电池不适用于可再生能源的储存

来源：AVNET
作者：Cameron Coward

我们需要找到一种储存可再生能源的方法，因为在未来我们将依赖它。即使不考虑环境问题，化石燃料的资源也是有限的。虽然核电仍然实用可行，但可再生能源应该会占世界绝大部分的供应。

但是许多可再生资源，包括太阳能和风能，都有一个严重的缺点：无法依需求生产能源。太阳能场只有在阳光普照时才能收获能源。风车只有在阵风足够强大时才能发电–风速大约要每小时6.7英里或更快。

为了在人们需要时提供电力，我们必须储存可再生资源产生的能源。一个太阳能场一天可产生200MWh的电力，但仅限在晴天。为了满足一天中其他剩余时间以及夜晚的电力需求，一半以上的电力需要储存至少几个小时。

储存可再生能源的最佳方法是一个具有争议的议题。 本文将会探讨这些选项。

电池储能

各种类型的电池可以高效（充电/放电周期为80-90%）和压缩的方式存储能量，但这是电池存储的唯一好处。从其他方面来看，电池对于具有规模的能量存储来说都不是一个好的选择。

从财务观点来看，电池最明显的问题就是费用。一个够大的电池数组，可以存储来自太阳能或风电场的能量，其成本可能高于太阳能电池板或风车本身。而这不是一次性成本，因为电池的使用寿命很短，最终需要经常更换。

而从环境观点来看，这个选择更糟。大多数现代的电池都需要重金属和其他有毒物质。镉和锂等元素不仅资源有限，就像化石燃料一样，而且在采矿过程中和使用后，也对环境构成重大风险。

电池很难实用于这种大规模的能量存储中，但有其他替代方法。电池可以储存化学能源，而这只是能量的一种形式。其他形式的能量，如动能和热能，可以其他更容易、更便宜地方法来大量储存。

抽蓄式水力储能

一种储存动能的方法是抽蓄式水力储能系统，几乎与现代水电大坝相同。但不是利用河流中的自然水流，而是依据需要移动水来储存能量。

为了了解这是如何运作的，请想象两个湖泊。 一个湖的海拔比另一个湖高。当太阳能或风电场输出的能量超过其服务区域所需的能量时，多余的能量为泵提供动力，将水从底部湖输送到顶部湖。然后，当电场无法满足当前用电需求时，水会透过传统的水力发电机从顶部湖流回底部湖。

水力储能系统


上图显示了田纳西州的抽水蓄能系统。 （来源：维基百科）

这个系统有许多优点。它可以提供超过 80% 的效率,、具有成本效益、使用久经考验的机器，并且在初始建设后对环境造成的风险很小。抽水储能系统还能够以势能的形式存储大量电力，并且是以安全的方式存储。

虽然缺点并不多，但确实存在的缺点有时会难以克服。抽水储能系统需要大量的水，而许多地区都缺乏。虽然可同时将水用于其他应用，例如典型的市政用途，但某些地区是没有足够的水来储存所需的能量。

另外，为了使系统运作，一个蓄水池需要比另一个蓄水池更高。若在平坦地区，这将需要建造高大的水塔或是挖掘更深的蓄水池。这种建造的成本虽然仍会低于电池数组的成本，但并非一笔小金额。

最后，寒冷的天气也是一个问题。蓄水池本身不会结冰–即使在最寒冷的居住地区，结冰的厚度也很少超过两英尺。但是，正如现代水电大坝中会发生的情况，冰流会给水力发电机械带来成本高昂的问题。

