可再生能源需要储存。这 3 种解决方案可以提供帮助。

克里·里皮 (Kerry Rippy)是美国国家可再生能源实验室的研究员。本文最初发表于The Conversation 。

近几十年来，风能和太阳能发电成本大幅下降。这也是美国能源部预测到2050年可再生能源将成为美国增长最快的能源的原因之一。

然而，储存能源的成本仍然相对较高。而且由于可再生能源发电并非随时可用——只有风吹或太阳照耀时才会产生——因此储存能源至关重要。

作为国家可再生能源实验室的研究员，我与联邦政府和私营企业合作开发可再生能源存储技术。在最近的一份报告中，国家可再生能源实验室的研究人员估计，到 2050 年，美国可再生能源存储容量有可能增加 3,000%。

以下三种新兴技术可以帮助实现这一目标。

更长的充电时间

从小型电子设备使用的碱性电池到汽车和笔记本电脑使用的锂离子电池，大多数人已经在日常生活的很多方面使用电池。但仍有很大的增长空间。

例如，放电时间长达 10 小时的大容量电池可能对在夜间储存太阳能或增加电动汽车的行驶里程非常有用。目前，使用中的此类电池非常少。然而，根据最近的预测，到 2050 年，安装的此类电池可能超过 100 千兆瓦。相比之下，这是胡佛大坝发电量的 50 倍。这可能会对可再生能源的可行性产生重大影响。电池的工作原理是产生产生电流的化学反应。

最大的障碍之一是锂和钴的供应有限，而这两种金属目前是制造轻便、强大的电池所必需的。据估计，到 2050 年，全球约 10% 的锂和几乎所有的钴储量将被耗尽。

此外，全球近 70% 的钴矿是在刚果开采的，而那里的开采条件长期以来一直被认为是不人道的。

科学家们正在努力开发回收锂电池和钴电池的技术，并设计基于其他材料的电池。特斯拉计划在未来几年内生产无钴电池。其他人则计划用钠代替锂，钠的性质与锂非常相似，但储量丰富得多。

更安全的电池

另一个优先事项是让电池更安全。需要改进的领域之一是电解质——一种介质，通常是液体，它允许电荷从电池的阳极或负极流向阴极或正极。

使用电池时，电解液中的带电粒子会四处移动，以平衡电池流出的电荷。电解液通常含有易燃物质。如果它们泄漏，电池可能会过热并着火或熔化。

科学家们正在开发固体电解质，这将使电池更加坚固。粒子在固体中移动比在液体中移动要困难得多，但令人鼓舞的实验室规模结果表明，这些电池可能在未来几年内准备好用于电动汽车，目标日期最早为 2026 年。

虽然固态电池非常适合消费电子产品和电动汽车，但对于大规模储能，科学家们正在寻求称为液流电池的全液体设计。

在这些设备中，电解质和电极都是液体。这可以实现超快速充电，并且可以轻松制造出非常大的电池。目前，这些系统非常昂贵，但研究正在不断降低价格。

将阳光储存为热能

在某些情况下，其他可再生能源存储解决方案的成本低于电池。例如，聚光太阳能发电厂使用镜子聚集阳光，加热数百或数千吨盐直至其融化。然后，这种熔盐用于驱动发电机，就像传统工厂使用煤炭或核能加热蒸汽并驱动发电机一样。

这些加热材料还可以储存起来，在阴天或夜间发电。这种方法使聚光太阳能发电能够全天候工作。

这一想法可以适用于非太阳能发电技术。例如，利用风力发电可以加热盐，以便在无风时使用。

聚光太阳能发电仍然相对昂贵。为了与其他形式的能源生产和储存方式竞争，它需要提高效率。实现这一目标的一种方法是提高盐的加热温度，从而提高发电效率。不幸的是，目前使用的盐在高温下不稳定。研究人员正在努力开发能够承受高达 1,300 华氏度（705 摄氏度）温度的新盐或其他材料。

关于如何达到更高温度的一个主流想法是加热沙子而不是盐，因为盐可以承受更高的温度。然后沙子将通过传送带从加热点运送到储存处。能源部最近宣布资助一个基于这一概念的试点聚光太阳能发电厂。

先进的可再生燃料

电池可用于短期储能，而聚光太阳能发电厂则有助于稳定电网。然而，公用事业公司也需要储存大量能源以供无限期使用。氢和氨等可再生燃料就发挥了这种作用。当风力涡轮机和太阳能电池板产生的电力超过公用事业公司客户的需求时，公用事业公司会利用剩余电力生产这些燃料，将能源储存在这些燃料中。

氢和氨每磅所含的能量比电池高，因此它们可以在电池无法实现的地方发挥作用。例如，它们可用于运输重物和运行重型设备，以及用作火箭燃料。

如今，这些燃料大多由天然气或其他不可再生化石燃料通过极其低效的反应制成。虽然我们认为它是一种绿色燃料，但如今大多数氢气都是由天然气制成的。

科学家们正在寻找利用可再生电力生产氢和其他燃料的方法。例如，可以通过利用电力分解水分子来制造氢燃料。关键挑战是优化该过程以使其高效且经济。潜在的回报是巨大的：取之不尽、完全可再生的能源。