在没有阳光也没有风的时候，人类仍然需要电力。研究人员正在设计新技术——从改良电池到压缩空气再到飞轮储能——以便储备能源，供能源匮乏时使用。
每当日照不熄、风吹不止时，德国的太阳能和风能发电站就会开足马力，全力运转。在2023年7月的九天里，可再生能源发电量占到了德国全国发电量的70%以上；有时，人们甚至需要关闭风力机，以防电网过载。
但在其他日子里，云层的遮挡使太阳能几近熄灭，风力机也陷入停滞。在2023年1月将近一周的时间里，德国可再生能源发电量降至全国总发电量的30%以下，天然气、石油和燃煤发电厂不得不提高输出，以填补缺口。
德国人将这些时期称为“Dunkelflauten”，意为“黑暗无风期”，这可能持续一周乃至更久。随着各国日益推动可再生能源的发展，对易受该情况影响的地区而言（如德国和美国部分区域），黑暗无风期成了一个重大的挑战。目前，德国和美国的太阳能及风能发电量分别占全国总发电量的40%和15%。截至2024年12月，这两国都制定了到2035年实现100%清洁能源发电的目标。
挑战在于：如何在不依赖可靠但会加剧全球变暖的化石燃料的情况下，避免电力短缺和停电？
要解决太阳能和风能的波动性问题，就必须重新思考如何为我们的世界供能：我们需要将根据能源需求指挥化石燃料发电厂开启或停工的电网，转变为能够将波动的可再生能源转化为稳定电力供应源的电网。当然，解决方案的关键在于，在能源充足时将其储存，以便在能源短缺时期使用。
然而，如今日益流行的储电设备——锂离子电池——只有在填平太阳能和风能发电的日常波动时才具有成本效益，它无法应对持续数天的黑暗无风期。另一种已有数十年历史的蓄电技术是通过水泵向山上抽水，然后在水流经汽轮发电机下泄回流时回收能量，但这种方法通常仅适用于山区地形。世界上安装的太阳能和风能发电站越多，电网就越需要成熟、划算的技术摆脱对化石燃料的依赖，此类技术需能够适用于不同地区，并能一次储存至少八小时甚至长达数周的电能。
世界各地的工程师正在努力开发这些新技术——从新型电池到利用空气压力、飞轮、热能或氢气等化学方式的储能系统，各显神通。目前，哪种技术能成为主流仍未可知。
“目前正处于……创造性的阶段。”美国罗切斯特理工学院的能源政策与市场专家埃里克 · 希廷格（Eric Hittinger）表示。他曾在2020年与人合作撰写了一篇关于储能系统效益和成本的深入研究报告，发表在《环境与资源年评》（Annual Review of Environment and Resources）上。“随着部分技术逐渐占据领先地位，许多方案都将被淘汰。”
找到可行的储能解决方案，不仅有助于加快各国在未来几十年内努力减少碳排放时能源转型的总体进程，还足以决定可再生能源的成本，后者是专家争论已久的一个问题。一些预测认为，随着太阳能电池板和风力机的成本下降，电网在摆脱化石燃料后必然会节省资金。然而，这些预测并未将储能成本纳入考虑。
另一些专家则强调，除了建设新的储能设备，还需要采取更多的行动，比如调整人类的电力需求。美国芝加哥大学的材料科学家、工程师孟颖表示：“总的来讲，我们必须非常谨慎地规划未来的电网。”
改良电池
锂离子电池是当今发展最快的蓄电设备，既适用于电网，也适用于电动汽车、手机和笔记本电脑。近年来，全球范围内安装了大量锂离子电池，以帮助平衡电力供需，近几年，它还被用于填平太阳能和风能发电的日常波动。世界上最大的电池电网储能设施之一位于美国加利福尼亚州蒙特雷县，该设施设有一座天然气发电厂，并在2023年达到了满负荷运转状态。如今，该设施可以储存3000兆瓦时的电力，输出功率可达750兆瓦，足够为60多万户家庭供电长达4小时。
