解決可再生能源棘手的存儲問題

在沒有陽光也沒有風的時候，人類仍然需要電力。研究人員正在設(shè)計新技術(shù)——從改良電池到壓縮空氣再到飛輪儲能——以便儲備能源，供能源匱乏時使用。

每當日照不熄、風吹不止時，德國的太陽能和風能發(fā)電站就會開足馬力，全力運轉(zhuǎn)。在2023年7月的九天里，可再生能源發(fā)電量占到了德國全國發(fā)電量的70%以上；有時，人們甚至需要關(guān)閉風力機，以防電網(wǎng)過載。

但在其他日子里，云層的遮擋使太陽能幾近熄滅，風力機也陷入停滯。在2023年1月將近一周的時間里，德國可再生能源發(fā)電量降至全國總發(fā)電量的30%以下，天然氣、石油和燃煤發(fā)電廠不得不提高輸出，以填補缺口。

德國人將這些時期稱為“Dunkelflauten”，意為“黑暗無風期”，這可能持續(xù)一周乃至更久。隨著各國日益推動可再生能源的發(fā)展，對易受該情況影響的地區(qū)而言（如德國和美國部分區(qū)域），黑暗無風期成了一個重大的挑戰(zhàn)。目前，德國和美國的太陽能及風能發(fā)電量分別占全國總發(fā)電量的40%和15%。截至2024年12月，這兩國都制定了到2035年實現(xiàn)100%清潔能源發(fā)電的目標。

挑戰(zhàn)在于：如何在不依賴可靠但會加劇全球變暖的化石燃料的情況下，避免電力短缺和停電？

要解決太陽能和風能的波動性問題，就必須重新思考如何為我們的世界供能：我們需要將根據(jù)能源需求指揮化石燃料發(fā)電廠開啟或停工的電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驅(qū)⒉▌拥目稍偕茉崔D(zhuǎn)化為穩(wěn)定電力供應(yīng)源的電網(wǎng)。當然，解決方案的關(guān)鍵在于，在能源充足時將其儲存，以便在能源短缺時期使用。

然而，如今日益流行的儲電設(shè)備——鋰離子電池——只有在填平太陽能和風能發(fā)電的日常波動時才具有成本效益，它無法應(yīng)對持續(xù)數(shù)天的黑暗無風期。另一種已有數(shù)十年歷史的蓄電技術(shù)是通過水泵向山上抽水，然后在水流經(jīng)汽輪發(fā)電機下泄回流時回收能量，但這種方法通常僅適用于山區(qū)地形。世界上安裝的太陽能和風能發(fā)電站越多，電網(wǎng)就越需要成熟、劃算的技術(shù)擺脫對化石燃料的依賴，此類技術(shù)需能夠適用于不同地區(qū)，并能一次儲存至少八小時甚至長達數(shù)周的電能。

世界各地的工程師正在努力開發(fā)這些新技術(shù)——從新型電池到利用空氣壓力、飛輪、熱能或氫氣等化學(xué)方式的儲能系統(tǒng)，各顯神通。目前，哪種技術(shù)能成為主流仍未可知。

“目前正處于……創(chuàng)造性的階段。”美國羅切斯特理工學(xué)院的能源政策與市場專家埃里克 · 希廷格（Eric Hittinger）表示。他曾在2020年與人合作撰寫了一篇關(guān)于儲能系統(tǒng)效益和成本的深入研究報告，發(fā)表在《環(huán)境與資源年評》（Annual Review of Environment and Resources）上。“隨著部分技術(shù)逐漸占據(jù)領(lǐng)先地位，許多方案都將被淘汰。”

找到可行的儲能解決方案，不僅有助于加快各國在未來幾十年內(nèi)努力減少碳排放時能源轉(zhuǎn)型的總體進程，還足以決定可再生能源的成本，后者是專家爭論已久的一個問題。一些預(yù)測認為，隨著太陽能電池板和風力機的成本下降，電網(wǎng)在擺脫化石燃料后必然會節(jié)省資金。然而，這些預(yù)測并未將儲能成本納入考慮。

