全球對太陽能和風力發(fā)電的需求在不斷激增。2009年以來，全球太陽能光伏的裝機量平均每年增加了約40%，而風力發(fā)電力的裝機容量已經(jīng)增加了一倍。

風能和太陽能產(chǎn)業(yè)的急劇增長，已經(jīng)導致公共部門開始測試大規(guī)模能夠存儲多余清潔電力并且在陽光和風力供應都不足時按需傳送電力的技術。

現(xiàn)在，一組來自斯坦福大學的研究人員已經(jīng)就為電網(wǎng)制造電池和其他存儲技術的“巨大成本”進行了研究。目前的問題是，可再生能源的供應，例如風能和太陽能光伏，是否可以產(chǎn)生足夠的能量來推動其自身的成長以及必要的儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“當創(chuàng)建一項新技術時，你必須預先投入大量的精力，”斯坦福大學的一位研究助理邁克爾•戴爾表示。“研究表明，風力渦輪機和太陽能光伏裝置現(xiàn)在生產(chǎn)的能量比它們消耗的能量要多。問題是，風能和太陽能產(chǎn)業(yè)能夠負擔得起多少額外的電網(wǎng)規(guī)模的存儲，而能源供應商仍然能夠為電網(wǎng)保存多少額外的電網(wǎng)規(guī)模的存儲。”

在發(fā)表于三月十九日《能源與環(huán)境科學》雜志網(wǎng)絡版的文章中，戴爾和他的斯坦福大學的同事發(fā)現(xiàn)，從一個充滿活力的角度來看，風電行業(yè)能夠輕松負擔起大量的存儲，足以提供超過三天的不間斷電力。然而，該研究還發(fā)現(xiàn)，太陽能產(chǎn)業(yè)僅能負擔起約24小時的能量儲存。這是因為，與風力汽輪機相比，它需要應用更多的能量來制造太陽能電池板。

“我們研究了通過現(xiàn)時構建電池和其他存儲技術而有可能給風能和太陽能產(chǎn)業(yè)造成的負擔的增加，”該研究的主要作者戴爾表示。“我們的分析表明，今天的風電行業(yè)，甚至是具有大量電網(wǎng)規(guī)模存儲的風電行業(yè)，是積極可持續(xù)的。我們發(fā)現(xiàn)，通過減少用于制造太陽能光伏發(fā)電的能量，太陽能產(chǎn)業(yè)也能實現(xiàn)可持續(xù)的存儲能力。”

他表示，還需要減少對電池制造的能源投入。

有力的風

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

風能和太陽能發(fā)電場提供無排放的能源，但是只有在刮風和陽光普照的時候才會發(fā)電。過剩能量可以被存儲用于以后使用，但是今天的電網(wǎng)不具有存儲能力，因此使用了其他措施來平衡電力供應和需求。

在這項研究中，斯坦福大學的小組為電網(wǎng)考慮了多種存儲技術，包括電池和地質系統(tǒng)，例如抽水水電存儲。對于風電行業(yè)，這個發(fā)現(xiàn)是非常有利的。

“風能技術產(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，風能事實上產(chǎn)生了足夠的富余電量來支持長達72小時的電池使用或地質儲存。這表明，該行業(yè)可以部署足夠的存儲以應付三天的風力間歇，這在許多天氣系統(tǒng)中都是常見的，并且仍然向社會提供凈電力。”

該結果對于陸上風力渦輪機非常有利。“我們發(fā)現(xiàn)，通過三天的地質儲存支持的陸上風電，可以支持100%的年增長率——也就是說，每年在規(guī)模方面翻一番——并且仍然能保持能量過剩狀態(tài)，”他表示。

“這些結果是非常鼓舞人心的，”研究的共同作者、斯坦福大學能源工程的教授兼全球氣候與能源項目(GCEP)的主任薩莉•本森表示。“他們表明，你可以創(chuàng)建一個通過將風能和存儲結合在一起來增長及本身的可持續(xù)的能源系統(tǒng)。這取決于該行業(yè)的增長速率，因為你增長的越快，你就需要更多的能量來建造新的渦輪機和電池。”

太陽能行業(yè)

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

“我們的分析表明，從一個充滿活力的角度來看，大多數(shù)光伏技術與一個電池和泵送水電的等量混合一同只能承擔起長達24小時的存儲，”戴爾表示。“這表明，具有足夠存儲的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以被部署于夜間來提供電力，并且該行業(yè)仍然能夠以凈能量盈余來運作。”

風能優(yōu)于太陽能的一個優(yōu)點是，它在投資方面具有巨大的能源回報，本森解釋稱。“在短短幾個月內，風力渦輪機所產(chǎn)生的電力就足以償還所有用以構建它的能量，”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間。而為了實現(xiàn)可持續(xù)地支持電網(wǎng)規(guī)模的存儲，需要將用于制造光伏電池的礦物燃料的量不斷減少。”

其他費用

斯坦福小組主要專注于研究風能和太陽能發(fā)電場部署存儲的巨大成本。研究人員并沒有計算每隔幾年需要多少能量來建立和替換電網(wǎng)規(guī)模的電池，也沒有考慮建造和安裝大型存儲系統(tǒng)的財務成本。

“人們經(jīng)常會問，對于間歇性可再生能源來說，存儲是一個好的還是壞的解決方法?”本森表示。“這位問題太過于簡單化了。它既不好也不壞。雖然風電中電網(wǎng)規(guī)模的存儲與從電網(wǎng)購買電力相比可能不符合成本效益，但是它非常的實惠，即使是以兩位數(shù)的速率增長的風電行業(yè)。

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