本文最初发布于Knowable Magazine。
当阳光普照，风力强劲时，德国的太阳能和风力发电厂会全力运转。在2023年7月的九天里，可再生能源产生了该国70%以上的电力；有时甚至需要关闭风力涡轮机，以避免电网过载。
但在其他日子里，云层会让太阳能发电量骤减，风力涡轮机也变得无精打采。在2023年1月近一周的时间里，可再生能源发电量下降到该国总发电量的30%以下，而天然气、石油和煤炭发电厂则加大马力来弥补不足。
德国人称这些时期为“Dunkelflauten”，意为“黑暗的 doldrums”（ doldrums 指无风无潮的状态，也引申为低迷或萧条的时期），它们可能持续一周或更长时间。对于像德国和美国部分地区这样的 doldrum-afflicted 地区来说，这是一个主要担忧，因为各国正日益推动可再生能源发展。太阳能和风能合计占德国总能源发电量的40%，占美国总能源发电量的15%。截至2024年12月，两国都设定了到2035年实现100%清洁能源供电的目标。
挑战在于：如何在不依赖可靠但对地球有害的化石燃料的情况下，避免停电。
解决太阳能和风能发电的可变性问题，需要我们重新构想能源供应方式，从一种根据能源需求启停化石燃料发电机的电网，转变为一种将波动的能源转化为持续供电的系统。当然，解决方案在于在能源充裕时储存能量，以便在困难时期使用。
然而，如今日益流行的储能设备——锂离子电池——仅在弥合日间太阳能和风能的波动方面具有成本效益，却无法应对持续数日的 doldrums。而一种已有数十年历史的储能方法，即通过向上抽水来储存电力，并在水通过涡轮发电机回流时回收能量，通常只适用于山区。世界各地安装的太阳能和风力发电厂越多，就越迫切需要成熟、具有成本效益的技术，这些技术可以覆盖多地，并将能源储存至少八小时，甚至长达数周。
世界各地的工程师们正忙于开发这些技术——从新型电池到利用气压、旋转飞轮、热量或氢气等化学物质的系统。目前尚不清楚哪种技术将最终胜出。
“创造性的部分……正在发生，”罗切斯特理工学院的能源政策和市场专家Eric Hittinger说。他合著了2020年《环境与资源年鉴》中一篇关于储能系统的好处和成本的深度文章。“随着领先者开始崭露头角，很多技术将被淘汰。”
找到可行的储能解决方案，将有助于塑造未来能源转型进程，这对于许多国家在未来几十年内致力于减少碳排放的国家至关重要，同时也将决定发展可再生能源的成本——这是专家们长期争论的问题。一些预测表明，随着太阳能电池板和风力涡轮机成本的下降，摆脱化石燃料的电网最终会节省成本，但这些预测并未将储能成本考虑在内。
其他专家则强调，除了建设新的储能设施外，还需要做更多工作，例如调整人类的电力需求。总的来说，“我们必须非常仔细地思考如何设计未来的电网，”芝加哥大学的材料科学家和工程师Shirley Meng说。
改造电池
如今发展最快的储能设备——无论是用于电网、电动汽车、手机还是笔记本电脑——都是锂离子电池。近年来，全球各地安装了大量锂离子电池，以帮助平衡电力供需，最近更是用于抵消太阳能和风能的日间波动。美国加州蒙特利县的一个大型电池电网储能设施，于2023年达到满负荷运行，该设施旁边就有一个天然气发电厂。它现在可以储存3,000兆瓦时（MWh）的电量，并能提供750兆瓦（MW）的功率——足以满足60多万户家庭每小时长达四小时的用电需求。
锂离子电池通过使用电力驱动锂含量电极表面的化学反应，将电能转化为化学能，从而储存和释放能量。锂之所以成为首选材料，是因为它相对于其重量能储存大量能量。但这类电池也存在不足，包括火灾风险、在炎热气候下需要空调，以及有限的全球锂供应。
Meng解释说，重要的是，锂离子电池不适合长期储能。尽管近年来价格大幅下跌，但由于其设计以及锂和其他金属的开采和提炼成本，它们仍然价格昂贵。电池成本高于每千瓦时100美元，这意味着一个提供每小时1兆瓦（相当于约800户家庭的用电量）的电池集装箱，如果运行五小时，至少需要花费50万美元。Meng表示，提供更长时间的电力将很快变得经济上不可行。她说：“我认为四到八小时是平衡成本和性能的理想选择。”
Hittinger表示，对于更长的持续时间，“我们希望储能成本是我们今天成本的十分之一，甚至可能的话，是百分之一。”“如果你不能做到非常便宜，那么你就没有产品。”
降低成本的一种方法是改用更便宜的成分。美国、欧洲和亚洲的几家公司正在努力将钠离子电池商业化，用钠取代锂，钠更丰富且提取和提炼成本更低。还在开发不同的电池架构——例如“氧化还原液流”电池，其中化学反应不在电极表面进行，而是在两个充满液体的储罐中进行，这些储罐充当电极。Meng说，这种设计可以通过增加储罐尺寸和电解液量来扩大容量，这比增加昂贵的锂离子电池电极材料要便宜得多。氧化还原液流电池可以提供数天或数周的电力。
