可再生能源為電網(wǎng)遠(yuǎn)離化石燃料和改變氣候的溫室氣體（GHGs）提供了最好的希望。風(fēng)能和太陽能是主要的兩種可持續(xù)能源，然而無論是風(fēng)能還是太陽能都有間歇性，如果要在電網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)揮核心作用必須通過電網(wǎng)儲(chǔ)能來增強(qiáng)。儲(chǔ)能已經(jīng)不是新技術(shù)了，早在1930年，美國麻省米爾福德（New Milford）附近的康涅狄格州電力公司（Connecticut Electric and Power Company）首次通過抽水儲(chǔ)能，通過將Housatonic River中的水抽水到位于河上230英尺的蓄水池來儲(chǔ)存多余的電能。如今，全球約96%的儲(chǔ)能來自同一類型的抽水技術(shù)（PHES）。有各種各樣的技術(shù)可以用于儲(chǔ)存能源，其中幾種技術(shù)特別適用于儲(chǔ)存可再生能源。電化學(xué)蓄電池（特別是鋰離子電池），氧化還原液流電池，儲(chǔ)存氫能，熱力系統(tǒng)，泵送液體，甚至是閑置的電動(dòng)汽車（EV）都有儲(chǔ)能技術(shù)。讓我們看一看目前或即將投入商業(yè)使用的9種不同的儲(chǔ)能技術(shù)。結(jié)合這些系統(tǒng)，使可再生能源在未來幾年占據(jù)了電網(wǎng)的很大一部分，因此現(xiàn)在是了解這些技術(shù)的時(shí)候了。
鋰離子電池
當(dāng)涉及到大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能時(shí)，電化學(xué)蓄電池是具有多種優(yōu)勢(shì)。盡管最初的價(jià)格是昂貴的，但為電動(dòng)汽車開發(fā)的鋰離子電池已經(jīng)將儲(chǔ)能價(jià)格從 12年前的每千瓦時(shí)1,000美元將至每千瓦時(shí)100美元。鋰離子電池不但具有非常高的能量密度而且重量輕，使其成為電動(dòng)汽車以及電氣化運(yùn)輸?shù)睦硐胍蛩?，但這對(duì)于固定存儲(chǔ)系統(tǒng)來說這兩點(diǎn)顯得并不那么重要。鋰離子電池不僅在回收儲(chǔ)存的能量效率在85%到90%之間，而且還可以成為峰值資源，幫助電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，特別是在用電高峰期間。能量密度最高的鋰離子電池是以鎳基為陰極材料制成的，通常以鈷混合。這些都是昂貴且相對(duì)稀缺的材料。較低能量密度的鋰離子電池是由磷酸鐵為陰極材料制成的，我們稱為磷酸鐵電池。在未來，通過高能鎳和鈷陰極用于電氣化運(yùn)輸，使用磷酸鐵化學(xué)用于固定儲(chǔ)存可能更有意義。鋰離子電池可以持續(xù)2,000至10,000次充放電循環(huán)，在電網(wǎng)應(yīng)用中，鋰離子電池的壽命可維持大約10年。鋰離子電池在全球電網(wǎng)儲(chǔ)存市場中占90%以上。
鉛酸電池在鋰離子電池普及之前，鉛酸電池被用于電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能。鉛酸電池具有低能量密度，是鋰離子電池能量密度的1/4，循環(huán)壽命短，價(jià)格低廉且易于回收。能量密度在很多工業(yè)片區(qū)中的固定應(yīng)用中顯得并不那么重要，對(duì)于鉛酸電池循環(huán)壽命的提高進(jìn)行研究。鉛酸電池使用廉價(jià)且豐富的材料制成，可以在沒有鋰離子電池所需的復(fù)雜電池管理系統(tǒng)（BMS）的情況下運(yùn)行，因此可能會(huì)再次使用在電網(wǎng)存儲(chǔ)應(yīng)用中。
鋅混合電池在電池技術(shù)的世界里，使用地球上豐富的材料來代替昂貴且稀缺的資源材料來制作電池。舉個(gè)例子，一種鋅混合物的材料受到了許多關(guān)注。鋅混合動(dòng)力技術(shù)有望為電網(wǎng)規(guī)模的解決方案提供專門制造的電池，因?yàn)殇\廣泛可用，而且比用其他材料制造鋰離子電池成本可以低很多。在鋅混合電池中，多孔陽極是由大量鋅顆粒形成的，而這些鋅顆粒在放電過程中被電解液飽和。羥基離子（Hydroxyl ions）進(jìn)入鋅中形成鋅酸鹽，鋅酸鹽釋放電子，電子移動(dòng)到陰極。鋅混合電池的總體回收儲(chǔ)存能量效率通常低于鋰電池，平均在65%至70%。
氧化還原液流電池液流電池使用了一種與鋰離子電池完全不同的原理。液流電池將反應(yīng)性電解液儲(chǔ)存在單獨(dú)的容器中，并將其泵送它們通過一個(gè)反應(yīng)罐，該反應(yīng)罐包含一堆惰性電極，這些惰性電極將電子剝離出來產(chǎn)生電能，而不是將電池的所有反應(yīng)部分放在一個(gè)容器中。離子交換膜使兩種電解液在反應(yīng)容器中彼此分離。液流電池容量僅與容納反應(yīng)性液體的容器的大小有關(guān)。由于能量儲(chǔ)存在電解液內(nèi)，儲(chǔ)存容量的大小可以獨(dú)立于能量水平。關(guān)鍵是這兩種電解溶液使用什么材料。他們必須形成氧化還原反應(yīng)，還原是電子的增加，氧化是電子的流失。商業(yè)液流電池常用鋅和溴或釩流電池（VFB）中釩的各種氧化和還原狀態(tài)的組合。但是這些材料的成本是極其昂貴的。液流電池總體回收儲(chǔ)存能量效率在60%至85%之間，因?yàn)殡姵厝萘績H僅取決于存儲(chǔ)電解液容器大小，因此可以一次運(yùn)行數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。