锂离子电池利用电能促进两个含锂电极表面之间进行化学反应，将电能转化为化学能，从而储存和释放能量。锂之所以成为首选材料，是因为它的单位重量储能量相对较高。然而，这种电池也有缺点，包括它的易燃性，它在炎热气候下需要空调降温的特点，以及全球锂资源的有限性。
更重要的是，孟颖解释说，锂离子电池并不适用于长时储能。尽管近年来锂电池价格大幅下降，但由于其设计成本以及锂和其他金属的开采提取费用较高，它们仍然较为昂贵。目前，锂电池成本仍高于每千瓦时100美元，这意味着，一个每小时供电1兆瓦（足够约800户家庭使用）、能持续5小时的电池容器，至少需要50万美元。孟颖表示，如果供电时间再延长，其成本将迅速高到难以承受：“我认为4～8小时是成本与性能的最佳平衡点。”
希廷格表示：“对于更长的储能供电时间，我们希望储能成本能降至当前的十分之一，甚至——如果可能的话——百分之一。如果做不到极致低价，那么这个产品就没有市场。”
降低成本的方法之一是改用更廉价的原料。目前，美国、欧洲和亚洲的数家公司正在推动钠离子电池的商业化。该技术用钠取代锂，因为钠资源更丰富，提取和纯化成本也更低。研究人员也在开发不同的电池结构，例如氧化还原液流电池。这种电池的化学反应不发生在电极表面，而是在充当电极的两个充满电解液的储液罐中进行。这种设计可以通过增加储液罐的体积和电解液量来提高电池容量，而不像锂离子电池那样依赖昂贵的电极材料，相较之下便宜许多。孟颖表示，氧化还原液流电池可以提供数天或数周所需的电力。
与此同时，美国公司Form Energy在西弗吉尼亚州新开设了一家工厂，生产“铁-空气电池”。这种电池利用铁与空气和水反应生成氢氧化铁（本质上就是生锈）的过程释放的能量。“给电池充电的过程就是给生锈的铁除锈。”Form Energy的首席技术官威廉 · 伍德福德（William Woodford）解释道。
由于铁和空气都很便宜，铁-空气电池的制造成本也较低。然而，铁-空气电池和氧化还原液流电池的共同缺点在于，它们释放的能量要比储入的能量少60%，部分原因是它们在没有电流时也会逐渐放电。孟颖认为，这两种电池仍需解决这些问题，以证明其可靠性和成本效益。不过，铁-空气电池的效率损失可以通过增大电池体积来弥补。此外，由于长时储能电池是用于在太阳能和风能短缺、能源价格较高的时期提供电力，因此，可以容忍一点点能量损耗。
旋转飞轮和压缩空气储能
另一些工程师则在探索机械储能方式。其中一种储能装置是飞轮，它采用的原理与自行车车轮在启动后能持续旋转的原理相同。美国加州大学伯克利分校的电气工程专家塞斯 · 桑德斯（Seth Sanders）解释说，飞轮技术利用电力驱动大型钢制圆盘旋转，并通过磁力轴承系统降低摩擦，从而减少减速。“这种能量实际上可以储存相当长的时间。”他说。
桑德斯的琥珀动力学公司（Amber Kinetics）生产的飞轮可以旋转数周，但至少每天使用一次才最具成本效益。在需要电力时，电动发电机会将飞轮的动能重新转化为电能。由于飞轮可以迅速从充电模式切换到放电模式，因此特别适合用来应对日落时分或阴天等电力供应急剧波动的时段。
每个飞轮可存储32千瓦时的电能，接近一个普通美国家庭的日均用电量。这个储电量不足以支持大规模电网应用，但飞轮已在许多社区部署，通常用于平衡可再生能源供应的波动。例如，桑德斯提到，美国马萨诸塞州的一家市政公用事业公司在一座太阳能发电厂旁安装了16个飞轮，能够提供超过4小时的电力；它们在电力需求低谷时储电，在需求高峰时放电。
另一种机械装置通过压缩空气储存电力，然后将压缩空气存储在地下岩洞中。专门从事压缩空气储能业务的加拿大公司渊存（Hydrostor）的总裁乔恩 · 诺曼（Jon Norman）解释道：“当电网需要电力时，你将这些空气释放到空气涡轮机中，就能再次发电。它就像一个巨大的地下空气电池。”