与此同时，美国公司Form Energy在西弗吉尼亚州开设了一家工厂，生产“铁-空气”电池。这些电池利用铁与空气和水反应生成氢氧化铁（也就是铁锈）时释放的能量。“给电池充电就是将铁锈恢复原状，”Form公司首席技术官William Woodford说。
由于铁和空气成本低廉，这类电池也很便宜。铁-空气电池和氧化还原液流电池的缺点是，它们输出的能量最多会比输入的少60%，部分原因是即使没有电流通过，它们也会逐渐放电。Meng认为这两种电池类型都尚未解决这些问题并证明其可靠性和成本效益。但铁-空气电池的效率损失可以通过增大尺寸来弥补。Woodford说，而且，鉴于长期储能电池在太阳能和风能稀缺且成本较高的时期供电，因此“对一点损耗的容忍度更高”。
旋转飞轮和压缩空气
其他工程师正在探索机械储能方法。一种装置是飞轮，它利用自行车车轮一旦启动就会继续旋转的原理。加州大学伯克利分校的电气工程专家Seth Sanders解释说，飞轮技术利用电力驱动大型钢盘旋转，并通过磁轴承系统减少导致减速的摩擦。“能量可以储存相当长的时间，”他说。
Sanders的公司Amber Kinetics生产的飞轮可以旋转数周，但当至少每天使用时，成本效益最高。当需要电力时，电机发电机将动能转化回电能。由于飞轮可以快速从充电切换到放电，因此它们非常适合应对能源可用性的快速波动，例如在日落时或阴天期间。
每个飞轮可以储存32千瓦时（kWh）的能量，接近美国普通家庭的日均用电量。这对于电网应用来说规模较小，但飞轮已在许多社区部署，通常用于平衡可再生能源的波动。Sanders说，例如，马萨诸塞州的一家市政公用事业公司在一个太阳能发电厂旁边安装了16个飞轮；它们可以提供四个多小时的能源，在低需求时段吸收电力，在高峰需求时段输出电力。
另一种机械式设施通过使用电力压缩空气来储存电力，然后将空气储存在洞穴中。加拿大压缩空气储能公司Hydrostor的总裁Jon Norman解释说：“当电网需要时，您将空气释放到空气涡轮机中，它会再次发电。”“这就像一个巨大的地下空气电池。”
这类系统通常需要天然洞穴，但Hydrostor在坚硬的岩石中开凿空腔。Norman说，与电池或飞轮相比，这些都是大型基础设施项目，需要漫长的许可和建设过程。但一旦克服了这些障碍，它们可以通过更深地开凿洞穴来缓慢扩大容量，而且成本很低。
2019年，Hydrostor在安大略省戈德里奇启动了第一个商业压缩空气储能设施，储存约10兆瓦时（MWh）的电量——足以满足约2100户家庭五小时以上的用电需求。该公司计划在美国加州建设数个规模大得多的设施，并在澳大利亚的布罗肯希尔镇建设一个200兆瓦（MW）的设施，该设施可提供长达八小时的能源，以弥补太阳能和风能的不足。
将能量存储为热量和气体
世界各地正努力利用过剩的可再生电力，将其用于加热水或其他储热材料。德国能源存储协会的Katja Esche说，这可以为建筑物或工业过程提供气候友好的供暖。
热量也可以用来储存能量，尽管这项技术仍在开发中。英国杜伦大学的储能系统专家Zhiwei Ma最近测试了一个泵式热能储存系统。在这里，主要的储能过程发生在利用电力压缩气体（如氩气）至高压，使其升温；当气体通过涡轮发电机膨胀时，就会产生电力。一些专家对这种热储存系统持怀疑态度，因为它们输出的电力比储存的少达60%——但Ma对通过进一步研究，这些系统能够满足日常储能需求表示乐观。
对于更长时间的储能——数周——许多专家将希望寄托在氢气上。氢气天然存在于大气中，但也可以使用电力分解水产生氧气和氢气来制取。氢气储存在加压罐中，当它在燃料电池或涡轮机中与氧气反应时，就会产生电力。
氢气及其衍生物已作为船舶、飞机和工业过程的燃料得到探索。对于长期储能，德国经济研究所的能源专家Wolf-Peter Schill说：“这看起来可能将是首选技术。”他合著了《资源经济学年鉴》2021年关于储能经济学的评论。
德国能源公司Enertrag正在建设一个同时利用这两种方式的设施。该公司位于柏林附近700兆瓦太阳能和风力发电厂的剩余能源被用来生产氢气，并出售给各个行业。Enertrag董事会成员、机械工程师Tobias Bischof-Niemz表示，未来，大约10%的氢气将被储存起来，作为“紧急备用措施”，以备在数周无阳光或无风的情况下使用。
