斯米尔在他的《能源转型：数据、历史与未来》一书中，用详实的事实和数据指出：没有化石能源的世界是个美好的世界，但实现这一理想需要付出高昂的成本，还要漫长的努力和耐心，曾经备受关注的能源转型目标，其结果与预期相去甚远，大都以失败告终。

人们对某种能源使用越多，依赖性越大，与这种能源相关的基础设施就越复杂，越庞大，因而转型过程所需花费的时间也越长，化石能源就属于此类。当然，我们也保持开放的头脑，随时准备接受意外惊喜。

下面用第一性原理分析储能的使命、困境和出路，供读者朋友们参考。

1.电的便利性

“有了电，多方便。”这是我读小学一年级时，语文课本上的一句顺口溜。

电的方便，就其本质来说，是电力充当了能量转换的媒介。正如货币是商品交换的媒介，物物交换很不方便，货币让商品交换变得便利，同样，电让各种能量转换变得便利。如果没有电，风能怎么转化为热能？光能怎么转化为风能？水能怎么转化为热能？等等。而光能和热能却容易转化为电能，电能也容易转化为光能和热能。

2.储能的使命

电虽然有很多优点，但也有明显的缺点。电力的特性是必须即发即用，即用即发，难以大规模储存。下面我们用中学物理知识，即所谓“第一性原理”来分析一下，为什么电要即发即用，即用即发。

发电形式多种多样，有水电、风电、煤电、核电、内燃机发电等，就发电的物理本质而言，都是基于法拉第电磁感应定律——导线切割磁场产生感应电动势，也叫电压，接通电路，在电压的作用下形成电流，电压乘以电流等于电功率。

由此可见，有且只有电压和电流同时存在时，电才能做功。当导线停止切割磁场时，感应电动势立即消失，电做功的能力也立即消失，或者电路处于开路状态，没有形成回路电流，也没法做功。所以说，电需即发即用，即用即发。

发电机是靠水力、蒸汽（煤电核电都是烧水产生蒸汽驱动发电机的）、内燃机、风力等外力驱动的。水可以用水库蓄起来，煤炭、燃油和核燃料都可以存储起来，需要时即可用来发电。但目前风还没法存储，需要电时，可能没有风，自由之风劲吹时，可能不需要电，或者用电量不大。

近年来发展迅猛的光伏发电原理不同于法拉第电磁感应原理，光伏发电是基于光电效应——半导体材料在光照条件下电子和空穴定向移动，形成电动势，光照消失，电动势也随即消失。

显然，阳光也并非遂人愿的。我读高中时，学校用太阳能提供热水，冬天阴雨连绵，寒冷入骨，正需要洗热水澡的时候没有太阳，也就没有热水，夏天烈日炎炎，洗冷水都出汗的时候，则热水过剩。

下图是在一个白天阳光明媚晚上星空灿烂的时节里测得的一天24小时阳光辐射值。图中可以看出，夜间无辐射，白天亦不平稳，曲线形象地体现出阳光的间歇性和波动性。

综上所述，电的基本物理规律，以及自然界的反复无常，共同决定了风光等可再生能源发电不随人愿，无法做到稳定供应。

在煤炭发电为主的时代，电难以大规模储存的缺点并没有凸显出来，如今在“双碳”目标下，风力发电和太阳能发电被寄予厚望，现在行业普遍认为，如果不能解决电能的大规模储存问题，则无法靠风电和光伏发电实现“双碳”目标。

国家发改委和能源局于2016年联合发布了《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》，将储能技术上升为国家能源战略的重要支撑，所以在新能源转型的路上，储能被赋予重大使命。

3.储能面临的困境

可能你会说不对啊，储能还有什么困境？新能源汽车、小电瓶车、手机等大量产品不都是用蓄电池供电吗？没错，他们都用蓄电池蓄电供电，但是现今各类储能技术储存下来的电能，跟我们需要使用的电能相比，根本不在一个数量级上。

目前成熟的大规模储能只有抽水蓄能一种，尽管名义上是“大规模”，但据比尔盖茨《气候经济与人类未来》一书透露，美国十大抽水蓄能电站的储能总量，尚不到美国全国一小时的用电量。中国情况也不乐观，因为抽水蓄能电站建设周期长，一般以十年计，加上受地形条件限制，目前全国已建和在建蓄能电站一共只有120座左右。

抽水蓄能的原理是，上下游各建设一个水库，用电高峰期时，上游向下游放水发电，用电低峰期时，将下游的水抽往上游进行储能。抽水蓄能效率不高，原因在于它涉及多种能量形式的来回转换。

现在抽水蓄能电站用的水力设备既非水轮机亦非水泵，而是水泵水轮机，水泵水轮机意思是既可以当水泵抽水用，又可以当水轮机发电用。但水泵和水轮机毕竟是逆向工况，很难让同一台设备在作为水泵和水轮机运行时都保持高效率。发电-抽水-发电这一来二去，至少得损失掉四分之一的能量，也就是说效率不足75%。我们团队在实验室测试过锂电池充电和放电过程的效率，远高于75%。

