全球?qū)μ?yáng)能和風(fēng)力發(fā)電的需求在不斷激增。2009年以來(lái)，全球太陽(yáng)能光伏的裝機(jī)量平均每年增加了約40%，而風(fēng)力發(fā)電力的裝機(jī)容量已經(jīng)增加了一倍。

風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的急劇增長(zhǎng)，已經(jīng)導(dǎo)致公共部門(mén)開(kāi)始測(cè)試大規(guī)模能夠存儲(chǔ)多余清潔電力并且在陽(yáng)光和風(fēng)力供應(yīng)都不足時(shí)按需傳送電力的技術(shù)。

現(xiàn)在，一組來(lái)自斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)就為電網(wǎng)制造電池和其他存儲(chǔ)技術(shù)的“巨大成本”進(jìn)行了研究。目前的問(wèn)題是，可再生能源的供應(yīng)，例如風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏，是否可以產(chǎn)生足夠的能量來(lái)推動(dòng)其自身的成長(zhǎng)以及必要的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“當(dāng)創(chuàng)建一項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，你必須預(yù)先投入大量的精力，”斯坦福大學(xué)的一位研究助理邁克爾•戴爾表示。“研究表明，風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能光伏裝置現(xiàn)在生產(chǎn)的能量比它們消耗的能量要多。問(wèn)題是，風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)能夠負(fù)擔(dān)得起多少額外的電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)，而能源供應(yīng)商仍然能夠?yàn)殡娋W(wǎng)保存多少額外的電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)。”

在發(fā)表于三月十九日《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版的文章中，戴爾和他的斯坦福大學(xué)的同事發(fā)現(xiàn)，從一個(gè)充滿活力的角度來(lái)看，風(fēng)電行業(yè)能夠輕松負(fù)擔(dān)起大量的存儲(chǔ)，足以提供超過(guò)三天的不間斷電力。然而，該研究還發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)僅能負(fù)擔(dān)起約24小時(shí)的能量?jī)?chǔ)存。這是因?yàn)?，與風(fēng)力汽輪機(jī)相比，它需要應(yīng)用更多的能量來(lái)制造太陽(yáng)能電池板。

“我們研究了通過(guò)現(xiàn)時(shí)構(gòu)建電池和其他存儲(chǔ)技術(shù)而有可能給風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)造成的負(fù)擔(dān)的增加，”該研究的主要作者戴爾表示。“我們的分析表明，今天的風(fēng)電行業(yè)，甚至是具有大量電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)的風(fēng)電行業(yè)，是積極可持續(xù)的。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)減少用于制造太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)也能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的存儲(chǔ)能力。”

他表示，還需要減少對(duì)電池制造的能源投入。

有力的風(fēng)

多年來(lái)，消費(fèi)者已經(jīng)習(xí)慣于認(rèn)為靠煤炭、天然氣或石油運(yùn)行的發(fā)電廠是電力需求的主要來(lái)源。但是這些可提供可靠的、不間斷的能量的化石燃料，還會(huì)散發(fā)出數(shù)億噸溫室氣體，造成全球變暖。

風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)提供無(wú)排放的能源，但是只有在刮風(fēng)和陽(yáng)光普照的時(shí)候才會(huì)發(fā)電。過(guò)剩能量可以被存儲(chǔ)用于以后使用，但是今天的電網(wǎng)不具有存儲(chǔ)能力，因此使用了其他措施來(lái)平衡電力供應(yīng)和需求。

在這項(xiàng)研究中，斯坦福大學(xué)的小組為電網(wǎng)考慮了多種存儲(chǔ)技術(shù)，包括電池和地質(zhì)系統(tǒng)，例如抽水水電存儲(chǔ)。對(duì)于風(fēng)電行業(yè)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)是非常有利的。

