近日，一座造型独特的电站在新疆木垒哈萨克自治县的戈壁滩上正式并网运行。

从空中俯瞰，几座白色长条形胶囊状建筑并列卧于地面，顶部标注着“中国华电”字样，旁边矗立着成片蓝白色高罐，更远处则是绵延无尽的光伏板。

这座电站的核心功能只有一个：储存电力。

新疆地区光伏与风电资源极为丰富，近年来发电量远超本地消纳能力。今年前两个月，新疆每100度光伏发电中，就有14度因无法利用而被浪费。

木垒的这座电站正是将白天的多余电力储存起来，待晚间用电高峰时再释放。据估算，该电站每年可在用电高峰期输送1.8亿度电，大致满足五万户家庭一年的用电需求。

提到储能，人们通常会联想到成排的电池组、类似放大版充电宝的设备，或是抽水蓄能电站——通过将水抽至高处储存势能。然而，这座电站既不依赖电池，也不依靠抽水，而是以二氧化碳为介质：白色胶囊内储存的是二氧化碳气体，而高罐中则装有液态二氧化碳。

那么，二氧化碳究竟如何实现储能？本文将深入解析。

01 为何选择二氧化碳

储能的核心原理类似于压缩弹簧：电力富余时，耗费能量将某种物质“压缩”储存；电力短缺时，释放其能量。

抽水蓄能压缩的是水：电力过剩时用水泵将水抽至山顶水库，需要用电时开闸放水，水流冲击水轮机发电。

电池储能压缩的是锂离子：通过化学反应，充电时将锂离子聚集至电池一端，放电时使其回流。

尽管方法各异，本质逻辑相通：先将某种物质转移至特定状态，需要时再使其恢复原状。

因此，气体同样可以充当“弹簧”。例如，给自行车打气时，人力转化为轮胎内的气压；拔掉气门芯，气体冲出可驱动风车。若将打气筒替换为电动压缩机，将风车替换为涡轮并连接发电机，便构成了一座气体储能电站。

这一原理数十年便有人尝试，但为何未能普及？原因在于空气存在两大缺陷。

首先，空气占用空间过大。即使压缩至100个大气压，其体积也仅缩减至原体积的百分之一左右，且需厚重钢罐持续承受压力。若要扩大规模，需铺设大量厚壁钢罐，成本高昂。

其次，放电过程不稳定，输出功率逐渐衰减。如同轮胎放气，初始阶段气流强劲，随后逐渐减弱，最终无法有效利用。

这正是二氧化碳的关键优势：它易于被压缩为液体。

物质的气态与液态取决于压力与温度。每种气体均有一临界温度，低于该温度时，加压可使其液化；高于该温度时，即使施加再大压力也无法液化。

空气的临界温度约为零下140摄氏度，常温下无法液化；而二氧化碳的临界温度为31.1摄氏度，常温下加压至约60个大气压即可液化。二氧化碳灭火器正是基于这一原理。

液化后，空气的两大缺陷迎刃而解。

体积问题显而易见：二氧化碳由气态转为液态，体积可缩小至原体积的数百分之一。木垒电站的每座白色胶囊内均储存有133万立方米二氧化碳气体，液化后仅需20余个高罐即可容纳。同等容积下，液态二氧化碳储存的能量是高压空气的数倍。

至于放电衰减问题：液态二氧化碳储存在罐中，只要温度恒定，罐内压力便不会显著下降。其原理与煤气罐类似，只要罐内存在液体，无论刚开启还是接近耗尽，气压均保持稳定，火苗持续平稳。应用于电站，意味着涡轮在放电过程中可稳定输出，不会出现功率衰减。

因此，原理极为简洁：气体变为液体时，能量被储存；液体恢复为气体时，能量被释放。整个过程无化学反应，不依赖特定地形，仅涉及二氧化碳的物理状态转换。相较于电池复杂的电化学体系，这是一套简单、清洁的物理方案。

02 白天的电力如何留至夜间

新疆木垒电站主要由三部分构成：5座巨型白色胶囊（储存二氧化碳气体）、141个高罐（储存液态二氧化碳），以及一座主厂房（内含压缩机和涡轮）。

清晨，随着日照增强，周边光伏板发电量迅速超出需求。压缩机启动，从胶囊中抽取二氧化碳，逐级压缩至数十个大气压，使其液化并流入高罐。气体变为液体后，体积缩小至原体积的数百分之一。

傍晚，光伏发电停止，而用电晚高峰随之到来。阀门开启，高罐中的液态二氧化碳恢复为气体，冲入涡轮驱动发电机运转。从启动到满负荷运行，耗时不足20分钟。放电过程可持续6小时以上，每晚可输送60余万度电，大致相当于6万户家庭日用电量。