这样的系统通常需要天然洞穴，但渊存公司采用了人工开凿的方式，在坚硬的岩石上挖掘出储气仓。与电池或飞轮相比，这类系统都属于大型基础设施项目，需要漫长的许可和施工过程。但是诺曼说，一旦克服了这些障碍，就可以通过将岩洞开凿得更深来慢慢扩大其容量，而且额外成本很低。
2019年，渊存公司在加拿大安大略省戈德里奇推出了全球首个商业化压缩空气储能设施，可储存约10兆瓦时的电力，可为约2100户家庭供电超过5小时。该公司计划在美国加利福尼亚州建设数座更大规模的储电设施，并在澳大利亚布罗肯希尔建造一座功率达200兆瓦的储电设施，预计可提供长达8小时的电力，以弥补太阳能和风能发电短缺的问题。
以热能和气体的形式储电
世界各地都在努力探索如何利用多余的可再生电力，将其用于加热水或其他储热材料。德国能源储存协会的卡特娅 · 埃舍（Katja Esche）表示，这样就可以为建筑物或工业生产过程提供气候友好型的供暖系统。
热力本身也可以用于储存电能，不过该项技术仍在开发中。英国杜伦大学的能源储存与能源系统专家马志伟近期对一种抽气式热力储能系统进行了测试。该系统的主要储能过程是通过电力压缩气体（如氩气），使其达到高压，从而升温；压缩气体则通过汽轮发电机膨胀发电。一些专家对这种热力储能系统持怀疑态度，因为其回收的电能最多只有储入量的40%，但马志伟抱有乐观的态度，他认为，通过更深入的研究，这种系统有望满足日常储能需求。
对于更长时间的储能（数周以上），许多专家把赌注押在了氢气上。氢气天然存在于大气中，但也可以通过电解水的方式，利用电力将水分解为氧气和氢气。氢气可储存在高压罐中，并在燃料电池或涡轮机中与氧气反应发电。
目前，氢气及其衍生物已被用于船舶、飞机和工业生产的燃料。而在长时储能方面，德国经济研究所的能源专家沃尔夫-彼得 · 席尔（Wolf-Peter Schill）表示，氢气似乎也是“最具潜力的技术选择”。2021年，席尔与人合著了一篇关于能源储存经济性的综述，发表在《资源经济学年度评论》（Annual Review of Resource Economics）上。
德国能源公司恩能拓（Enertrag）正在建设一座同时以上述两种方式利用氢气储能的设施：该公司位于柏林附近的700兆瓦太阳能和风能电站产生的剩余电力被用于制氢，并出售给各行各业。同时，恩能拓的董事会成员、机械工程师托比亚斯 · 比肖夫-尼姆兹（Tobias Bischof-Niemz）表示，未来该公司会储存约10%的氢气，作为“紧急备用措施”，以应对持续数周的黑暗无风期。
不过，氢气储能的想法面临着诸多质疑。与热力储能类似，氢气在转化回电力时会损失高达2/3的能量。此外，大规模储存氢气数周的成本并不低，不过，恩能拓正计划利用天然洞穴而非传统的高压钢瓶来储存氢气，以降低成本。
但比肖夫-尼姆兹认为，这部分费用并不重要，因为氢气是由本来会被浪费的廉价能源生产出来的。此外，他补充说，氢气储能只会在黑暗无风期被启用。“一年里只有两三周时间的电价如此昂贵，因此这种模式在经济角度上是可行的。”他表示。
成本问题
在上述方案之外，人们也在尝试许多其他长时储能方法。无论政府或公用事业公司支付多少费用（后者通常会将这些费用转嫁给消费者），成本都是决定性因素。德国亚琛工业大学的能源专家迪尔克 · 绍尔（Dirk Sauer）表示，所有新型储能系统都需要证明自身的成本显著低于锂离子电池。他指出，许多技术在示范阶段停滞不前，就是因为缺乏商业案例的支持。
而开发人员则认为，某些系统在储存8小时或更长时间的能量时，成本已经接近锂离子电池，另一些系统的成本则会在大批量生产后大幅下降。或许未来会有多种技术足以与锂离子电池展开竞争，但绍尔坦言，要实现这一目标“极其困难”。