根据中学物理功能原理简单计算一下，我们对抽水蓄能的蓄水量与用电的规模就有个感性认识。将一立方水抽上370米（大约120层高楼）只储存了一度电，用2100W电磁炉炒菜，大概28分钟就消耗一度电。做饭炒菜洗衣服热水器空调电脑手机，这些是每人每日的必需品，如果你还开电动汽车，你就能想象得到每天要把多数立方水送到120层楼高才够一人一天之用。

蓄电池情况怎么样呢？我从近两年（2023-2025）参加能源相关的几场学术会议上看到，电化学储能相关的报告和论文最多。如今各大厂纷纷裁员的情况下，人才市场上以蓄电池为代表的储能研发人才需求却很旺盛，由此看来，蓄电池近年确实火了起来。尽管蓄电池火了起来，可以肯定的是，蓄电池没有摩尔定律（性能每18个月翻一番）。

吴军在得到APP课程中，转述了斯坦福大学普雷考特能源研究中心主任崔屹教授的观点：“电池的能量密度再提升1倍可能已经是极限了。崔屹教授感慨，谈到新能源，新电池时都特别兴奋，真正投入做一段时间后就会知道，在目前基础上提升效率，无论发电还是储能，难度都很大。”

比尔盖茨相对乐观一些，在他的《气候经济与人类未来》一书中，盖茨认为极限是3倍，蓄电池单位容量价格每年下降3%左右，最终下降空间可能不会超过一倍。但乐观者比尔盖茨在蓄电池上不断亏钱，在他这本书中说：“我从没想到自己会在有关电池的知识方面投入那么多的学习时间，也从没想到自己会在电池类初创公司上面亏掉那么多钱。”

锂电池是现今各类电化学储能电池中储能密度比较高的，但一千克锂电池储存的电能不足0.3度电的能量，而一千克汽油可储存13度电的能量。这就是为什么电动汽车笨重的原因，也是为什么卡车、长途大巴、挖掘机等大功率车辆和设备很难电动化的原因。

电池即使能够大规模，长时间储能也不是好的解决方案，因为储能不只是技术问题，还要考虑经济问题。如果把夏天太阳光发出的电用蓄电池储存起来，待冬天使用，那么电池一年才周转一次，用电成本将大幅上升。商业社会，无论资金还是设备，快速周转起来才能发挥它的威力。

除抽水蓄能和电化学储能外，还有压缩空气储能、飞轮储能、热能储能、制氢储能、电容电感储能等众多类型。无论种类再多，正如前面所述，现今各类储能技术储下来的电能和我们需要使用的电能，根本不在一个数量级上。

一谈到技术困境，人们自然容易想到人才问题，确实是这样，储能还面临巨大的人才挑战，跨学科的人才十分紧缺。2023年在上海举办的一次储能大会报告上，我亲耳听到何雅玲院士说西安交通大学于2020年才创办全国首个储能科学与工程专业，出版了我国第一部针对储能科学与工程知识体系与课程设置的指导书——《储能科学与工程本科专业知识体系与课程设置》。

总之，目前储能面临的困境主要由：一、储能规模无法满足需求，更准确地说，是无法经济性地满足需求；二、人才问题。

4.出路：跨界融合与软实力

储能的出路在于创新、人才、文化以及市场需求等。创新是难以预测的，现在无法预测哪种储能会成为未来的主流，也有可能未来储能形式百花齐放，没有哪一种独领风骚。但只要有社会需求，有试错的社会环境，就有可能找到解决方案。如果说人类好奇心推动科学探索的话，那么社会需求才是技术发展的原动力。

“双碳”路上，近年来有一种物质被寄予厚望，它就是氢。我并不为哪一种技术站台，下面只从基本原理出发，做一些分析。现实世界是很复杂的，何况储能不只是技术问题，还有经济、社会等问题。所以读者朋友们要批评性地阅读。

中学物理和化学告诉我们关于氢的很多知识：氢气是无色、无味、难溶于水的气体，密度比空气小。氢能量密度高达140兆焦/千克，即一千克氢储能达38.9度电的能量，相当于汽油的3倍，锂电池的100倍。氢元素丰富，在世界上占比高达75%。氢很活泼，容易失去核外层电子，和其它元素“凑合”在一起。我相信本书读者朋友还记得初中化学水的分子式H₂O，两个氢原子和一个氧原子“凑合”成水。氢原子具有很强的成键倾向，两个氢原子通过共享电子对形成稳定的氢分子（H₂）。

因为氢元素很活泼，所以氢很少单独存在，它总是和其它元素结合在一起。你不能像开采石油或者开采煤炭那样从地壳中直接把氢挖出来，要得到氢你就得打破氢原子和其它原子之间的化学键，这意味着得到氢需要消耗能量。消耗能量获得氢，氢通过其它物理或化学过程释放能量，这样氢就能成为储能介质。

打破什么物质能比较经济地得到氢呢？想想水的分子式H₂O，打破一个水分子就可得到两个氢。三分陆地七分水，水是地球上最丰富的资源，看来从水中取氢是比较合理的选择，有什么办法可以水中取氢？