推动涡轮后的二氧化碳失去能量，返回胶囊，胶囊逐渐膨胀，待次日清晨再次被抽取压缩。二氧化碳便在胶囊与高罐间循环往复，白天的电力被储存，夜间得以释放。

胶囊采用双层结构：内层为软膜袋，用于包裹二氧化碳；外层为坚固外壳，起保护作用。这层膜是该项目的关键技术难点之一：每日经历一次膨胀与收缩，30年间需反复上万次，且须保证零泄漏并控制成本。为木垒项目提供该技术的深圳公司百穰新能源，仅这层膜的研发便耗时四年，历经上千次试验。

从理论到实践，还需考虑另一个关键因素：温度。

气体压缩过程中会升温，压缩越剧烈，温度越高。柴油发动机正是利用此原理：活塞压缩空气至五六百度，喷入柴油后自行点燃。压缩二氧化碳虽不如柴油发动机剧烈，但仍会产生大量热量。电站的处理方案本质上是水冷系统：高温二氧化碳流经管道，管道外壁有水流动，热量通过管壁传递至水中，加热后的水储存于保温储热罐中。

夜间，过程逆转。液态二氧化碳恢复为气态时需吸收热量，导致自身降温。这部分冷量被用于冷却水，储存于储冷罐中，供次日冷却下一批二氧化碳使用。刚恢复的气态二氧化碳温度较低，推动涡轮的力度不足，此时白天储存的热水被用于加热气体，使其变为高温高压状态，再冲入涡轮，大幅提升推力。每一步的吸热与放热均被精心设计，展现出工程学的精巧。

03 是否优于锂电池

既然锂电池技术成熟，为何还要开发二氧化碳储能方案？

储能方案的比较复杂多样：不存在绝对最优，只有最适合特定场景的方案。例如，电动汽车动力电池价格昂贵，对安全性、充放电性能要求极高，但其高能量密度满足了移动场景的关键需求，因此消费者愿意买单。

而电网侧储能站的核心要求是廉价、耐用，体积可适当放宽。在满足场景与性能的前提下，再计算成本。

木垒电站优先追求两大指标：续航时长与使用寿命。

在同等放电功率下，若将续航从2小时延长至4小时，锂电池方案需增加电芯，而电芯是储能系统中最昂贵的部件。按今年上半年国内储能项目中标均价估算，此举将使造价增至原方案的1.8倍左右，成本几乎与容量等比例增长。

二氧化碳电站的最大差异在于，增加续航与容量的边际成本极低。其成本主要由两部分构成：主厂房内的压缩机与涡轮（负责能量转换，成本较高），以及决定容量的胶囊与罐子（增加容量仅需添加胶囊与罐子，而这正是整座电站最便宜的部件）。因此，续航越长、容量越大，每度电的平均成本越低，边际成本持续递减。

再看使用寿命。手机与电动汽车电池经历数百上千次充放电循环后，可用容量会明显衰减，这是电化学体系的固有特性。二氧化碳储能则无此问题，最多需定期检修机器、维护罐体，设计寿命可达30年以上，按每日一次充放电计算，可完成1万多次循环，理论上无衰减。

优势之外，二氧化碳电站也存在明显短板。

其显著特点是占地面积大。木垒电站占地848亩，约等于80个足球场。在土地成本高昂的地区，此类方案几乎无法实施；但戈壁滩地域开阔，正适合其布局。

另一个问题是效率一般。二氧化碳在气液转换与冷热变化过程中，不可避免地会损失部分能量，综合效率不足七成，远低于锂电池。然而，光伏弃电本身成本低廉，效率稍低亦可接受。

在类似场景下，若要实现大规模储能且要求长续航、长寿命，可与之对比的是抽水蓄能：充电时将水抽至高处，放电时水流下发电。但抽水蓄能需依赖地形落差，无法凭空建造山体水库，因此通常选址于山区，而如今适合建设抽水蓄能电站的选址已基本用尽。

由此可见，二氧化碳储能成为一块关键拼图：一种可在平地上建设的大规模低成本储能方案。木垒项目几乎集齐了二氧化碳储能所需的所有有利条件：电价低廉、土地广阔平坦、使用周期长达数十年。

展望未来，要将这一理论优势转化为产业现实，需大力扩大规模，这包含两层含义。

第一层，是扩大单体电站规模。如前文所述，负责充放电的组件基本不变，需扩大的是决定容量的胶囊。胶囊长宽高各放大一倍，表面积变为4倍，容积则变为8倍。表面积按平方增长，容积按立方增长。因此，胶囊越大，单位容量所需的膜材料面积越小。

第二层，是增加此类电站数量，扩大产业规模。目前此类项目稀少，核心设备与组件需专门设计与定制生产，上下游尚未形成规模产量。这条降本路径在中国工业体系中已屡见不鲜：光伏、锂电池均是通过订单增长、标准化生产，大幅降低成本。

能源转型是一个庞大且多元的过程。

燃油车向电动车转型，将带动储能、电机、充电设施等一系列变革；而光伏与风电的大规模应用催生了新的储能需求，也使二氧化碳储能这一原本冷门的路径，成为了产业现实。

本文源自微信公众号“酷玩实验室”，作者：酷玩实验室，36氪经授权发布。