能源储备：风能和太阳能成功的最终障碍

太阳能和风能的最大缺点也许是它们的间歇性。在我居住的夏威夷这样的地区，风能和太阳能已经在价格上具有竞争力。我的化石燃料供应的电力通常每千瓦时成本超过40美分，而风能和太阳能可以与之抗衡。但是，由于它们不能提供按需提供的功率（固定功率），因此必须由可在太阳不发光而风不吹动时提供功率的电源作为后盾。

如果开发出具有成本效益的储能解决方案，则这种情况可能会发生巨大变化。我认为这是能源行业中最重要的未解决问题。一家开发出可以按需使用的经济高效地存储间歇性能源的公司将改变游戏规则。

理想的电力存储解决方案将能够以合理的资本成本密集地存储能量，并且能够以高效率返回该电力。例如，如果我们将1单位的电源放入存储系统，而实际上在需要时将1单位的电源退回，则该系统的效率为100％。实际效率将低于100％，但是效率越高，存储选项就越理想。

Navigant Research的一份新的储能报告预测，到2022年，电网储能市场每年将超过300亿美元。一些潜在的选择包括电池，抽水电，压缩空气储能（CAES），飞轮，氢气和燃料电池。当然，自然界也有一种内置的太阳能发电存储机制（尽管效率很低），称为生物质。

下图突出显示了大多数储能选项的最大问题-能量密度太低。能量密度测量单位体积或重量中存储的能量数量。这意味着对于给定的体积或给定的重量，相对于液体燃料，存储选项只能存储一小部分能量。

相关文章：Verizon准备进行1亿美元的可再生能源投资

能量最密集的选项可能是图形顶部和右侧的那些。如果包含Uranium-235，它将出现在图形的右上角。能量密度最低的选项是图形左下角的那些，我们在这里可以找到电池，飞轮和压缩空气。在这种规模下，这些存储选项的能量密度似乎接近零。相对而言，汽油所含能量是镍氢电池相同体积的50倍以上。

抽水蓄能电站（PHS）是一种已在商业上用于某些常规电厂的蓄能方案。其概念是使用非高峰功率将水泵送到更高海拔的水库，然后通过涡轮机返回以发电。电力研究所（EPRI）在2012年3月的一份报告中指出，小灵通占全球公用事业规模存储容量的99％。据报道，PHS的往返效率约为75％，远高于许多其他存储选项。

全球大约安装了50台至少1吉瓦（GW）的PHS系统，还有15台左右的这种规模的设施正在建设中。在美国，中国，日本，南非，俄罗斯，澳大利亚，韩国和许多欧洲国家都设有运营机构。世界上最大的设施是弗吉尼亚州巴斯县的3 GW系统。

PHS的主要优点是，可以长时间存储大量电能，但可以快速访问。主要缺点是，初始投资成本高，并且该技术受地理位置的限制，只能在比发电厂高得多的海拔高度容纳大型水库。

压缩空气储能（CAES）是公用事业规模储能的第二大类别。在CAES系统中，非高峰功率用于将空气压缩到存储容器中，然后通过涡轮释放该空气以根据需要发电。该水库通常是一个地下洞穴，但是正在做一些工作以在水下开发这些系统，这些系统在封闭的袋子中抵抗外界水压而膨胀。

1978年在德国建立了第一个公用事业规模的CAES设施，利用盐丘作为水库。美国的第一套系统于1991年在阿拉巴马州建立。该系统中还使用了一个盐穴，它可以将空气压缩到1100磅/平方英寸（psi）。其他项目正在开发中，美国能源部在某些情况下提供资金。

相关文章：巨型混凝土球：海上风电场储能的新形式

与PHS一样，CAES受到地理位置的限制。此外，据报道，当前正在运行的系统的循环效率为40％或更低，远低于PHS。

氢是重量较重的能源存储方式之一。实际上，压缩到150 bar（2,175 psi）的压力的一千克氢气比一千克汽油存储更多的能量（水平轴是按重量计的能量密度）。如图所示，压缩氢气每公斤所含的能量是汽油的三倍以上（氢气为142兆焦，汽油为46兆焦）。

但是，氢在体积存储（垂直轴）方面不足。一升汽油所含能量是一升150巴氢气的20倍以上。因此，氢作为燃料的局限性之一是，使用氢行驶的车辆的行驶里程将远远低于使用类似尺寸的汽油箱的车辆。

尽管如此，德国公用事业公司E.ON（OTC：法兰克福EONGY：EOAA）正在投资基于氢的存储系统。2012年，E.ON与Canadas Hydrogenics（NASDAQ：HYGS）签约，在德国Falkenhagen安装了一套天然气发电系统。在这种情况下，其思想是使用非峰值功率通过电解从水中制氢，然后将氢注入天然气管道。然后可以根据需要将氢-天然气混合物用于发电或加热。

当水分解成氢和氧时，能量当然会损失。将水电解成氢的效率可以高达85％。Hydrogenics报告说，其氢燃料电池将氢转化为电能的效率“大于55％”。因此，我们可以预期，在高峰需求期间将非峰值功率转换为氢气然后再转换为电能的周期将是（0.85）*（0.55）= 47％的效率。换句话说，浪费了一半以上的功率发送到存储。

这也意味着峰值功率的值需要大于非峰值功率值的两倍才能使这种存储获利。例如，如果非峰值功率值得一镍，而峰值功率值得一角钱，那么在高峰需求时，发送给存储的价值一镍的电力仅值4.7美分（一角钱的47％）。另一方面，如果在这种情况下峰值功率值15美分，那么镍的非峰值功率可以转换为峰值功率的7美分（15美分的47％）。

电池构成了巨大的全球市场，并且经常用于个人太阳能系统中以在晚上提供电力。但是电池很少用于备份发电厂，因为它们的能量密度低，价格昂贵且使用寿命有限。但是，大量研究致力于高级电池的开发，预计在未来10年中，这种电池将达到千兆瓦的实用规模存储水平。

各国政府在公用事业规模存储的开发上投入了大量资金，许多公用事业规模存储的可能性仍在开发中。鉴于实施积极的可再生电力标准的国家数量众多，该领域有望在未来几年内快速增长。

通过。罗伯特·拉皮尔