【观点】实现100%可再生能源需要储能技术在这三方面的突破

美国国家可再生能源实验室（NREL）研究员Kerry Rippy发表文章，题目是：These 3 energy storage technologies can help solve the challenge of moving to 100% renewable electricity（这三种储能技术突破有助于解决向100%可再生电力转变）。

近几十年来，风能和太阳能发电的成本大幅下降，这也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，储存能量仍然相对昂贵。而且，由于可再生能源发电并非总是可用，储能是必不可少的。

在美国国家可再生能源实验室（NREL）最近的一份报告中，研究人员估计，到2050年美国可再生能源存储容量将有可能增加3000%，未来需要储能技术在三方面突破来帮助实现这一目标。

更长的放电时间

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，大多数人已经在日常生活的许多方面使用电池，但电池仍有很大的改善空间。例如，具有长放电时间（最多10小时）的大容量电池在夜间储存太阳能或增加电动汽车的续航里程方面很有价值，但目前很少有电池达到这种水平，根据最近的预测，到2050年这种性能的电池装机容量可能超过100千兆瓦，是胡佛大坝发电能力的50倍。

储能电池最大的障碍之一是锂和钴的供应有限，而锂和钴目前是制造轻质、高功率电池的关键。据估计，2050年世界上约10%的锂和几乎所有的钴储量将被耗尽。此外，世界上近70%的钴是在刚果开采的，开采条件长期以来被证明不尽人意。

科学家们正致力于开发锂和钴电池的回收技术，并基于其他材料设计电池。特斯拉计划在未来几年内生产无钴电池。其他人的目标是用钠代替锂，钠的性质与锂非常相似，但地球上蕴藏量要丰富得多。

更安全的电池

另一个优先事项是使电池更安全。特别需要改进的领域是电解质，通常是液体，使得电荷从电池的阳极或负极端子流向阴极或正极端子。使用电池时，电解液中的带电粒子四处移动，以平衡从电池中流出的电量。电解质通常含有易燃材料，如果泄漏可能过热起火或熔化。

科学家们正在开发固体电解质，这将使电池更加坚固。颗粒在固体中的移动比在液体中的移动困难得多，但令人鼓舞的实验室规模的实验结果表明，这些电池在未来几年内可以用于电动汽车，商业化的目标日期最早为2026年。

虽然固态电池非常适合消费电子产品和电动汽车，但对于大规模的能量储存，科学家们正在研究液流电池，其电解液和电极都是液体。这种技术允许超快速充电，容易作出真正的大电池。目前，这些系统非常昂贵，科研的重点是降低成本。

将太阳能储存为热量

在某些情况下，其他可再生能源存储解决方案的成本低于电池。例如，太阳能光热发电厂使用镜子来聚焦太阳光，从而加热数百或数千吨盐直到其融化。然后，这些熔盐被用来驱动发电机，就像煤或核能被用来加热蒸汽和驱动传统电厂中的发电机一样。这些储热材料也可以在阴天，甚至在晚上储存起来发电，可以实现24小时发电。这种方案也可以适用于非太阳能发电技术。例如，风力发电产生的电可以用来加热盐，以便在不刮风的时候使用。

光热太阳能聚焦发电仍然相对昂贵，为了与其他形式的能源生产和储存竞争，光热发电需要提高效率。实现这一目标的一种方法是提高盐的加热温度，从而实现更高效的电力生产。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新的盐或其他材料，可以承受高达705摄氏度的温度。如何达到更高温度的一个主要想法是加热沙子而不是盐，因为沙子可以承受更高的温度。美国能源部最近根据这一概念，为一个示范性光热太阳能发电厂提供资金。

先进可再生燃料

电池可用于短期储能，而光热太阳能发电厂有助于稳定电网。然而，公用事业也需要无限期地储存大量能源，这是氢和氨等可再生燃料的作用。当风力涡轮机和太阳能电池板的发电量超过公用事业公司客户的需求时，公用事业公司将通过剩余电力生产这些燃料来储存能量。

氢和氨每磅比电池含有更多的能量，可用于运输重型货物和运行重型设备，以及用于火箭燃料。目前这些燃料大多是由天然气或其他不可再生的化石燃料通过极其低效的反应制成的。但到今天为止，世界上大多数氢气是由天然气制成的。

科学家们正在寻找利用可再生电力生产氢气和其他燃料的方法，例如可以通过电分解水分子来制造氢燃料。这里关键的挑战是优化流程，使其高效、经济。如果成功，氢能潜在的回报是巨大的：取之不尽、用之不竭、完全可再生的能源。