发布日期：2024 年 5 月 6 日
撰稿人：Alice Gomstyn、Alexandra Jonker
储能是指捕获并储存能量供以后使用。用于发电的储能解决方案包括抽水蓄能、电池、飞轮、压缩空气储能、储氢和热能储存组件。
电池是用于储存电能的最著名发明之一，其历史可追溯到 1800 年。意大利物理学家 Andrew Volta 使用一堆镍盘、锌盘和浸过盐水的垫圈来输送电流。此后大约 60 年后，法国物理学家 Gaston Planté 发明了一种采用铅和硫酸的可充电电池，即铅酸电池。
后来，到 19 世纪初，美国发明家托马斯·爱迪生发明了使用镍和铁的另一种可充电电池。加拿大化学工程师 Lewis Urry 在研究了爱迪生对锌的使用后，于 1957 年开发出了现代碱性电池的雏形。
另外两种长期使用的储能形式是抽水蓄能和热能储存。抽水蓄能是一种水力发电储能，早在 1890 年就在意大利和瑞士投入使用，随后逐渐传播到世界各地。
热能储存 (TES) 在 19 世纪初被用于为食品保鲜而设计的冰箱中。自 20 世纪初以来，现代 TES 系统一直用于帮助建筑物供暖和制冷。
储能系统中的发电量可以通过两种方式进行测量。一种是功率容量，即连续发电的最大电量，以瓦特为单位，例如千瓦 (kW)、兆瓦 (MW) 和吉瓦 (GW)。另一种是能量容量，即储存的能量总量，以瓦时为单位，例如千瓦时 (kWh)、兆瓦时 (MWh) 和吉瓦时 (GWh)。
电能储存 (EES) 系统通常用于支持电网。用于发电的储能系统包括：
抽水蓄能也称为抽水蓄能式水力发电，可以比作由两个不同高度的水库组成的巨型电池。当使用电力将水从较低的水库泵送到较高的水库时，所谓的电池就会“充电”。
当水在重力作用下被释放回较低的水库并沿途经过涡轮机时，储能系统就会“释放”电能。水流经涡轮机的运动所产生的电能被输送到电网系统。
根据国际能源署的数据，抽水蓄能是全球部署最广泛的储能技术，2020 年占全球储能的 90%。1截至 2023 年 5 月，中国已投入运营的抽水蓄能容量达到 50 吉瓦 (GW)，占全球容量的 30%，居于世界首位。2
虽然消费者常常认为电池就是为设备供电的小圆柱体，但是被称为电池储能系统 (BESS) 的大规模蓄电池装置在发电容量方面可与一些抽水蓄能设施相媲美。这些电化学储能系统的成分各不相同，可包括铅酸电池、氧化还原液流电池、熔盐电池和锂离子电池。
目前，锂离子电池在公用事业级电池存储市场上占据主导地位。截至 2023 年，全球最大的锂离子电池储存设施位于加利福尼亚州蒙特雷县，其容量为 550 兆瓦。3锂离子电池也用于电动汽车。
飞轮是用于储存动能的旋转轮。使用电力带动飞轮高速旋转可为其“充电”，而飞轮以恒定速度旋转则可储存这些能量。
飞轮储能系统 (FESS) 被认为是一种高效的能源技术，但与其他储能方法相比，其放电时间较短。尽管北美目前在全球飞轮市场占据着主导地位（纽约州、宾夕法尼亚州和安大略省都有大型飞轮储能系统），但欧洲的需求正在增长。4
该能源技术的工作原理为：利用电力来压缩空气，并将其储存在地下（通常为洞穴中）。为了发电，空气会被释放并流经与发电机相连的涡轮机。目前仅有为数不多的 CAES 工厂在世界各地开展运营，其中包括中国、加拿大、德国和美国。
热能储存 (TES) 可见于使用聚光太阳能 (CSP) 系统的太阳能热电厂中。此类系统利用聚光来加热液体，例如水或熔盐。虽然液体产生的蒸汽可立即用于发电，但也可将液体储存在储罐中供后续使用。
电力可通过电解水转化为氢气从而进行储存；即，利用电力将水分子分解为氢气和氧气。将氢气用作发电和运输的燃料时，便会释放出能量。
超级电容器是一种电化学装置，通过在充满电解质溶液的电极（电导体）上收集电荷来储存能量。它们可以快速放电，并且使用寿命很长。
美国能源部认为，由于其能量密度低、成本高以及缺乏对其优点的认识，超级电容在电力系统中并未得到充分利用。5超级电容器技术的持续创新可减少它们存在的部分缺点，并提高其采用率。
太阳能热发电厂使用的热能存储方法被称为显热存储；其中，热量会存储在液体或固体材料中。另外两种类型的 TES 则是潜热存储和热化学存储。潜热存储需在材料相变期间（例如，从固体变为液体）传递热量。热化学存储则涉及使用化学工艺来吸收热量并在后续释放热量。
除了用于太阳能发电厂外，热能储存还常常用于建筑物的供暖和制冷以及热水。使用热能储存为供暖和空调系统供电，而不是使用天然气和化石燃料产生的电力，有助于建筑物脱碳并节省能源成本。
EES 的供电时长因储能项目和类型而异。短时储能系统只能供电几分钟，而昼夜储能系统则可供电数小时。抽水蓄能、压缩空气储能和某些电池储能系统提供昼夜储能，而其他电池系统和飞轮则支持短时储能。
研究人员正努力改进能源技术，致力于让电力储存系统能够供电 10 小时或更长时间。随着更多可再生能源投入使用，这可以进一步稳定电力供应。
这种长时储能 (LDES) 的发展也得到了政策制定者的支持，西班牙、英国和美国等国家或地区纷纷制定了鼓励 LDES 项目的计划。
可再生能源是由自然资源产生的能源，其补充速度快于使用速度。
微电网是独立运行的小型电网，用于为大学校园、医院综合体、军事基地或地理区域等局部区域发电。
智能电网技术有望实现传统电力系统的现代化。
热能是指由分子和原子的随机运动在某一系统内产生的能量。
现在，全球可再生能源发电容量的扩张速度比过去三十年的任何时候都要快。
了解可再生能源的优缺点有助于组织更好地规划其部署。
脚注
1“Grid-scale Storage”（ibm.com 外部链接）。国际能源署，2023 年 7 月 11 日。
2“New pumped-storage capacity in China is helping to integrate growing wind and solar power”（ibm.com 外部链接）。Today in Energy。美国能源信息署，2023 年 8 月 9 日。
3“莫斯兰丁老电厂的拆除工作仍在继续”。（链接位于 ibm.com 以外）。Monterrey County Now, 2023 年 11 月 24 日。
4“飞轮储能市场”。（链接位于 ibm.com 以外）。Straits Research，2022 年。
5“Technology Strategy Assessment: Findings from Storage Innovations 2030 Supercapacitors July 2023”（ibm.com 外部链接）。美国能源部，2023 年 7 月。