Kerry Rippy 是 美国国家可再生能源实验室 的研究员。此文最初发表于 The Conversation。
近几十年来， 风能 和 太阳能 发电成本大幅下降。这是美国能源部预测到 2050 年可再生能源将成为 美国增长最快的能源来源 的原因之一。
然而，储存能源的成本仍然相对较高。而且由于可再生能源发电 并非持续可用 —— 只有在刮风或有阳光时才能产生——因此储存至关重要。
作为 美国国家可再生能源实验室的研究员，我与联邦政府和私营行业合作开发可再生能源储存技术。在一份最近的 报告 中，NREL 的研究人员估计，到 2050 年，美国的风能和太阳能发电能力有可能增加 高达 3000%。
以下是可能帮助实现这一目标的三种新兴技术。
更长的充电时间
从用于小型电子产品的碱性电池到用于汽车和笔记本电脑的锂离子电池，大多数人在日常生活中已经在很多方面使用电池。但仍有很大的增长空间。
例如，具有长达 10 小时放电时间的高容量电池对于夜间储存太阳能或增加电动汽车的续航里程可能很有价值。目前这类电池的使用非常少。然而，根据 近期预测，到 2050 年，这类电池的装机容量可能高达 100 吉瓦。相比之下，这相当于 胡佛大坝发电容量的 50 倍。这可能对可再生能源的实用性产生重大影响。电池通过产生化学反应来产生电流。
最大的障碍之一是锂和钴的供应有限，它们目前对于制造轻便、强大的电池至关重要。根据 一些估计，到 2050 年，全球约 10% 的锂储备和近 100% 的钴储备将枯竭。
此外，全球近 70% 的钴产自刚果，其开采条件长期以来一直被记录为 不人道。
科学家们正在努力开发 回收锂和钴电池 的技术，并设计基于其他材料的电池。特斯拉计划在未来几年内生产 无钴 电池。其他人则旨在 用钠取代锂，钠的性能与锂非常相似，但储量要丰富得多。
更安全的电池
另一个重点是提高电池的安全性。一个需要改进的领域是电解质——介质，通常是液体，它 允许电流流过 电池的阳极（负极）到阴极（正极）。
当电池运行时，电解质中的带电粒子会移动以平衡电池输出电力的电荷。电解质通常含有易燃材料。如果泄漏，电池可能会过热并着火或熔化。
科学家们正在开发固态电解质，这将使电池更坚固。粒子在固体中的移动比在液体中困难得多，但 令人鼓舞的实验室结果 表明，这些电池可能在未来几年内准备好用于电动汽车，其 商业化目标 最早可达 2026 年。
虽然固态电池非常适合消费电子产品和电动汽车，但对于大规模能源储存，科学家们正在研究称为 液流电池 的全液体设计。
在这些设备中，电解质和电极都是液体。这使得充电速度超快，并且易于制造非常大的电池。目前，这些系统的成本非常高，但研究仍在继续以 降低价格。
将阳光储存为热量
在某些情况下，其他可再生能源储存解决方案的成本低于电池。例如， 聚光太阳能发电厂 利用镜子 聚集阳光，将数百甚至数千吨的盐加热至熔化。然后，这些熔盐被用来驱动发电机，就像在传统工厂中用煤炭或核能加热蒸汽来驱动发电机一样。
这些加热的材料也可以储存起来，以便在阴天甚至夜间产生电力。这种方法可以使聚光太阳能发电能够全天候工作。
这个想法可以改编用于非太阳能发电技术。例如，风力发电产生的电力可以用来加热盐，以便在无风时使用。
聚光太阳能发电的成本仍然相对较高。为了与其他形式的能源发电和储存竞争，它需要变得更高效。实现这一目标的一种方法是提高盐的加热温度，从而提高发电效率。不幸的是，目前使用的盐在高温下不稳定。研究人员正在努力开发能够承受高达 1300 华氏度（705 摄氏度）温度的新型盐或其他材料。
一种实现更高温度的主要想法是加热沙子而不是盐，沙子可以承受更高的温度。然后，沙子将通过传送带从加热点运往储存点。能源部最近宣布为基于这一概念的 试点聚光太阳能发电厂 提供资金。
先进的可再生燃料
电池适用于短期储能，聚光太阳能发电厂有助于稳定电网。然而，公用事业公司还需要长时间存储大量能源。这需要像 氢气 和 氨气 这样的可再生燃料。当风力涡轮机和太阳能电池板产生的电力超过公用事业客户的需求时，公用事业公司将通过过剩电力生产这些燃料来储存能量。
氢气和氨气每磅含有的能量比电池多，所以它们适用于电池不适用的领域。例如，它们可用于 运输重载和运行重型设备 ，以及用作 火箭燃料。
如今，这些燃料主要来自天然气或其他不可再生 化石燃料，通过效率极低的反应制成。虽然我们认为它是绿色燃料，但当今大多数氢气都是由天然气制成的。
科学家们正在寻找使用可再生电力生产氢气和其他燃料的方法。例如，可以通过 分解水分子 来生产氢燃料。关键挑战在于优化工艺，使其高效且经济。潜在回报巨大：取之不尽、用之不竭、完全可再生的能源。