还记得初中化学实验课吗？如下图，通直流电后，电极上出现气泡，一段时间后两试管收集的气体体积比约为1:2，试管1中的气体可使带火星的木条燃烧，是氧气，试管2的气体移近火焰时，火焰呈淡蓝色，是氢气。

由此推论，风能和太阳能发出的电可以用来制氢，将电能转化为氢储存起来，这样就把电能用物质的形式储存起来，就像植物光合作用一样，把光能转化为粮食在粮仓里储存起来。而抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能等都只有能量形式的改变，没有产生新的物质。

氢不但能再次转化为电，还可以作为化工原料，用来合成氨，甲醇等。这样氢不但能够储能，还架起了能源和物质之间的桥梁，为可再生能源的用途添加了更大的灵活性。近年来氢能被认为是继新能源汽车、锂电池之后的又一万亿赛道，有望成为可再生能源一个新的“伴侣”。

下面是我近年观察到的一些现象、数据以及个人的思考：

一、中国截至2023年底，氢燃料电池汽车保有量19000辆，加氢站420座，相对于汽车总保有量，一万九千辆只是沧海一粟，但增速喜人，中国政府计划到2025年氢燃料电池汽车保有量约达5万辆。广东佛山市南海区丹灶镇仙湖谷汇聚了上百家氢相关的企业，构建了包括燃料电池、制氢设备、核心材料的氢能产业基地，打造了氢巴士，市政车等应用场景。

二、据华裔德籍张海平博士在他的新书《液压阀剖析》第2章透露，2024年德国汉诺威工业博览会上，上百家公司展出从储存、运输到使用，一套完整的氢能产业链的各种元件系统。

三、据一位在液压行业深耕十年的朋友介绍，2024年11月26-29日在上海举办的工程机械展览会（俗称宝马展）上已明显感到氢能向工程机械渗透，尤其是日本的企业，有人认为日本会放弃锂电池汽车，有望通过氢能汽车实现弯道超车。

四、2025年3月底，我在北京举行的国际氢能大会上通过报告及展厅了解到，现在电解水制氢技术已相对成熟，展会上最多的展品就是电解槽及其配套零部件。应用端则相对薄弱，看到不多的几家展出燃料电池。在几次能源相关的会议上都认为“氢氨醇”是氢能的大道。

五、在2025北京氢能展会上我还看到氢能自行车，据厂商介绍，其能量流是电解水制氢，氢作为自行车的燃料。我听到的第一反应是厂家挺有创意的，离开展台才想到似乎不妥。用“第一性原理”分析，氢燃料自行车似乎并不经济，因为电分解水制成氢，氢通过燃料电池又转化为电，能量变换更多，过程更长，何不直接给电池充电？自行车不需要很长的续航里程，锂电池或者铅酸电池已足够方便和经济。

六、在互联网上还看到有人说氢能在无人机上有广阔的应用前景，现在也有初创企业投入氢燃料无人机的研发。我认为氢燃料无人机同样不经济，道理和氢燃料自行车一样。也许氢燃料无人机有轻量化的考量，因为氢的能量密度比锂电池大得多，不过这也有个前提，就是氢燃料电池的功率密度得够高，如果高能量密度的氢燃料配低功率密度的燃料电池，仍不能体现出轻量化的优势。

七、目前电动轿车蓄电池蓄电量大约在70-120度电之间，续航在300-500公里之间。如果蓄电量要达到300甚至500度电，那么蓄电池就会十分笨重。所以长途大巴、商用车用氢燃料电池可能更适合。据任泽平在他的《新能源》一书中推测，未来汽车格局可能是：市区用锂电，长途用氢能；小型乘用车用锂电，大型商用车用氢能；南方用锂电，北方冬季温度低、影响续航的地区用氢能。

未来是难以预测的，制氢绝非中学化学课本那样简单，一千克氢包含的能量虽然是同等重量汽油的3倍，但标准大气压下一千克氢气体积达11个立方，没有哪辆车会搭载11方的氢箱。氢能要成为继新能源汽车、锂电池之后的又一万亿赛道，还需要解决安全、成本、储存、运输等一系列问题。

关于软实力：

创新很难在单一知识结构的团队中产生。2023年在上海一次储能大会上何雅玲院士在报告说：储能行业亟需培养涉及物理、化学、材料、能源、动力、电子、电气、机械等多领域学科交叉，系统性掌握多学科知识的大量高层次人才。我认同何院士的观点。

具体到企业，任何个人都不可能掌握那么多专业知识，起码没法深入掌握那么多专业知识。所以我认为储能行业的企业家，技术研发带头人在深入掌握一两门技术知识基础上，需了解科技史、科研方法论、设计思维、跨学科思维、商业知识等，并且善于与他人合作。

领导力和企业文化至关重要，组建优秀的团队、培育创新文化、构建高效组织以及提升领导力，打造这些软实力往往比攻克技术难题挑战更大。这是摆在企业家和高层管理者面前的一道坎。

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