开发人员面临的挑战在于，长时储能技术的市场才刚开始形成。许多国家（如美国）还处于能源转型初期，仍然严重依赖化石燃料。目前，大多数地区仍然通过化石燃料发电厂来应对持续数日的黑暗无风期。
事实上，希廷格估计，只有当太阳能和风能发电量占到总发电量的80%时，才会真正产生对长时储能的经济需求。而目前，在确保电网可靠性时，公用事业公司建造燃气发电厂（还是化石燃料）的成本往往比部署长时储能更低。
英国极光能源研究公司的能源系统研究员安妮 · 刘（Anne Liu）认为，提高储能技术成本效益的重要方式之一是对化石燃料征收碳税。例如，在瑞士等欧洲国家，公用事业公司每排放一吨碳，就需支付约130美元的碳税。而在美国加州，电网运营商要求公用事业公司确保足够的能源覆盖率，并提供资金支持，从而推动储能技术的发展。
市场激励也有助于推动储能技术发展。在电价波动较大的美国得克萨斯州能源市场，锂离子电池尽管成本高昂，仍能帮助消费者节省数亿美元，因为他们可以在电价较低时利用锂电池储存电能，并在电力短缺时高价出售获利。安妮 · 刘表示：“一旦电力市场形成激励机制，长时储能电池的可行性就会大幅提高。”
不过，即便激励措施到位，谁来支付储能成本仍是一个悬而未决的问题，而许多关于电网从化石燃料转型的成本预测并未考虑到这一点。非营利组织长时储能委员会的市场与技术总监盖布 · 穆尔塔夫（Gabe Murtaugh）指出：“我认为，我们还未充分、深入地研究这些去碳化路径的真实成本。”
穆尔塔夫估计，以加州为例，如果没有干预措施，消费者的水电费最终可能会增长到现在的3倍。“我们需要考虑各州政府和联邦政府该如何直接或间接支付其中的一部分费用，”穆尔塔夫说，“这将变得非常重要。”
节约成本与资源
成本因素也促使专家思考如何减少对储能的依赖。强化电网的方法之一是建设更稳定的可再生能源形式，例如利用地热技术从地球的热量中获取能量。另一种方法是扩大电网的连接范围，比如建立横跨整个美国或整个欧洲的电网，以平衡各地太阳能和风能发电的波动。此外，延长储能技术的使用寿命，也有助于降低成本、减少资源消耗。
美国佛蒙特州的非营利组织清洁能源集团的负责人塞斯 · 穆伦多尔（Seth Mullendore）表示，从电网取电时，对取电时间进行智能优化同样可以节约成本和资源。如果我们不在下班回家时给电动汽车充电，而是在正午烈日当空时充电呢？如果我们调整建筑物的供暖和制冷，让它们主要在风力强劲的时段进行呢？
穆伦多尔的团队最近帮助马萨诸塞州定制了一项计划，如果电力用户响应公用事业公司发出的信号，减少能源使用（例如把空调开小或是推迟给电动汽车充电的时间），就可以注册获得报酬。在未来的智能电网中，这种调整可能会变得更加普遍，甚至完全自动化，同时允许用户在需要时手动控制覆盖这些调整。穆伦多尔说，政府也可以在公用事业公司优化电网设计时给予奖励，以此激励这些计划：“相较于建设更多基础设施以提供更多能源的成本，鼓励人们少用能源的成本要低得多。”
要想让全球电网适应未来依赖太阳能和风能的趋势，需要工程师、企业和政策制定者的深思熟虑以及全球层面的共同推动。未来的电网可能会广泛采用锂离子或钠离子电池以满足短期储能需求，并使用更新型的技术进行长时储能。飞轮储能或许会变得更加普及，地下洞穴则可能会存满压缩空气或氢气，以度过可怕的黑暗无风期。电网也许能通过内置方式智能地调整电力需求，充分利用多余的电能，而不是让其白白浪费。
“电网，”孟颖说，“很可能是人类有史以来建造过的最复杂的机器。”
资料来源 Knowable Magazine
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本文作者卡塔丽娜·齐默（Katarina Zimmer）是一名常驻柏林的科学与环境记者