⼤,⽔电站如果将流过的⽔全部⽤于发电,电量消耗不完,因此出现了能量多余,只能将⼀部分⽔直接放⾛。⽽在枯⽔期,⽔流太⼩,将所有流过的⽔⽤于发电也⽆法满⾜电⼒需求,导致能量缺乏。径流式⽔电站在实际运⾏时,不可避免地会遇到以上两种情况,导致发电能⼒有时候被浪费了,有时候⼜不能满⾜⽤电需求。
我国的电能输送技术⽬前可以说是蓝星最强,在电⽹的设计初期,会考虑到各地的⽤电量需和发电站的发电功率,规划合适的布局,尽可能最⼤化的利⽤发电站的发电能⼒,减少能源的浪费。然⽽,要是遇到⼏⼗年⼀遇的极端情况的话,设计的电⽹也会有没能⼒招架的时候。当电⽹没能⼒招架了怎么办?这时候就需要储能设施出场救急了。储能设施是⼲什么的呢?
打个⽐⽅,它相当于⼀个⼩⾦库,把平时多出来的电能存到储能设施⾥,有需要的时候再取出来⽤。这样才是能量利⽤率最⾼的解决办法。储能系统种类繁多,各有特⾊,主要有抽⽔蓄能、⻜轮储能、压缩空⽓储能、电化学储能、超级电容器储能。
⽬前世界上装机容量最多的电⽹储能设施是抽⽔蓄能电站,在⽤电低⾕时,抽⽔蓄能电站利⽤⽹的多余发电量,将⽔从低处的⽔库抽取到⾼处的⽔库储存起来;到⽤电⾼峰期时,再利⽤抽到⾼处⽔库中的⽔进⾏发电。这样⼀来,平时多余的电能让抽⽔蓄能电站储存起来,在发电站⽆法满⾜⽤电需求时,再由抽⽔蓄能电站发电,分担发电站的压⼒。⻛⼒发电和太阳能发电的发电功率波动很⼤,⽽且很迅速。
⻛刮⼀会⼉停⼀会⼉,或是云朵把太阳遮了⼀会⼉,两者的发电功率跟过⼭⻋似地波澜起伏。这也是现在的⻛⼒发电和光伏发电能量利⽤率不⾼的重要原因,波动太快导致电⽹⽆法承受。有效提⾼这些电能利⽤率的办法,也是建造储能设施。在发电功率冗余的时候把电能存起来,然后发电功率不⾜时辅助放电,把发电功率给“熨平”,这样电⽹才能承受。抽⽔电站能胜任这个⼯作吗?
不⾏,对于光电和⻛电来说,抽⽔蓄能电站的反应速度总是“慢半拍”,没办法满⾜要求。抽⽔蓄能电站储备能量通常需要⼏天的时间,⽽且建设抽⽔蓄能电站对环境的要求也⽐较⾼。因此⽬前的抽⽔蓄能电站⼏乎都⽤于在电⼒系统处于较⼤载荷时分担发电压⼒。化学电池⽬前最有希望满⾜上述要求,化学电池的充放电切换迅速,反应极快。⽣活中最常⻅的储能设备就是化学电池了。手机、平板、电动汽⻋的储能设备都是化学电池。
不过电池的性能虽好,⼤规模使⽤还是会⾯临成本问题。以平时使⽤的⼿机充电宝为例,在不考虑损耗的理想情况下,需要7.5个容量⼀万毫安时的充电宝才能存下⼀度电。这还是使⽤了能量密度很⾼(当然,价格也很感⼈)的锂离⼦电池的情况下。摩尔定律是英特尔创始⼈之⼀⼽登·摩尔的经验之谈,其核⼼内容为:集成电路上可以容纳的晶体管数⽬在⼤约每经过18个⽉到24个⽉便会增加⼀倍。
换⾔之,处理器的性能⼤约每两年翻⼀倍,同时价格下降为之前的⼀半。在电池⾏业,这句话可以这么说:⼤约每两年电池能量密度翻⼀番,或是同等的能量密度下价格降低⼀半,当然,这在电池⾏业简直是天⽅夜谭。锂离⼦电池产业发展⼆⼗多年来,⼀直集中在通信、消费电⼦以及电动汽⻋⾏业,在应⽤规模更⼤的储能电池⾏业,由于锂电池的成本⾼、且难以应对穿刺、冲撞以及⾼低温等特殊环境,⼤规模储能电池的应⽤始终停留在实验阶段。
电池技术的发展,还有很⻓的路要⾛。⽬前,国内外储能技术的主要研究⽅向都是电化学储能,⼀些新技术在实验室阶段也取得了可喜的进展。不过,新技术从实验室⾛向实⽤阶段,还有很远的路要⾛。当储能技术和输电技术发展到⼀个全新的⽔平时,我们有望摆脱对化⽯能源的重度依赖。每⼀次能源⾏业的重⼤进展,都将⼈类带到了⼀个全新的发展阶段,未来会是如何,技术的进步会给我们这些普通⼈的⽣活带来什么样的变化呢?让我们拭⽬以待。