另一些專家則強調(diào)，除了建設(shè)新的儲能設(shè)備，還需要采取更多的行動，比如調(diào)整人類的電力需求。美國芝加哥大學(xué)的材料科學(xué)家、工程師孟穎表示：“總的來講，我們必須非常謹慎地規(guī)劃未來的電網(wǎng)。”

改良電池

鋰離子電池是當今發(fā)展最快的蓄電設(shè)備，既適用于電網(wǎng)，也適用于電動汽車、手機和筆記本電腦。近年來，全球范圍內(nèi)安裝了大量鋰離子電池，以幫助平衡電力供需，近幾年，它還被用于填平太陽能和風能發(fā)電的日常波動。世界上最大的電池電網(wǎng)儲能設(shè)施之一位于美國加利福尼亞州蒙特雷縣，該設(shè)施設(shè)有一座天然氣發(fā)電廠，并在2023年達到了滿負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。如今，該設(shè)施可以儲存3000兆瓦時的電力，輸出功率可達750兆瓦，足夠為60多萬戶家庭供電長達4小時。

鋰離子電池利用電能促進兩個含鋰電極表面之間進行化學(xué)反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而儲存和釋放能量。鋰之所以成為首選材料，是因為它的單位重量儲能量相對較高。然而，這種電池也有缺點，包括它的易燃性，它在炎熱氣候下需要空調(diào)降溫的特點，以及全球鋰資源的有限性。

更重要的是，孟穎解釋說，鋰離子電池并不適用于長時儲能。盡管近年來鋰電池價格大幅下降，但由于其設(shè)計成本以及鋰和其他金屬的開采提取費用較高，它們?nèi)匀惠^為昂貴。目前，鋰電池成本仍高于每千瓦時100美元，這意味著，一個每小時供電1兆瓦（足夠約800戶家庭使用）、能持續(xù)5小時的電池容器，至少需要50萬美元。孟穎表示，如果供電時間再延長，其成本將迅速高到難以承受：“我認為4～8小時是成本與性能的最佳平衡點。”

希廷格表示：“對于更長的儲能供電時間，我們希望儲能成本能降至當前的十分之一，甚至——如果可能的話——百分之一。如果做不到極致低價，那么這個產(chǎn)品就沒有市場。”

降低成本的方法之一是改用更廉價的原料。目前，美國、歐洲和亞洲的數(shù)家公司正在推動鈉離子電池的商業(yè)化。該技術(shù)用鈉取代鋰，因為鈉資源更豐富，提取和純化成本也更低。研究人員也在開發(fā)不同的電池結(jié)構(gòu)，例如氧化還原液流電池。這種電池的化學(xué)反應(yīng)不發(fā)生在電極表面，而是在充當電極的兩個充滿電解液的儲液罐中進行。這種設(shè)計可以通過增加儲液罐的體積和電解液量來提高電池容量，而不像鋰離子電池那樣依賴昂貴的電極材料，相較之下便宜許多。孟穎表示，氧化還原液流電池可以提供數(shù)天或數(shù)周所需的電力。

與此同時，美國公司Form Energy在西弗吉尼亞州新開設(shè)了一家工廠，生產(chǎn)“鐵-空氣電池”。這種電池利用鐵與空氣和水反應(yīng)生成氫氧化鐵（本質(zhì)上就是生銹）的過程釋放的能量。“給電池充電的過程就是給生銹的鐵除銹。”Form Energy的首席技術(shù)官威廉 · 伍德福德（William Woodford）解釋道。

由于鐵和空氣都很便宜，鐵-空氣電池的制造成本也較低。然而，鐵-空氣電池和氧化還原液流電池的共同缺點在于，它們釋放的能量要比儲入的能量少60%，部分原因是它們在沒有電流時也會逐漸放電。孟穎認為，這兩種電池仍需解決這些問題，以證明其可靠性和成本效益。不過，鐵-空氣電池的效率損失可以通過增大電池體積來彌補。此外，由于長時儲能電池是用于在太陽能和風能短缺、能源價格較高的時期提供電力，因此，可以容忍一點點能量損耗。