氫能儲(chǔ)存太陽能電池或風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的多余電能可用于電解過程將水分解成氫氣和氧氣。氫氣可以被壓縮和儲(chǔ)存，當(dāng)需要釋放儲(chǔ)存的能量時(shí)，通過燃料電池，氫氣可以與空氣中的氧氣結(jié)合，形成水蒸氣，并將電子釋放回到電網(wǎng)。由于燃料電池回收儲(chǔ)存能量效率在60%左右，當(dāng)氫氣被壓縮時(shí)，會(huì)消耗能量，氫能儲(chǔ)存能量的總體效率在25%至45%之間，大大低于使用鋰離子電池或液流電池儲(chǔ)存能量的效率。氫氣燃料電池的價(jià)格很高，電極使用貴金屬鉑。他們?cè)陔娦艂魉汀?shù)據(jù)中心、信用卡處理等關(guān)鍵設(shè)施的主電源和備用電源發(fā)現(xiàn)這種材料。
熱管理通過加熱儲(chǔ)存太陽能量的熱材料（如巖石或其他材料）產(chǎn)生的電能代替光伏板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。這些材料可以根據(jù)儲(chǔ)存熱量的能力來被選擇，或者可以通過改變質(zhì)量來儲(chǔ)存能量，例如熔巖。從熱力系統(tǒng)中提取能量，水可以被泵送通過，轉(zhuǎn)換成蒸汽，利用蒸汽可以驅(qū)動(dòng)連接在發(fā)電機(jī)上的渦輪機(jī)發(fā)電。熱系統(tǒng)可以儲(chǔ)存大量的能量，根據(jù)使用的系統(tǒng)類型，回收儲(chǔ)存能量效率高達(dá)80%至90%。
抽水蓄能利用抽水蓄能（PHES）裝置，在低成本或高可再生能源時(shí)期產(chǎn)生的電力用于將水抽到更高的高度進(jìn)行儲(chǔ)存。當(dāng)電力被需要時(shí)，水被釋放到更低的水池中，通過渦輪機(jī)發(fā)電。抽水蓄能儲(chǔ)能既可以使用像河流這樣的自由流動(dòng)的水源，還可以通過閉環(huán)系統(tǒng)在人工湖泊中取水。抽水蓄能成本幾乎比任何一種儲(chǔ)能方法都要便宜，特別是在大量能源需要被儲(chǔ)存時(shí)。抽水蓄能水力發(fā)電在整個(gè)循環(huán)中儲(chǔ)存能量效率超過80%，而且這些裝置通?？梢蕴峁?shù)小時(shí)甚至數(shù)天的電力。抽水蓄能是一種長期投資，通常為3至5年。一旦系統(tǒng)建成，可提供超過50年的服務(wù)。如今，大約96%的全球能源儲(chǔ)存都來自某種抽水儲(chǔ)能裝置。
壓縮空氣通過壓縮空氣儲(chǔ)存能量，再通過泵送到密閉的地下空間內(nèi)儲(chǔ)存。當(dāng)需要能源時(shí)，從地下密閉空間排出的空氣通過管道流回發(fā)電廠，將其加熱至膨脹，從而轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。加熱的過程通常使用天然氣，這期間會(huì)釋放溫室氣體（GHGs），增加該過程的成本。當(dāng)壓縮空氣產(chǎn)生的熱量被保留時(shí)，該系統(tǒng)的儲(chǔ)存能量效率可以達(dá)到70%，否則儲(chǔ)存能量效率僅在42%至55%之間。目前有兩種正在運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)存裝置：一個(gè)位于美國東南部的阿拉巴馬州的McIntosh，一個(gè)位于德國的亨托夫市。McIntosh工廠建立于1991年，能夠儲(chǔ)存110兆瓦時(shí)（MWh）。德克薩斯州的Anderson正在建設(shè)一座317兆瓦時(shí)的發(fā)電廠。
電動(dòng)汽車（EV）上百萬輛電動(dòng)汽車行駛，大多數(shù)車輛在一天之內(nèi)多數(shù)處于停放狀態(tài)。每輛電動(dòng)汽車都有一個(gè)相當(dāng)大的鋰離子電池，可以通過一種叫做車輛到電網(wǎng)（V2G）的方法用于電網(wǎng)儲(chǔ)能。將電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，可再生能源產(chǎn)生的額外的能源可以輸出并儲(chǔ)存在電動(dòng)汽車中。如果在突然需要能源來穩(wěn)定電網(wǎng)時(shí)（例如在高峰時(shí)間），電動(dòng)汽車中的能源可以被送回電網(wǎng)。盡管V2G聽起來很有意思，但也有很多反對(duì)的聲音。主要的反對(duì)意見是鋰離子電池在使用壽命周期內(nèi)只能進(jìn)行有限次數(shù)的充放電循環(huán)。有限次數(shù)的充放電循環(huán)對(duì)于電動(dòng)汽車的普通使用是足夠的，但是電網(wǎng)中增加額外的循環(huán)次數(shù)或許會(huì)縮短電動(dòng)汽車電池的預(yù)期壽命。電動(dòng)汽車的擁有者也有同樣的擔(dān)心，盡管他們的車充電了一整天，但如果電網(wǎng)一直吸收能量，他們的車仍然無法到達(dá)滿電狀態(tài)。2020年，大眾汽車表示采用雙向充電技術(shù)推進(jìn)V2G。中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
評(píng)論