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问路风能存储

要让可再生能源能够与传统能源竞争，必需找到经济高效的方式，将风电场或太阳能电场的多余电能储存，并在它们不能发电时供给电网。来自美国能源部和各大高校的专家小组，对现有5大储能方式进行了评估。

撰文 戴维·卡斯泰尔维奇（Davide Castelvecchi） 翻译 王昊明

美国得克萨斯州和加利福尼亚州的公共事业部门也面临相似的情况，即电力供应与需求不匹配。他们需要给可再生能源一定补贴，才能让民众愿意购买由太阳能或风能发出的电。理论上，美国蕴含的风能和太阳能资源，不仅能为美国本土提供足够电力，还能满足周边一些国家的电力需求。但实际上，据美国能源部的研究，这两种能量来源都不够稳定，最多只能满足一个地区20%的电力需求。如果高于这个比例，很可能就会供不应求。我们需要一种廉价且有效的方法，将可再生能源产生的多余电能储存起来，并且在无法发电的时候能取出使用。

有些候选方案，如超导磁体、超级电容和复杂飞轮结构，都有不足之处。有的过于昂贵，有的无法长期储存电能。《科学美国人》杂志考察了五种可能有效的方案。每一种方案都能有效储存大量电能，足够供应一个大都市数天的用电量。《科学美国人》请专家团对每一种方案进行了评价。评价标准主要有三条：设备规模增大时，方案的具体表现（可扩展性）；应用该方案是否划算（成本效益）；实际操作中效率如何（能量效率）。所有方案都会有能量损耗，但有的方案的确能效更高。

在五种候选方案中，抽水蓄能方案与压缩空气方案不仅技术上成熟，而且经济上也合算。其他候选方案如果要与之竞争，需要在技术上取得突破，但收益也是巨大的。美国能源部负责储能项目的物理学家伊姆雷·捷克（Imre Gyuk）说：“我们有望在10年内，为国家电网建造许多配套的储能设施。”

许多国家已经将抽水蓄能应用在电网中，比如在美国，该方案的发电能力累积达到约200亿瓦。这项技术的基本原理恰好和坝式水电站相反。利用多余的电能将水抽到高处的蓄水池中，当水流回低处的蓄水池时，就能够推动涡轮发电机发电。循环效率（理论上能够回收的能量与实际回收能量的比值）最高能够达到85%。

美国有38座蓄水储能电站，能够储存的最大电量占全国总发电量的2%。这个比例低于欧洲（接近5%）与日本（大约10%）。但业内人士计划在现有的普通发电站附近新建蓄水池。HDR公司（位于美国内布拉斯加州的奥马哈）的常务理事瑞克·米勒（Rick Miller）提到：“只要提供一些水和足够的落差，就可以建造蓄水储能电站。我们计划新建一定数量的储电站，将全国的储电能力提高一倍。”

在这些计划中，最引人注目的算是鹰山地区（位于加利福尼亚州南部）的蓄水储能项目。该方案计划在一个废弃的露天铁矿附近建造两个蓄水池，用以储存附近区域风力电站和太阳能电站产生的多余电能。它能返还的发电能力为13亿瓦，几乎相当于一座大型核电站的发电能力。在蒙大拿州，“草原”可再生能源有限责任公司（Grasslands Renewable Energy LLC）提出了一个蓄水储能方案：在小山丘上建一个人工湖，用于储存美洲大平原地区（Great Plains）风力电站生产的多余电能。这个人工湖的落差大约是400米。

限制蓄水储能电站最主要的因素是地势。要应用这种方案，必须在地势高的地方建造蓄水池并蓄满水，这有可能破坏当地生态系统。而有些地方则是地势太平坦，比如丹麦和荷兰。对于这样的地区，荷兰KEMA能源咨询公司提出一个被称作“能量岛”的替代方案：在浅海中建造环形围墙，围出一片区域，形成一个人工泄湖。用多余的电能将泄湖中的水抽出，释放到海洋中。当需要提取能量时，海水通过管道流回泄湖，推动里面的涡轮发电机发电。在这个方案中，海洋起到了蓄水池的作用。

加利福尼亚州圣巴巴拉市的重力发电公司设计的方案，几乎能够应用在所有的地方。首先在地表垂直打一口竖井，在井底放一个沉重的圆柱形物体（类似活塞）。储能阶段中，水从圆柱形物体下方输入，将圆柱物抬起；当需要释放能量时，竖井底部的管道打开，水流出，推动涡轮机发电。