使用氢气进行电力储存的想法遭到许多批评。与热能类似，在重新转化为电力时会损失高达三分之二的能量。而且，将大量氢气储存数周并不便宜，尽管Enertrag计划通过将氢气储存在天然洞穴而不是传统的加压钢瓶来降低成本。
但Bischof-Niemz认为，如果氢气是由廉价但原本会被浪费的能源生产的，那么这些成本影响不大。他补充说，氢储存只会在Dunkelflauten期间使用。“因为一年中只有两到三周的时间会这么昂贵，所以它在经济上是可行的。”
成本问题
还有许多致力于开发长期储能方法的努力。成本是所有这些方法的关键，无论有多少成本由政府或公用事业公司（后者通常会将这些成本转嫁给消费者）承担。德国亚琛工业大学的能源专家Dirk Uwe Sauer说，所有新系统都需要证明它们比锂离子电池便宜得多。他说，他看到许多技术在示范阶段停滞不前，因为它们缺乏商业可行性。
开发商方面则认为，一些系统在用于储存八小时或更长时间的能源时，其成本已接近锂离子电池，并且当这些系统实现大规模生产时，成本将大幅下降。Sauer说，也许许多技术最终都能与锂离子电池竞争，但要实现这一点，“极其困难”。
开发商面临的挑战是，长期储能技术市场才刚刚开始形成。许多国家，如美国，正处于能源转型之旅的早期阶段，仍然严重依赖化石燃料。大多数地区仍然拥有化石燃料发电厂来应对持续数日的 doldrums。
事实上，Hittinger估计，只有当太阳能和风能占总发电量的80%时，对长期储能的真正经济需求才会出现。目前，公用事业公司建造天然气厂——仍然是化石燃料——来确保电网可靠性，通常更便宜。
提高储能技术经济性的一个重要方法是对化石燃料征收碳税，能源系统研究员、来自Aurora Energy Research的Anne Liu说。在瑞士等欧洲国家，公用事业公司每排放一吨二氧化碳需要支付约130美元的费用。与此同时，加州电网运营商通过要求公用事业公司确保充足的能源供应，并帮助承担成本，从而促进了储能的发展。
市场激励措施也有帮助。在德克萨斯州的能源市场，电力价格波动很大，尽管成本较高，但电力客户已从锂离子电池的建设中节省了数亿美元，因为他们可以在便宜的时候储存能源，在稀缺的时候卖出以获利。Liu说：“一旦电力市场有了激励措施，长期储能电池将更具可行性。”
但是，即使存在激励措施，问题仍然存在：谁将为储能买单？在许多关于电网摆脱化石燃料的成本预测中，储能并未被考虑在内。非营利组织“长时储能理事会”（Long Duration Energy Storage Council）的市场和技术总监Gabe Murtaugh说：“我认为还没有花足够的时间研究这些脱碳路径将花费多少钱。”
Murtaugh估计，如果不进行干预，例如加州的客户最终可能会看到公用事业账单增加三倍。“考虑州和联邦政府如何帮助支付其中一部分费用，”Murtaugh说，“将非常重要。”
节省成本和资源
成本考虑促使专家们也在思考如何减少对储能的需求。一种加强电网的方法是建设更稳定可靠的可再生能源形式，例如利用地球热能的地热技术。另一种方法是将电网连接到更大的区域——例如横跨美国或欧洲——以平衡当地太阳能和风能的波动。确保储能技术的寿命尽可能长，有助于节省成本和资源。
佛蒙特州的非营利组织“清洁能源集团”（Clean Energy Group）总裁Seth Mullendore说，更聪明地利用我们从电网取电的时间，也有助于这一点。如果我们在中午阳光普照时给电动汽车充电，而不是在下班回家时充电，那会怎么样？如果我们调整建筑物的供暖和制冷，使其大部分发生在有风的时期，那又会如何？
Mullendore的非营利组织最近协助设计了一个马萨诸塞州的项目，电力客户可以通过响应公用事业公司的信号来减少能源使用，从而获得报酬——例如，调低空调温度或推迟电动汽车充电。在未来的智能电网中，此类调整可以更广泛、更全面地自动化，同时允许消费者在需要时覆盖它们。Mullendore说，政府可以通过奖励公用事业公司更有效地设计电网来鼓励此类项目。“让人少用能源比建设更多基础设施来输送更多能源便宜得多。”
要使全球电网适应以太阳能和风能为动力的未来，需要工程师、公司和政策制定者进行周密的思考和全球性的推动。未来的电网可能会配备锂离子或钠离子电池以满足短期能源需求，并配备更新的品种以实现长期储能。可能会有更多的飞轮，地下洞穴可能会塞满压缩空气或氢气，以度过可怕的Dunkelflauten。电网可能拥有智能、内置的机制来调整需求，并最大限度地利用过剩能源，而不是浪费它。
“电网，”Meng说，“可能是人类建造过的最复杂的机器。”
本文最初发布于 Knowable Magazine，这是一个来自《年鉴评论》的独立新闻项目。订阅通讯。