“風(fēng)能技術(shù)產(chǎn)生的能量比其消耗的能量多得多，”戴爾表示。“我們研究表明，風(fēng)能事實(shí)上產(chǎn)生了足夠的富余電量來(lái)支持長(zhǎng)達(dá)72小時(shí)的電池使用或地質(zhì)儲(chǔ)存。這表明，該行業(yè)可以部署足夠的存儲(chǔ)以應(yīng)付三天的風(fēng)力間歇，這在許多天氣系統(tǒng)中都是常見(jiàn)的，并且仍然向社會(huì)提供凈電力。”

該結(jié)果對(duì)于陸上風(fēng)力渦輪機(jī)非常有利。“我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)三天的地質(zhì)儲(chǔ)存支持的陸上風(fēng)電，可以支持100%的年增長(zhǎng)率——也就是說(shuō)，每年在規(guī)模方面翻一番——并且仍然能保持能量過(guò)剩狀態(tài)，”他表示。

“這些結(jié)果是非常鼓舞人心的，”研究的共同作者、斯坦福大學(xué)能源工程的教授兼全球氣候與能源項(xiàng)目(GCEP)的主任薩莉•本森表示。“他們表明，你可以創(chuàng)建一個(gè)通過(guò)將風(fēng)能和存儲(chǔ)結(jié)合在一起來(lái)增長(zhǎng)及本身的可持續(xù)的能源系統(tǒng)。這取決于該行業(yè)的增長(zhǎng)速率，因?yàn)槟阍鲩L(zhǎng)的越快，你就需要更多的能量來(lái)建造新的渦輪機(jī)和電池。”

太陽(yáng)能行業(yè)

斯坦福大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)，對(duì)于太陽(yáng)能行業(yè)，我們需要進(jìn)行更多的工作來(lái)使電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)得到大力發(fā)展。該研究顯示，一些太陽(yáng)能技術(shù)，如單晶硅電池，成長(zhǎng)得如此之快，以至于它們成為凈能阱——也就是說(shuō)，它們消耗的功率比他們提供給電網(wǎng)的要多。從能量的角度來(lái)看，這些行業(yè)“不能支持任何水平的存儲(chǔ)，”該研究總結(jié)稱。

“我們的分析表明，從一個(gè)充滿活力的角度來(lái)看，大多數(shù)光伏技術(shù)與一個(gè)電池和泵送水電的等量混合一同只能承擔(dān)起長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)的存儲(chǔ)，”戴爾表示。“這表明，具有足夠存儲(chǔ)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以被部署于夜間來(lái)提供電力，并且該行業(yè)仍然能夠以凈能量盈余來(lái)運(yùn)作。”

風(fēng)能優(yōu)于太陽(yáng)能的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它在投資方面具有巨大的能源回報(bào)，本森解釋稱。“在短短幾個(gè)月內(nèi)，風(fēng)力渦輪機(jī)所產(chǎn)生的電力就足以償還所有用以構(gòu)建它的能量，”她表示。“但是，一些光伏發(fā)電的能源回收期用了近兩年的時(shí)間。而為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)地支持電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)，需要將用于制造光伏電池的礦物燃料的量不斷減少。”

其他費(fèi)用

斯坦福小組主要專注于研究風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)部署存儲(chǔ)的巨大成本。研究人員并沒(méi)有計(jì)算每隔幾年需要多少能量來(lái)建立和替換電網(wǎng)規(guī)模的電池，也沒(méi)有考慮建造和安裝大型存儲(chǔ)系統(tǒng)的財(cái)務(wù)成本。

“人們經(jīng)常會(huì)問(wèn)，對(duì)于間歇性可再生能源來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)是一個(gè)好的還是壞的解決方法?”本森表示。“這位問(wèn)題太過(guò)于簡(jiǎn)單化了。它既不好也不壞。雖然風(fēng)電中電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)與從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)電力相比可能不符合成本效益，但是它非常的實(shí)惠，即使是以兩位數(shù)的速率增長(zhǎng)的風(fēng)電行業(yè)。

“在太陽(yáng)能行業(yè)能夠承擔(dān)得起像今天風(fēng)能所承擔(dān)的存儲(chǔ)之前，它需要持續(xù)地降低其用于建造光伏組件的能量。”