旋轉(zhuǎn)飛輪和壓縮空氣儲能

另一些工程師則在探索機械儲能方式。其中一種儲能裝置是飛輪，它采用的原理與自行車車輪在啟動后能持續(xù)旋轉(zhuǎn)的原理相同。美國加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程專家塞斯 · 桑德斯（Seth Sanders）解釋說，飛輪技術(shù)利用電力驅(qū)動大型鋼制圓盤旋轉(zhuǎn)，并通過磁力軸承系統(tǒng)降低摩擦，從而減少減速。“這種能量實際上可以儲存相當長的時間。”他說。

桑德斯的琥珀動力學(xué)公司（Amber Kinetics）生產(chǎn)的飛輪可以旋轉(zhuǎn)數(shù)周，但至少每天使用一次才最具成本效益。在需要電力時，電動發(fā)電機會將飛輪的動能重新轉(zhuǎn)化為電能。由于飛輪可以迅速從充電模式切換到放電模式，因此特別適合用來應(yīng)對日落時分或陰天等電力供應(yīng)急劇波動的時段。

每個飛輪可存儲32千瓦時的電能，接近一個普通美國家庭的日均用電量。這個儲電量不足以支持大規(guī)模電網(wǎng)應(yīng)用，但飛輪已在許多社區(qū)部署，通常用于平衡可再生能源供應(yīng)的波動。例如，桑德斯提到，美國馬薩諸塞州的一家市政公用事業(yè)公司在一座太陽能發(fā)電廠旁安裝了16個飛輪，能夠提供超過4小時的電力；它們在電力需求低谷時儲電，在需求高峰時放電。

另一種機械裝置通過壓縮空氣儲存電力，然后將壓縮空氣存儲在地下巖洞中。專門從事壓縮空氣儲能業(yè)務(wù)的加拿大公司淵存（Hydrostor）的總裁喬恩 · 諾曼（Jon Norman）解釋道：“當電網(wǎng)需要電力時，你將這些空氣釋放到空氣渦輪機中，就能再次發(fā)電。它就像一個巨大的地下空氣電池。”

這樣的系統(tǒng)通常需要天然洞穴，但淵存公司采用了人工開鑿的方式，在堅硬的巖石上挖掘出儲氣倉。與電池或飛輪相比，這類系統(tǒng)都屬于大型基礎(chǔ)設(shè)施項目，需要漫長的許可和施工過程。但是諾曼說，一旦克服了這些障礙，就可以通過將巖洞開鑿得更深來慢慢擴大其容量，而且額外成本很低。

2019年，淵存公司在加拿大安大略省戈德里奇推出了全球首個商業(yè)化壓縮空氣儲能設(shè)施，可儲存約10兆瓦時的電力，可為約2100戶家庭供電超過5小時。該公司計劃在美國加利福尼亞州建設(shè)數(shù)座更大規(guī)模的儲電設(shè)施，并在澳大利亞布羅肯希爾建造一座功率達200兆瓦的儲電設(shè)施，預(yù)計可提供長達8小時的電力，以彌補太陽能和風能發(fā)電短缺的問題。

以熱能和氣體的形式儲電

世界各地都在努力探索如何利用多余的可再生電力，將其用于加熱水或其他儲熱材料。德國能源儲存協(xié)會的卡特婭 · 埃舍（Katja Esche）表示，這樣就可以為建筑物或工業(yè)生產(chǎn)過程提供氣候友好型的供暖系統(tǒng)。

熱力本身也可以用于儲存電能，不過該項技術(shù)仍在開發(fā)中。英國杜倫大學(xué)的能源儲存與能源系統(tǒng)專家馬志偉近期對一種抽氣式熱力儲能系統(tǒng)進行了測試。該系統(tǒng)的主要儲能過程是通過電力壓縮氣體（如氬氣），使其達到高壓，從而升溫；壓縮氣體則通過汽輪發(fā)電機膨脹發(fā)電。一些專家對這種熱力儲能系統(tǒng)持懷疑態(tài)度，因為其回收的電能最多只有儲入量的40%，但馬志偉抱有樂觀的態(tài)度，他認為，通過更深入的研究，這種系統(tǒng)有望滿足日常儲能需求。

