1.5 发展历程

1.5.1 人类社会中的储能

储能伴随了人类对于能量应用的全部探索进程。储能的本质在于实现能量的供需均衡，保证人类在需要时能够稳定地获取充足的能量。自人类首次点燃篝火以来，对于存储能量方式的探寻就没有停下过脚步。我们的祖先运用木柴维持火焰的持续燃烧，或利用天然材料为食物保温，展现了对储能的初步探索。存储能量的探索与人类的能源发展史是息息相关的。

1.原始能源时代（70万年前）

早在距今150万年前，人类就学会并掌握了使用天然火种，这一时期，人类主要依赖自然界直接提供的能源，如火、阳光、风和水流等。这些能源具有以下几个特点：①这类能源均属于自然界中可直接获得的能源，无需转化；②能源本身具备时效性，无法随时获得，如阳光、风力、水流等能源依赖于自然界的条件；③能源本身具备波动性，风力和水流等自然力量是不可预测的，因此它们的能量输出也会随时间变化而波动；④能源无法长期存储，也没有相应的存储技术。因此，人类只能实时地获取和使用这些能源，无法提前规划或储备。

2.第一次能源革命（70万～12万年前）

第一次能源革命的里程碑事件是人工取火和火种保存技术的出现，人工取火出现的时间距今70万～12万年。人类从此开始掌握更高效、更可控的能源利用方式。这使得人类有能力存储能源，并更好地控制能源的使用。最初，存储能量的方式主要是存储可燃物，如薪柴、煤炭等，以便在需要时随时提取。尽管人类在能量存储方面取得了一些进步，但能量的热能和光能需求仍然无法被长期存储。这是因为热能和光能是自然界的普遍现象，它们产生和消失的速度非常快，无法被长期存储。尽管如此，存储的生物质能源仍在一定程度上提高了人类的生存质量，并为农业活动的开展提供了基础。

3.第二次能源革命（18世纪60年代）

随着人类文明的发展，第二次能源革命与工业革命相伴到来。第二次能源革命可以分为两个阶段，第一阶段起始于18世纪60年代，主要的里程碑事件是瓦特蒸汽机的发明与运用，促进了人类社会的生产效率大大提高。随着大量蒸汽机的制造与使用，作为这时期唯一的能源，煤炭的供给能力与需求水平也大幅提升，化石能源取代生物质能成为人类的首要能源。第二阶段起始于19世纪80年代，内燃机、汽轮机的出现，使石油、天然气等其他化石能源走上舞台。第二次能源革命改变了人类的能源结构和能源利用方式，给人类社会带来了巨大影响。储能对象与方式也进一步发生改变。第二次能源革命的两个阶段，主要区别在于能源的种类以及能量转换效率的提升，从能量转化方式以及步骤来讲，并不存在太大的区别。

第二次能源革命后，储能对象从简单的生物质能转变为化石能源，采集与存储方式也变得更为复杂。能量的使用也需经过多道程序。化石能源需要通过燃烧转变为热能，再进一步通过烧水转变为水蒸气的内能，进而推动汽轮机产生机械能。用能方式的改变也进一步推动了能源存储方式的改变。煤炭、石油、天然气等的存储方式根据各自特性均不相同，受限于科学技术发展，这一时期储能仍然存在大量问题无法解决。

4.第三次能源革命（19世纪60年代）

随着电力的出现，人类社会迎来了第三次能源革命。电能具备更为广泛的能量转换潜力，逐步取代热能，成为人类生产生活中使用最为广泛的能量形式。正是因为电能具备足够广泛的能量转换潜力，人类开始探索如何能够将电能暂时性转换为其他能量形式进行存储。第三次能源革命存在三个阶段。第一个阶段起始于19世纪60年代，里程碑事件为火力发电机的发明。在这一时期，火力发电机主要依托于蒸汽机作为动力源，带动转子进行发电。这标志着人类进一步拓展了能量转换方式，将热能进一步转化为电能。第二阶段起始于1882年，里程碑事件为美国威斯康星州的福克斯河上建成了世界上第一座水电站，标志着人类首次拉开水力发电的帷幕。此外，人类通过水电技术的逆向化，第一次尝试将转化后的能量进行有目的性、大规模、主动的存储，通过水力发电的逆向推导，开发出了人类历史上第一种真正意义上的大规模、有效的能量存储模式——抽水蓄能，并于1882年在瑞士苏黎世建设了世界上第一座抽水蓄能电站。我国第一座水电站——石龙坝水电站建成于1912年，位于云南省昆明市螳螂川上游，落差15m。第三阶段起始于1954年，贝尔实验室第一次制造出单晶硅光伏电池，标志着人类第一次通过可再生能源产生了电能。在光伏之后，人类又开发出了风能、地热能等新能源。这一阶段探索出的新能源，与传统化石能源相比，具备以下特点：①新能源是自然界能够直接获取的能源，获取方式简单；②新能源是可再生的，资源丰富；③新能源分布广泛，任何地区都可获取。能源发展新时代起始于2020年，随着地球环境问题的不断恶化，新能源的快速发展成为这个时代最突出的标志。2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，标志着储能发展新时代开启。中国光伏发电量从2014年的251亿kWh提高至2023年的2940亿kWh；风力发电量从2014年的1534亿kWh提高至2023年的8090.5亿kWh。以清洁能源为核心的新型能源体系在逐步建立。随着可再生能源技术的发展和普及，电力系统改革逐渐成为全球能源转型的重要方向之一。2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议提出构建以新能源为主体的新型电力系统，为新时代能源电力发展指明了科学方向，也为全球电力可持续发展提供了中国方案。

表1.5-1总结归纳了人类社会储能形式变化的演进过程。

表1.5-1 人类社会储能形式变化时间表