“能源系统是一个热力学系统，而不是一个经济系统。”——瓦茨拉夫·斯米尔，2017年。尽管这不是一条物理定律，但它提醒我们：每一股能量流动都伴随着不可避免的能量耗散。下面的研究案例将阐述这一原理在水电储能中的应用。
水循环与熵
2026年2月1日发表于CleanTechnica的文章介绍了一种新的抽水蓄能系统（PHES），该系统不再需要高山，而是利用缓坡和低海拔水库。其工作原理很简单：多余的可再生能源被用来将水从一个较低的水库泵送到一个较高的水库，储存重力势能。当电力需求增加时，释放水流驱动涡轮机发电。声明的优势在于与传统高坝PHES系统相比，它减少了建设和环境影响的成本。然而，这种优势是以需要更多的水量和相应的提升能量为代价的。系统的能源密度与其两个水库之间的高度差直接相关。降低这一高度差会降低整个系统的效率。描述中的系统需要更大的表面积来补偿较低的高度差异，从而增加了建设成本和土地占用的影响。将1立方米水提升到100米高度所需的能量约为9.81千焦耳。对于低海拔系统来说，提升相同体积的水量所需的能量较少，但储存一定量能量所需的水量显著增加。
现实中的权衡：效率 vs 可行性
主流叙述（Stream B）强调技术创新是解决能源问题的关键。CleanTechnica的文章将低海拔PHES系统视为迈向可持续未来的重要一步。然而，物理分析（Stream A）揭示了一个基本的妥协：减少建设和环境影响的成本意味着降低了系统的能量效率。这就是Jevons悖论的一个例子：资源使用效率的提高可能导致其总体消耗增加。在这种情况下，更高效的PHES系统可能会激励更多地利用间歇性可再生能源，从而增加储能需求，并最终导致更大的整体环境影响。此外，建设新的低海拔水库需要大量建筑材料（如水泥、钢材），这些材料的生产具有高能耗和温室气体排放的特点。一个低海拔PHES系统的嵌入式能源量可能相当可观，进一步削弱了其环保优势。水资源的可用性也是一个关键因素。抽水蓄能系统需要大量的水，而在某些地区特别是在干旱时期，水资源可能会受到限制。用于储能的水可能与农业和其他基本用途竞争。
不可逆门槛：储存的成本
低海拔PHES系统的经济可行性取决于多个因素，包括能源成本、建筑材料成本、水资源可用性和系统寿命。随着能源成本的上升，能量存储变得更有价值。然而，如果建设及维护低海拔PHES系统的成本超过了通过储能获得的经济效益，则该系统将不可持续。当整个生命周期的成本（包括建设和维护费用）超过储存的能量价值时，就会达到不可逆门槛。这一临界点受当地地形、地下地质条件和水资源可用性的影响。依赖稀有且昂贵的材料来制造涡轮机和泵系统也增加了风险。
水文约束
最终，能量储存是一个管理熵的问题。每个储能系统都会引入损耗，并需要输入能量以维持秩序。对于低海拔PHES来说，主要限制是水资源的可用性和提升它的能源成本。一个更实惠且侵扰性较小的系统的承诺与物理法则中的重力和热力学相冲突。
图由 Zbynek Burival 提供于 Unsplash
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