對于更長時間的儲能（數(shù)周以上），許多專家把賭注押在了氫氣上。氫氣天然存在于大氣中，但也可以通過電解水的方式，利用電力將水分解為氧氣和氫氣。氫氣可儲存在高壓罐中，并在燃料電池或渦輪機中與氧氣反應(yīng)發(fā)電。

目前，氫氣及其衍生物已被用于船舶、飛機和工業(yè)生產(chǎn)的燃料。而在長時儲能方面，德國經(jīng)濟研究所的能源專家沃爾夫-彼得 · 席爾（Wolf-Peter Schill）表示，氫氣似乎也是“最具潛力的技術(shù)選擇”。2021年，席爾與人合著了一篇關(guān)于能源儲存經(jīng)濟性的綜述，發(fā)表在《資源經(jīng)濟學(xué)年度評論》（Annual Review of Resource Economics）上。

德國能源公司恩能拓（Enertrag）正在建設(shè)一座同時以上述兩種方式利用氫氣儲能的設(shè)施：該公司位于柏林附近的700兆瓦太陽能和風能電站產(chǎn)生的剩余電力被用于制氫，并出售給各行各業(yè)。同時，恩能拓的董事會成員、機械工程師托比亞斯 · 比肖夫-尼姆茲（Tobias Bischof-Niemz）表示，未來該公司會儲存約10%的氫氣，作為“緊急備用措施”，以應(yīng)對持續(xù)數(shù)周的黑暗無風期。

不過，氫氣儲能的想法面臨著諸多質(zhì)疑。與熱力儲能類似，氫氣在轉(zhuǎn)化回電力時會損失高達2/3的能量。此外，大規(guī)模儲存氫氣數(shù)周的成本并不低，不過，恩能拓正計劃利用天然洞穴而非傳統(tǒng)的高壓鋼瓶來儲存氫氣，以降低成本。

但比肖夫-尼姆茲認為，這部分費用并不重要，因為氫氣是由本來會被浪費的廉價能源生產(chǎn)出來的。此外，他補充說，氫氣儲能只會在黑暗無風期被啟用。“一年里只有兩三周時間的電價如此昂貴，因此這種模式在經(jīng)濟角度上是可行的。”他表示。

成本問題

在上述方案之外，人們也在嘗試許多其他長時儲能方法。無論政府或公用事業(yè)公司支付多少費用（后者通常會將這些費用轉(zhuǎn)嫁給消費者），成本都是決定性因素。德國亞琛工業(yè)大學(xué)的能源專家迪爾克 · 紹爾（Dirk Sauer）表示，所有新型儲能系統(tǒng)都需要證明自身的成本顯著低于鋰離子電池。他指出，許多技術(shù)在示范階段停滯不前，就是因為缺乏商業(yè)案例的支持。

而開發(fā)人員則認為，某些系統(tǒng)在儲存8小時或更長時間的能量時，成本已經(jīng)接近鋰離子電池，另一些系統(tǒng)的成本則會在大批量生產(chǎn)后大幅下降。或許未來會有多種技術(shù)足以與鋰離子電池展開競爭，但紹爾坦言，要實現(xiàn)這一目標“極其困難”。

開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)在于，長時儲能技術(shù)的市場才剛開始形成。許多國家（如美國）還處于能源轉(zhuǎn)型初期，仍然嚴重依賴化石燃料。目前，大多數(shù)地區(qū)仍然通過化石燃料發(fā)電廠來應(yīng)對持續(xù)數(shù)日的黑暗無風期。

事實上，希廷格估計，只有當太陽能和風能發(fā)電量占到總發(fā)電量的80%時，才會真正產(chǎn)生對長時儲能的經(jīng)濟需求。而目前，在確保電網(wǎng)可靠性時，公用事業(yè)公司建造燃氣發(fā)電廠（還是化石燃料）的成本往往比部署長時儲能更低。

英國極光能源研究公司的能源系統(tǒng)研究員安妮 · 劉（Anne Liu）認為，提高儲能技術(shù)成本效益的重要方式之一是對化石燃料征收碳稅。例如，在瑞士等歐洲國家，公用事業(yè)公司每排放一噸碳，就需支付約130美元的碳稅。而在美國加州，電網(wǎng)運營商要求公用事業(yè)公司確保足夠的能源覆蓋率，并提供資金支持，從而推動儲能技術(shù)的發(fā)展。