在亚拉巴马州地下深处，有一个巨大的洞穴，大约相当于美国帝国大厦一半大小，洞穴里储存着压缩空气。这种方案也许最能够有效满足能量储存的要求。当电量供应过剩时，多余的电能将空气压缩后输送到地下洞穴中。当电力供应短缺时，释放压缩空气，推动涡轮机发电。亚拉巴马州的麦景图电站（由南方电力能源合作公司运营）就是采用的这种方案，它能够以110兆瓦的功率连续供电26小时。这是美国境内唯一一座压缩空气电站，但已经持续运转了20年。德国意昂集团发电厂（E.ON Kraftwerke，位于德国下萨克森州的汉诺威）在亨托夫市也运营着一座类似的压缩空气电站。

南方电力能源公司通过用水缓慢溶解地下盐类矿床来制造储气洞穴，美国用于储备战略石油的洞穴也是用类似步骤制造的。盐类矿床在美国南部分布广泛，此外，美国绝大部地区的地下都存在类似的地质构造，包括天然洞穴以及枯竭的油气田。这些构造都能用于储存压缩空气。

美国许多州都提出了建造压缩空气电站的方案，包括纽约州和加利福尼亚州。但最近，艾奥瓦州德梅因市附近的一项耗资4亿美元的能量储存园区工程被废止，因为进一步研究表明，气体会渗透进砂岩的空隙，浪费很多能量。

这个方案有一个缺点：空气被压缩时温度会升高，被释放时温度会降低。首先，这意味着一部分能量会在压缩的过程中损失。其次，如果只是简单地将压缩空气释放出来，那空气的温度会急剧降低，就连工业级的涡轮机也会被冻坏。因此，南方电力能源公司和意昂集团采用相似的解决方案：在释放压缩空气推动涡轮机的同时燃烧天然气，让由此产生的高温气流与低温的压缩空气混合。但这种方法不仅会降低能效，还会产生二氧化碳，无形中抵消了风能与太阳能的部分优势。

由于这些缺点会降低压缩空气方案的效率，因此工程师正着手设计相应的解决办法。其中一种方法是将洞穴和外界隔离，这样，储存在其中的气体就能维持较高的温度。此外，也可用固体或液体的“储热器”来储存热量，并在释放压缩空气的步骤中预热空气。美国新罕布什尔州的SustainX公司在压缩阶段，将微小的水滴喷洒在空气中，然后将吸收完热量的水收集、储存。在释放阶段，这些水被喷回空气中，提高空气的温度。SustainX公司已经在地面设备中成功模拟了该过程。马萨诸塞州牛顿市的通用压缩公司也在开发一种类似的方法，用于地下压缩空气储存，并计划在得克萨斯州建造一个大型示范厂。该公司董事长戴维·马库斯（David Marcus）说：“我们的方案甚至不需要消耗燃气。”

另一种储能方案并非依靠公共设施集中储能，而是靠每户人家分散储能，但这种方案成功的希望渺茫。两个世纪以来，人们通过电解水制造氢气和氧气，然后通过在燃料电池中燃烧氢气产生电能，这是家庭式氢能源的基本原理。该方案的主要挑战是，在不产生大量废热的条件下，提高氢气的制造和转化效率。

像植物在光合作用中那样，直接利用阳光分解水的效率，比利用电网中的多余电能来电解水的效率高多了。事实上，模仿这一过程的氢燃料电池已经出现许多年，但它们低效而又昂贵。不少化学家都致力于研发新型材料，以提高性能。比如麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉（Daniel Nocera）研究的钴基催化剂、加州理工学院的内森·S·刘易斯（Nathan S. Lewis）研究的纳米棒。但这些新材料都十分昂贵。

无论在分解阶段使用电能还是太阳能，在氢气转化成电能阶段依旧存在不小的障碍。一个障碍是价格，要让氢燃料电池高效，就得依赖于铂等昂贵的催化材料。一套价值数万美元的燃料电池系统，也许只能够为一辆车提供动力，或者为一栋大楼提供照明。因此科学家致力于寻找新型的替代材料。另一个障碍是储存，氢气易燃易爆，所以储存更要注意安全。而且氢气在储存前必须液化或者压缩，否则体积太大。

如果能克服上述的各种障碍，那么我们就能够在家中建造小型氢能源电站。在有充足的太阳能或风能，发电厂生产了多余的电时，家庭可以用它们电解水来制造氢气，然后在太阳落山或没有风的时候利用氢气发电，为家庭提供电能。氢气的能量密度高于汽油，我们将来也许会用氢气来驱动交通工具，从而将我们带入全新的氢能源经济时代。