机械储能

在物理机制中存储势能是可能的，最简单的例子是弹簧。当你拉伸或压缩弹簧时，会将一些消耗的能量存储为势能/动能，以供以后使用。

但是我们没有必要建造一系列巨大的弹簧来储存能量，因为同样的概念适用于许多其他机制。 例如，你用滑轮把一袋沙吊离地面，然后系上绳子，就是储存了重力对沙袋的势能。

一种大规模应用的方法看起来很像电缆车。当有多余的电力输出可用时，电动马达会绞动电缆并将「推车」（一辆装满廉价、沉重材料的火车车厢，如沙子）上山。当电力输出不能满足需求时，推车就会滑下山坡。当它这样做的时候，电缆就会带动电动马达旋转，电动马达就会像发电机一样产生电力。

Energy Vault 提出的类似的「重力电池塔」系统，效率高达90%，使其与锂离子电池和抽水蓄能系统相比是具有竞争力的，而且成本只是其中的一小部分。这具有低于 0.05 美元/kWh 的平准化存储成本 (LCOS)，而锂离子电池和抽水蓄能分别为0.30美元/kWh 和0.17美元kWh。

重力电池塔r


这座 Energy Vault EV1 重力电池塔位于瑞士。 （来源：Energy Vault）

气体压缩储能


本图显示了一个压缩空气储能系统。 （来源： 美国能源部）

一种相关但不同的方法是压缩气体。动力泵将气体压缩到储存罐中，其中的气体可以是普通的空气。而在许多提议的系统中，都是将天然洞穴当作大型储罐。当需求量大时，储罐释放的气体会使涡轮机旋转来产生电力。

若有天然洞穴可当储罐利用，则压缩空气储能的成本非常低。低成本与高效率使气体压缩储能成为这个列表中最实用的存储方法之一。

热储能

蒸汽引擎推动了工业革命，而其背后的物理学也可能彻底改变可再生能源存储。有许多方法可以将热转换为有用的电力，从蒸汽引擎到依赖温差的现代热电发电机。

但要在这种情况下利用热能，就必须长时间储存热。事实上，很难防止热量因为对流或传导的消散。因此，大多数热储能技术效率不佳。

这些技术依赖于加热材料并尽可能地让材料绝缘。这种材料可以是便宜且随处可见的砾石或沙子，它们可以有很好的保温功能。虽然热储能的效率很差（据估计为60-65%），但由于价格实惠且可大规模扩展，热储能在现实世界中具有很大的潜力。

在此列表中的方法中，热存储以很大的差距列为最便宜的。

储氢

氢是一种化学能源资源，但它在存储大量可再生能源方面比电池多了许多优势。电池成本高，对环境影响大；氢气是一种简单的气体，可储存在传统储罐，或于压缩空气储存方法所使用的同类型天然洞穴中。

透过电解生产氢气很容易。唯一需要的是H20（水）和电。利用太阳能或风电场的电力，电解将H2O转化为氢气和氧气。氧气可以排放到大气中或被收集用于其他目的。氢气则成为可燃燃料，为发电机供电。


电解过程几乎不会造成环境危害或浪费。 （来源：维基百科）

当氢气燃烧时，它与氧气结合再次形成水。这意味着对环境几乎没有危害，并且电解过程中使用的水不会被浪费。

储氢的效率甚至比热储能低为18-46%。而且即使是储存在天然洞穴中，成本也相当昂贵。氢的主要优势是，它是一种可燃燃料，表示它对今日已经在使用的许多机器来说都是很实用的。

向前迈进

这些储能的方法显示了可再生能源的主要挑战–储存，是可以克服的。随着世界逐渐淘汰化石燃料，这些存储技术将变得普遍，并成为电网的必要组成部分。

Energy storage comparison


本文介绍的储能方法比较。 （来源：安富利）

虽然其中一些方法尚未得到大规模的证明，但它们都以当今坚实的科学以及容易取得的设备为基础所产生。

然而，其中一种方法在今日已被广泛使用。抽水储能系统在 19 世纪后期首次使用，根据美国能源效率和可再生能源办公室的数据，如今已占「美国所有公用事业规模储能的93%」。

其他方法可能尚未广泛使用，但每种方法都有其用途，可在抽水储能不实用的情况下，填补其不足。