市場激勵也有助于推動儲能技術(shù)發(fā)展。在電價波動較大的美國得克薩斯州能源市場，鋰離子電池盡管成本高昂，仍能幫助消費者節(jié)省數(shù)億美元，因為他們可以在電價較低時利用鋰電池儲存電能，并在電力短缺時高價出售獲利。安妮 · 劉表示：“一旦電力市場形成激勵機制，長時儲能電池的可行性就會大幅提高。”

不過，即便激勵措施到位，誰來支付儲能成本仍是一個懸而未決的問題，而許多關(guān)于電網(wǎng)從化石燃料轉(zhuǎn)型的成本預(yù)測并未考慮到這一點。非營利組織長時儲能委員會的市場與技術(shù)總監(jiān)蓋布 · 穆爾塔夫（Gabe Murtaugh）指出：“我認為，我們還未充分、深入地研究這些去碳化路徑的真實成本。”

穆爾塔夫估計，以加州為例，如果沒有干預(yù)措施，消費者的水電費最終可能會增長到現(xiàn)在的3倍。“我們需要考慮各州政府和聯(lián)邦政府該如何直接或間接支付其中的一部分費用，”穆爾塔夫說，“這將變得非常重要。”

節(jié)約成本與資源

成本因素也促使專家思考如何減少對儲能的依賴。強化電網(wǎng)的方法之一是建設(shè)更穩(wěn)定的可再生能源形式，例如利用地熱技術(shù)從地球的熱量中獲取能量。另一種方法是擴大電網(wǎng)的連接范圍，比如建立橫跨整個美國或整個歐洲的電網(wǎng)，以平衡各地太陽能和風能發(fā)電的波動。此外，延長儲能技術(shù)的使用壽命，也有助于降低成本、減少資源消耗。

美國佛蒙特州的非營利組織清潔能源集團的負責人塞斯 · 穆倫多爾（Seth Mullendore）表示，從電網(wǎng)取電時，對取電時間進行智能優(yōu)化同樣可以節(jié)約成本和資源。如果我們不在下班回家時給電動汽車充電，而是在正午烈日當空時充電呢？如果我們調(diào)整建筑物的供暖和制冷，讓它們主要在風力強勁的時段進行呢？

穆倫多爾的團隊最近幫助馬薩諸塞州定制了一項計劃，如果電力用戶響應(yīng)公用事業(yè)公司發(fā)出的信號，減少能源使用（例如把空調(diào)開小或是推遲給電動汽車充電的時間），就可以注冊獲得報酬。在未來的智能電網(wǎng)中，這種調(diào)整可能會變得更加普遍，甚至完全自動化，同時允許用戶在需要時手動控制覆蓋這些調(diào)整。穆倫多爾說，政府也可以在公用事業(yè)公司優(yōu)化電網(wǎng)設(shè)計時給予獎勵，以此激勵這些計劃：“相較于建設(shè)更多基礎(chǔ)設(shè)施以提供更多能源的成本，鼓勵人們少用能源的成本要低得多。”

要想讓全球電網(wǎng)適應(yīng)未來依賴太陽能和風能的趨勢，需要工程師、企業(yè)和政策制定者的深思熟慮以及全球?qū)用娴墓餐苿印Ｎ磥淼碾娋W(wǎng)可能會廣泛采用鋰離子或鈉離子電池以滿足短期儲能需求，并使用更新型的技術(shù)進行長時儲能。飛輪儲能或許會變得更加普及，地下洞穴則可能會存滿壓縮空氣或氫氣，以度過可怕的黑暗無風期。電網(wǎng)也許能通過內(nèi)置方式智能地調(diào)整電力需求，充分利用多余的電能，而不是讓其白白浪費。

“電網(wǎng)，”孟穎說，“很可能是人類有史以來建造過的最復(fù)雜的機器。”

資料來源 Knowable Magazine

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本文作者卡塔麗娜·齊默（Katarina Zimmer）是一名常駐柏林的科學(xué)與環(huán)境記者