近幾十年來(lái)，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的成本大幅下降，這也是美國(guó)能源部預(yù)測(cè)到2050年可再生能源將成為美國(guó)增長(zhǎng)最快的能源來(lái)源的原因之一。然而，儲(chǔ)存能量仍然相對(duì)昂貴。

在美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）最近的一份報(bào)告中，研究人員估計(jì)，到2050年美國(guó)可再生能源存儲(chǔ)容量將有可能增加3 000%，未來(lái)需要儲(chǔ)能技術(shù)在三方面突破來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

1 更長(zhǎng)的放電時(shí)間

從用于小型電子產(chǎn)品的堿性電池到用于汽車(chē)和筆記本電腦的鋰離子電池，大多數(shù)人已經(jīng)在日常生活的許多方面使用電池，但電池仍有很大的改善空間。例如，具有長(zhǎng)放電時(shí)間（最多10小時(shí)）的大容量電池在夜間儲(chǔ)存太陽(yáng)能或增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程方面很有價(jià)值，但目前很少有電池達(dá)到這種水平，根據(jù)最近的預(yù)測(cè)，到2050年這種性能的電池裝機(jī)容量可能超過(guò)100千兆瓦，是胡佛大壩發(fā)電能力的50倍。

儲(chǔ)能電池最大的障礙之一是鋰和鈷的供應(yīng)有限，而鋰和鈷目前是制造輕質(zhì)、高功率電池的關(guān)鍵。據(jù)估計(jì)，2050年世界上約10%的鋰和幾乎所有的鈷儲(chǔ)量將被耗盡。此外，世界上近70%的鈷是在剛果開(kāi)采的，開(kāi)采條件長(zhǎng)期以來(lái)被證明不盡人意。

科學(xué)家們正致力于開(kāi)發(fā)鋰和鈷電池的回收技術(shù)，并基于其他材料設(shè)計(jì)電池。特斯拉計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)生產(chǎn)無(wú)鈷電池。其他人的目標(biāo)是用鈉代替鋰，鈉的性質(zhì)與鋰非常相似，但地球上蘊(yùn)藏量要豐富得多。

2 更安全的電池

另一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)是使電池更安全。特別需要改進(jìn)的領(lǐng)域是電解質(zhì)，通常是液體，使得電荷從電池的陽(yáng)極或負(fù)極端子流向陰極或正極端子。使用電池時(shí)，電解液中的帶電粒子四處移動(dòng)，以平衡從電池中流出的電量。電解質(zhì)通常含有易燃材料，如果泄漏可能過(guò)熱起火或熔化。

科學(xué)家們正在開(kāi)發(fā)固體電解質(zhì)，這將使電池更加堅(jiān)固。顆粒在固體中的移動(dòng)比在液體中的移動(dòng)困難得多，但令人鼓舞的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些電池在未來(lái)幾年內(nèi)可以用于電動(dòng)汽車(chē)，商業(yè)化的目標(biāo)日期最早為2026年。

雖然固態(tài)電池非常適合消費(fèi)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)，但對(duì)于大規(guī)模的能量?jī)?chǔ)存，科學(xué)家們正在研究液流電池，其電解液和電極都是液體。這種技術(shù)允許超快速充電，容易做出真正的大電池。目前，這些系統(tǒng)非常昂貴，科研的重點(diǎn)是降低成本。

3 將太陽(yáng)能儲(chǔ)存為熱量

在某些情況下，其他可再生能源存儲(chǔ)解決方案的成本低于電池。例如，太陽(yáng)能光熱發(fā)電廠使用鏡子來(lái)聚焦太陽(yáng)光，從而加熱數(shù)百或數(shù)千噸鹽直到其融化。然后，這些熔鹽被用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，就像煤或核能被用來(lái)加熱蒸汽和驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)電廠中的發(fā)電機(jī)一樣。這些儲(chǔ)熱材料也可以在陰天，甚至在晚上儲(chǔ)存起來(lái)發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)發(fā)電。這種方案也可以適用于非太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。例如，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電可以用來(lái)加熱鹽，以便在不刮風(fēng)的時(shí)候使用。

光熱太陽(yáng)能聚焦發(fā)電仍然相對(duì)昂貴，為了與其他形式的能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存競(jìng)爭(zhēng)，光熱發(fā)電需要提高效率。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是提高鹽的加熱溫度，從而實(shí)現(xiàn)更高效的電力生產(chǎn)。不幸的是，目前使用的鹽在高溫下不穩(wěn)定。研究人員正在努力開(kāi)發(fā)新的鹽或其他材料，可以承受高達(dá)705攝氏度的溫度。如何達(dá)到更高溫度的一個(gè)主要想法是加熱沙子而不是鹽，因?yàn)樯匙涌梢猿惺芨叩臏囟?。美?guó)能源部最近根據(jù)這一概念，為一個(gè)示范性光熱太陽(yáng)能發(fā)電廠提供資金。

4 先進(jìn)可再生燃料

電池可用于短期儲(chǔ)能，而光熱太陽(yáng)能發(fā)電廠有助于穩(wěn)定電網(wǎng)。然而，公用事業(yè)也需要無(wú)限期地儲(chǔ)存大量能源，這是氫和氨等可再生燃料的作用。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能電池板的發(fā)電量超過(guò)公用事業(yè)公司客戶的需求時(shí)，公用事業(yè)公司將通過(guò)剩余電力生產(chǎn)這些燃料來(lái)儲(chǔ)存能量。

氫和氨每千克比電池含有更多的能量，可用于運(yùn)輸重型貨物和運(yùn)行重型設(shè)備，以及用于火箭燃料。目前這些燃料大多是由天然氣或其他不可再生的化石燃料通過(guò)極其低效的反應(yīng)制成的。但到今天為止，世界上大多數(shù)氫氣是由天然氣制成的。

科學(xué)家們正在尋找利用可再生電力生產(chǎn)氫氣和其他燃料的方法，例如可以通過(guò)電分解水分子來(lái)制造氫燃料。這里核心技術(shù)是優(yōu)化流程，使其高效、經(jīng)濟(jì)。如果成功，氫能潛在的回報(bào)是巨大的，成為取之不盡、用之不竭、完全可再生的能源。