二氧化碳通常作為發電的副產品排放，有時候發電情況也會用排放多少二氧化碳來衡量。

以美國為例，2022年他們國家每發一度電大約會有0.86磅（1磅約等于453.6克）的二氧化碳排放量[1]。

圖源：參考1（AI翻譯）

煤電的二氧化碳排放量是所有發電形式中第二多的，達到2.3磅每度，僅次于石油的2.38磅每度，但是石油很少直接用于發電，而煤基本都是用來發電的，每個國家的電網都有較高比例的煤電裝機容量。

現在，中國煤電的裝機容量占總容量的40%不到點（實際發電比例要比這個高），這個比例在這幾年算是下降很多了，但比起美國依然還是高的。

所以，實際上咱們國家平均每發1度電的二氧化碳排放量比美國還要高（因為煤電比例高）。

然而，很多人可能不知道，二氧化碳也可以被收集起來用于發電，它是很好的充電電池材料，能夠儲存電能，并在需要的時候釋放這些電能。

圖：手機鋰電池

二氧化碳電池如何工作？

關于充電電池，很多人都會想到鋰電池、納電池等化學電池，應該很少有人會想到二氧化碳，但科學家確實找到了方法，而且已經得到應用。

鋰電池或者納電池是通過材料的氧化還原反應來實現電能的存儲和釋放，但是二氧化碳電池有著完全不同的電能儲存和釋放方式——它利用的是二氧化碳超臨界流體的奇特物理性質。

當二氧化碳超過一定溫度和壓力——即31.1°C和7.39 兆帕時，二氧化碳就會變成超臨界狀態，在這種狀態下，它可以像氣體一樣膨脹，但仍具有液體的密度。

實際上在這種狀態下它可以像其它液體一樣溶解一些物質，咖啡中的咖啡因很多時候就是通過超臨界二氧化碳溶解的。

圖：二氧化碳電池的工作原理，右邊是二氧化其它，而左邊三個管是儲存二氧化碳液體

當然，要利用它發電或者釋放電能的話，利用的是它在膨脹時保持的高密度，這樣就可以將它泵送過渦輪，并驅動渦輪旋轉，從而發電[2]。

放電過程解決了的話，那么如何充電呢？

這個也很簡單，就是讓它達到超臨界的溫度和壓力就可以了，這個溫度幾乎就是常溫了，所以充電時基本只要將電能轉化為壓力就好了。

二氧化碳電池的優缺點

實際上，利用超臨界二氧化碳發電并不是什么新鮮事，它一直被提出，并已經發展為各種發電方式中蒸汽的可靠替代品——主要包括核能和聚光太陽能。

但是，就像我們看到的那樣，很多人并不熟悉，這是因為它確實有一些缺點，沒法廣泛應用。

首先，從二氧化碳的發電原理，我們就可以知道這種電池根本無法像鋰電池、納電池那樣是模塊化，可以做成各種形狀各種大小。

由于膨脹后變成二氧化碳氣體，它需要一個相當大的空間來儲存這些二氧化碳，所以它根本就無法像鋰電池、納電池那在普通老百姓身邊得到廣泛應用。

另一方面，它的往返效率其實并不高，大約75%前后，也就是1度電給它充電話，它只能釋放出0.75度電。

作為對比，鋰電池往返效率可以達到85%（化學電池是目前往返效率最高的儲能方式）[3]。

不過，二氧化碳電池也是有自己的優點。

二氧化碳電池和鋰電池的對比，圖源：參考3

首先，它是用環保的、取之不盡的工業廢料——二氧化碳，這相比于鋰電池就好太多了，鋰資源并不算豐富，不過納相對好一點。

其次，二氧化碳電池的往返效率不會隨著時間推移而降低，30年以上它依然可以保持在75%左右的效率，但是像鋰電池這樣的化學電池，它隨著時間推移效率會顯著下降，兩三年可能就大不如從前。

另外，二氧化碳電池的放電深度在所有條件下幾乎都是100%，而化學電池并不是如此，化學反應因受到各種因素影響，放電深度會出現顯著變化。

最重要的是，二氧化碳電池的造價成本比化學電池要低一點，如果以存儲相同電量來比較的話，每度鋰電池的造價是二氧化碳電池的1.7倍左右。

其實，從二氧化碳電池的優缺點來看，它并不適合作為普通的家用電池，但它非常適合作為電網中的儲能電站。

圖：豐寧抽水蓄能電站

儲存電力有多重要？

在河北省承德市的豐寧山上，有一座特殊的水電站，它建在山頂，平時要用電抽水上去灌滿水庫，然后在放水到下一個水庫發電。

這個水電站就是豐寧抽水蓄能電站，它是本世紀人類建造的最大抽水蓄能電站，總投資達到192.37億元，上水庫總庫容達到4504萬立方米。

由于用電抽水，再放水發電，這個過程是有能量損耗的，所以很多人想不明白為什么要做這種虧本的買賣。

其實，原因很簡單，國家電網的電是發多少必須用多少，不然發電站是要過熱甚至燒毀掉的。

所以就需要這種儲能電站，在發電量多到用不完的時候，就把電導給儲能電站儲能，而在發電量不足的時候，就將儲能電站的電釋放出來，豐寧抽水蓄能電站就是這種，它的本質也是一個“充電電池”，充電就相當于將電能轉化為重力勢能。

隨著碳中和的相關規定，各個國家清潔能源——如風電站、太陽能的裝機容量變得越來越多，但是這些發電站是靠天吃飯的，并不能人為控制時時刻刻的發電量。

二氧化碳儲能電站的模擬圖，圖源：參考3

所以，隨著這些不穩定的清潔能源使用的變多，儲能電站的需求會越來越大的，二氧化碳電池也可以像抽水蓄能電站一樣，在發電量大的時候給它充電，而發電量不足的時候再釋放電能。

不過，二氧化碳電池的往返效率比抽水蓄能電站要差一些，好在它利用的是二氧化碳，這算碳排放的合理利用了。

最后，還有一點值得一提，雖然二氧化碳非常穩定，無毒無害，但今年意大利即將上線的一個二氧化碳電池儲能電站，可能需要儲存1000噸二氧化碳——一個巨大的穹頂結構用于儲存，這將會是一個相當危險的設施。

如果這些二氧化碳不小心泄漏的話，可能會導致周圍相當寬范圍內的生物集體死亡。

參考：

[1].https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=74&t=11

[2].https://spectrum.ieee.org/this-power-plant-runs-on-co2

[3].https://energydome.com/co2-battery/