儲能技術在實現100%可再生能源中的突破

近幾十年來，風能和太陽能發電的成本大幅下降，這也是美國能源部預測到2050年可再生能源將成為美國增長最快的能源來源的原因之一。然而，儲存能量仍然相對昂貴。

在美國國家可再生能源實驗室（NREL）最近的一份報告中，研究人員估計，到2050年美國可再生能源存儲容量將有可能增加3 000%，未來需要儲能技術在三方面突破來幫助實現這一目標。

1 更長的放電時間

從用于小型電子產品的堿性電池到用于汽車和筆記本電腦的鋰離子電池，大多數人已經在日常生活的許多方面使用電池，但電池仍有很大的改善空間。例如，具有長放電時間（最多10小時）的大容量電池在夜間儲存太陽能或增加電動汽車的續航里程方面很有價值，但目前很少有電池達到這種水平，根據最近的預測，到2050年這種性能的電池裝機容量可能超過100千兆瓦，是胡佛大壩發電能力的50倍。

儲能電池最大的障礙之一是鋰和鈷的供應有限，而鋰和鈷目前是制造輕質、高功率電池的關鍵。據估計，2050年世界上約10%的鋰和幾乎所有的鈷儲量將被耗盡。此外，世界上近70%的鈷是在剛果開采的，開采條件長期以來被證明不盡人意。

科學家們正致力于開發鋰和鈷電池的回收技術，并基于其他材料設計電池。特斯拉計劃在未來幾年內生產無鈷電池。其他人的目標是用鈉代替鋰，鈉的性質與鋰非常相似，但地球上蘊藏量要豐富得多。

2 更安全的電池

另一個優先事項是使電池更安全。特別需要改進的領域是電解質，通常是液體，使得電荷從電池的陽極或負極端子流向陰極或正極端子。使用電池時，電解液中的帶電粒子四處移動，以平衡從電池中流出的電量。電解質通常含有易燃材料，如果泄漏可能過熱起火或熔化。

科學家們正在開發固體電解質，這將使電池更加堅固。顆粒在固體中的移動比在液體中的移動困難得多，但令人鼓舞的實驗室規模的實驗結果表明，這些電池在未來幾年內可以用于電動汽車，商業化的目標日期最早為2026年。

雖然固態電池非常適合消費電子產品和電動汽車，但對于大規模的能量儲存，科學家們正在研究液流電池，其電解液和電極都是液體。這種技術允許超快速充電，容易做出真正的大電池。目前，這些系統非常昂貴，科研的重點是降低成本。

3 將太陽能儲存為熱量

在某些情況下，其他可再生能源存儲解決方案的成本低于電池。例如，太陽能光熱發電廠使用鏡子來聚焦太陽光，從而加熱數百或數千噸鹽直到其融化。然后，這些熔鹽被用來驅動發電機，就像煤或核能被用來加熱蒸汽和驅動傳統電廠中的發電機一樣。這些儲熱材料也可以在陰天，甚至在晚上儲存起來發電，可以實現24小時發電。這種方案也可以適用于非太陽能發電技術。例如，風力發電產生的電可以用來加熱鹽，以便在不刮風的時候使用。

光熱太陽能聚焦發電仍然相對昂貴，為了與其他形式的能源生產和儲存競爭，光熱發電需要提高效率。實現這一目標的一種方法是提高鹽的加熱溫度，從而實現更高效的電力生產。不幸的是，目前使用的鹽在高溫下不穩定。研究人員正在努力開發新的鹽或其他材料，可以承受高達705攝氏度的溫度。如何達到更高溫度的一個主要想法是加熱沙子而不是鹽，因為沙子可以承受更高的溫度。美國能源部最近根據這一概念，為一個示范性光熱太陽能發電廠提供資金。

4 先進可再生燃料

電池可用于短期儲能，而光熱太陽能發電廠有助于穩定電網。然而，公用事業也需要無限期地儲存大量能源，這是氫和氨等可再生燃料的作用。當風力渦輪機和太陽能電池板的發電量超過公用事業公司客戶的需求時，公用事業公司將通過剩余電力生產這些燃料來儲存能量。

氫和氨每千克比電池含有更多的能量，可用于運輸重型貨物和運行重型設備，以及用于火箭燃料。目前這些燃料大多是由天然氣或其他不可再生的化石燃料通過極其低效的反應制成的。但到今天為止，世界上大多數氫氣是由天然氣制成的。

科學家們正在尋找利用可再生電力生產氫氣和其他燃料的方法，例如可以通過電分解水分子來制造氫燃料。這里核心技術是優化流程，使其高效、經濟。如果成功，氫能潛在的回報是巨大的，成為取之不盡、用之不竭、完全可再生的能源。