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太阳能电池板和风力涡轮机为世界提供了充沛的能源——但随之而来的是一个难题。当阳光明媚、风力强劲时，在许多地方，这些可再生能源产生的电力会超过当时的实际需求。然后，当太阳不再发光、风不再吹时，在急需电力的时候，这些可再生能源提供的电力却很少甚至没有。
因此，要实现 100% 可再生能源的未来电网，需要储存更多的能源。您可能听说过巨型锂离子电池用于储备能源供以后使用。但是，当提供备用电源时，即使是一个大型电池组通常也会在四个小时内耗尽。对替代方案的需求正促使美国政府、研究人员和初创公司争相开发更多“长时储能”技术，这些技术可以提供至少 10 小时的备用电源——通常是利用水库、洞穴和其他地貌作为电池。
美国和加拿大的一些大学和国家实验室的一项新研究表明，大规模部署长时储能不仅是可行的，而且对于可再生能源充分发挥潜力至关重要，甚至还可以降低公用事业费用。该研究专门针对包括美国西部和加拿大以及部分墨西哥北部在内的西部互联电网。研究发现，在该地区建设更多的长时储能设施，将使高需求时期的电力价格降低 70% 以上。
“这就像一个交响乐团，”加州大学圣地亚哥分校可再生能源与高等数学实验室主任、上个月发表在《自然·通讯》杂志上的论文的合著者 Patricia Hidalgo-Gonzalez 说。“我们需要考虑所有这些因素，以及它们如何协同工作。但增加储能只能帮助提高成本效益。”
目前已经存在能够储存至少半天可再生能源的技术，并且还在不断发展中。一种技术被称为抽水蓄能水力发电：当电网被可再生能源电力充满时，发电设施会将水泵入上方的水库。然后，当太阳能或风能减弱时，该设施会放水使其流入另一个水库，驱动涡轮机发电。这利用了风能和太阳能以及重力势能。
“仅靠电池储能——或者人们所说的短时储能——非常重要，”麻省理工学院能源系统研究员、新研究的主要作者 Martin Staadecker 说。“但你不能只依靠锂离子电池，因为要拥有足够的电力来支持整整一周的供电，成本会非常高昂。”
截至 2022 年，美国拥有 43 个抽水蓄能水电站，总发电容量为 22 吉瓦。（作为参考，美国约有 150 吉瓦的风力发电和 140 吉瓦的太阳能。）根据能源部的数据，美国有潜力将其此类能源储存能力翻倍。2021 年，拜登政府启动了其长时储能计划，这是能源地球射计划的一部分，旨在十年内将该技术成本降低 90%。去年，它宣布拨款 3.25 亿美元用于15 个长时储能项目，其中包括一个将热能储存在混凝土中的项目，以及其他项目，用于制造由铁、水和空气组成的新型电池。
研究人员在不考虑具体技术的情况下，研究了长时储能，旨在找出实现西部互联 100% 无排放的最经济的方法。他们的研究发现，长时储能对公用事业客户尤其有利，可以在高需求时段降低电力成本，例如在下午晚些时候，人们回家并同时开启电器，而此时太阳能发电量正在下降。更多的储能也意味着在越来越热的极端高温期间拥有更多备用电源，这时整个地区都会开启空调。
也有公司正在研究如何将能源储存在地下。一家名为 Hydrostor 的加拿大公司（总部位于多伦多）利用电网多余的可再生能源，将压缩空气泵入充满水的地下洞穴。这会将地表水挤压到一个水库中。当电网需要电力时，Hydrostor 会让水流回洞穴，将空气推到地表以驱动涡轮机。“我们正在地下建造一个水活塞，”Hydrostor 总裁 Jon Norman 说。“我们正在利用碳氢化合物储存行业用来储存丙烷和丁烷的技术来建造一个腔体。”
如果一个地区的可再生能源电力不足，例如日落时，它将不得不从其他地方进口零碳电力。但这需要穿过数百甚至数千英里土地的输电线路，这些线路很难获得批准且建造费用昂贵。在该研究设想的情景中，维护西部互联电网并安装基础设施（包括长时储能）的成本将介于 830 亿美元到 1300 亿美元之间，具体取决于技术成本下降的速度。
有了长时储能，公用事业公司就可以在本地部署更多的太阳能电池板和风力涡轮机并储存其能源，而不是从其他地方运输。太平洋西北国家实验室研究电网的电气工程师 Kevin Schneider（他并未参与这项新研究）表示，这可以降低建造长距离输电线路的巨额成本。“在系统中获得这种灵活性，即拥有一个可以储存然后释放的电力库，这使得我们不必建造那么多基础设施，并且还可以稍微提高系统的弹性。”
那么，未来的电网可能会在巨大的电池组和景观本身中储存的可再生能源中嗡嗡作响。太阳能和风能将不再被浪费。
本文已更新，以澄清部署长时储能的成本估算包括了电网上的其他基础设施和维护费用。
本文最初发布在Grist，网址为 https://grist.org/climate/long-duration-energy-storage-batteries-store-solar-wind-power/。
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