大规模蓄能是一件很困难的事情。比如将一百万千瓦一天的能量储存起来,需要60万吨铅酸电池,或12万吨钠硫电池,或15万吨锂电池,或9000万吨水提升100米。可是2012年中国电力装机已经有11亿千瓦,用电量已经达到5万亿度。假定三维城市时代,主要依靠太阳能和风能,电能蓄存能力需要达到一年总用电量的十分之一,也就是相当于存储5000亿度电。如果用最经济的铅酸蓄电池,需要180亿吨。全世界一年铅酸蓄电池的产量才450万吨,并且已探明铅矿储量只有8500万吨。如果使用锂电池,情况更不乐观。储存5000亿度电至少需要20亿吨锂电池,而全球锂产量只有3.4万吨(锂电池重量跟用到锂的重量不是一回事)。需要几十万年才能把那么多锂开采出来,但锂在全世界的探明储量只有1300万吨。这里还没有讨论它们的成本和充放电次数。所有的电化学电池,在大规模储能方面都有同样的问题。也就是说,如果希望用化学电池的方式实现大规模蓄能,以调节风能和太阳能的输入输出,是不可能实现的,百分之一也实现不了。
目前成熟的大规模蓄能手段只有抽水蓄能电站。抽水蓄能电站已经有很多的工程上的例子,主要用途是电力消费的调峰填谷。储存5000亿度电需要多少水呢?大约需要将1万亿吨水提升200米,也就是将长江入海口一年流量的水提高200米。如果把这些水覆盖江苏,浙江,安徽,福建四个省,可以达到10米深。普通的抽水蓄能电站一般只有几千万立方米,不到这一数字的万分之一。所以抽水蓄能也不可能实现如此规模的蓄能。
百分之十年总用电量的储能量,是一个比较合适的估计数字。如果只考虑昼夜的差别,那么只需要存半天。但是风能和太阳能都有季节因素,有可能十天半个月发不了什么电。如果还有其它能源作补充,这一比例还可以低一些。
那么,有什么技术可以实现大规模的蓄能呢?其实还有一种技术,就是压缩空气蓄能,可以满足间隙性可再生能源的大规模蓄能要求。300大气压的压缩空气可以实现每公斤500千焦耳或者每升170千焦耳的储能能量密度,按质量计与锂电池相差不远,按体积计只有锂电池的四分之一。但是空气本身并没有成本,成本来自容器。如果使用高压罐,大约每0.5公斤罐体材料可以提供1升的容积。这样按罐体材料质量计算的能量密度,大约是锂电池的一半。但是锂电池的价格很高,高压罐的罐体材料是普通的钢材或者铝材(作为内胆),加上外层加固用的碳纤维或者玻璃纤维。这些材料成本价格大约是10元人民币左右1公斤,只有锂电池的几十分之一。考虑到高压罐的使用寿命一般是20到30年,远长于充电电池的寿命,作为存储介质,高压气罐的成本应该在电化学电池的百分之一以下。
对于压力容器,最关键的指标是罐体材料的抗拉强度。几乎任何材料拉成细丝后,抗拉强度都非常高。抗拉强度越高,需要的材料就越少,罐体的安全系数也越高。普通结构钢的抗拉强度只有3000大气压左右,高强度钢能达到7000,但玻璃纤维能达到40000,碳纤维能达到60000左右。玄武岩是地球上最常见的一种岩石之一,储量极其丰富。把它融化后制成丝,抗拉强度也能达到四五万大气压。
压缩空气蓄能是非常有前途的大规模蓄能方案,但是尚未形成产业,相关研究也还很不够。国际上,已经一些公司开发出小规模的产品,可以实现很高的充放能效率。
压缩空气除了直接蓄能以外,还可以实现很多看起来不太可能实现的功能,比如充放能效率超过百分之百,也就是充进去1度电,放出来超过1度电。有两种方法可以实现这一点。一是在寒冷的地方压缩,然后再炎热的地方膨胀做功,由于内能和气体的绝对温度成正比,如果在0度左右的高原压缩空气,在27度左右的城市环境中膨胀空气,空气的能量就会多出10%。还有一种方式是利用高度差,比方在海拔1550米左右的高原(风能集中地区)压缩空气到200大气压,再用管道将压缩空气传送到在海拔50米左右的城市,压缩空气气压自然会上升到250大气压左右,因为压缩空气很重,在联通的管道里,底部压强大,顶部压强小。这样又可以得到额外的一些能量。这些能量来自高原空气本身的势能。相对同一地点的压缩空气蓄能,高原压缩,低海拔地区利用,可以不费代价地多得到温度差,势能差,压强差三份能量(有重复计算)。
如果使用300大气压的压缩空气,同样储存5000亿度电,大约需要100亿立方米的高压容器,折合钢材、玻璃纤维等材料为50亿吨。虽然这也是一个很大的数字,但是钢材、铝、玻璃、还有玄武岩等,都是很平凡的资源,根据我们前面对各种资源的分析,在几十年的范围内,并不很难实现。而电化学方法和抽水蓄能在几十年内都是不可能做到的。
100亿立方米300大气压的空气,放出来大约等于30000亿立方米,重约40亿吨,略不到地球空气总量的百万分之一,因此基本不会影响地球大气的功能。在全球变暖的场景下,少一些空气有助于降低地球表面温度,能够缓解全球变暖,但是幅度很小。
大规模蓄能技术与三维城市关系不是很大,但是与未来大规模利用可再生能源关系很大。如果没有大规模蓄能,风能和太阳能等可再生能源的利用率很难超过20%。一旦实现了大规模蓄能,就可以百分之百地使用可再生能源。
三维城市每天要消耗很多电。这些电最后都会变成热,需要靠空气管理系统排出城市。等温压缩空气蓄能,在压缩的时候排出热量,发电的时候吸收热量。如果直接在三维城市里利用压缩空气发电,则电总的热贡献是零。也就是电发出的热都被发电机吸收了,这样可以大幅降低排热系统的功率。另外,在高原或者沿海压缩的空气,直接排放到三维城市里面,也可以改善城市的空气质量。
除了大规模蓄能以外,三维城市里,普通设备的蓄能要求并不是很强。因为一直都在室内,可以随时充电。没有电动汽车的需求,但是有电动代步工具的要求。由于旅行距离短,普通的蓄电池足够了。
对于平时在室外道路上运行的电动汽车和电动自行车,充电非常不方便。三维城市的代步工具本来就在室内使用,充电很方便。
三维城市之间采用高效的轨道交通,城市内采用大量的电梯。这些交通方式如果考虑蓄能的话,能量的消耗还可以大幅降低。比如电梯,每天上上下下,平均下来并不做功。如果我们让下的电梯拉动上的电梯,不需要消耗什么能量。可以设计出电梯的能源回收方案,下的时候(其实是减速或者匀速下降的时候)发电,存起来,上的时候用。如果再在很多电梯间调度,下降的电梯发电,上升的电梯用电,只是不匹配的时候才把电存起来或者从外界取电,这样就可以节省大量电能,也不需要很多蓄电池。
三维城市之间的轨道交通也是类似的,加速的时候用电,减速的时候发电,同样可以节约很多能源。
其实现在的轨道交通,特别是地铁就是这样工作的。地铁从一站到另一站纯粹消耗在动力上的能源非常少,甚至不如该地铁列车在空调和照明上用的电量大。转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自雷奕安科学网博客。
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