美国人一打开电灯开关，就会理所当然地用上电。但美国太阳能和风能使用量的不断增加，使按需供电变得更具挑战性。
一个关键问题是，美国电网实际上没有存储能力，因此电网运营商无法储存剩余的清洁能源，并在夜间或无风时输送。
为了在管理电网方面提供更大的灵活性，研究人员已经开始开发新的电池和其他大型存储设备。但斯坦福大学(Stanford University)的科学家表示，建造这些技术所需的化石燃料可能会抵消安装新的太阳能和风力发电场所带来的一些环境效益。
斯坦福大学全球气候与能源项目(GCEP)的博士后研究员、该研究的主要作者查尔斯·巴恩哈特(Charles Barnhart)说:“我们计算了在未来由大量可再生资源供应的电网上建立存储将花费社会多少能源。”“事实证明，电网存储在能源上是很昂贵的，而一些技术，比如铅酸电池，将需要比其他技术更多的能源来建造和维护。”
研究结果发表在该杂志最近的网络版上能源与环境科学．
美国生产的大部分电力来自燃煤和天然气发电厂。只有大约3%的能源来自风能、太阳能、水力发电和其他可再生能源。斯坦福大学的研究认为，未来的美国电网将有80%的电力来自可再生能源。
“风能和太阳能显示出作为低碳电力来源的巨大潜力，但它们依赖于天气，”该研究的共同作者、斯坦福大学能源资源工程研究教授、全球气候研究中心主任萨莉·本森(Sally Benson)说。
“随着来自这些来源的电力百分比增加，电网运营商将需要储能来帮助使用需求的平衡供应。据我们所知，这项研究是第一个实际量化电网储存的能量成本随着时间的推移。“
抽水蓄能
根据Barnhart的说法，美国网格的总存储容量小于1％。随着泵送水力发电，清洁，可再生技术的容量很少。这是它的工作原理：当需求较低时，剩余电力用于将水泵泵送到大坝后面的水库。当需求很高时，水通过产生电力的涡轮机释放。
对于斯坦福学习，Barnhart和Benson比较了用生产五种有前途的电池技术的充满活力成本来制作泵送水力机构所需的能量：铅酸，锂离子，硫磺，钒 - 氧化还原和锌 - 溴．
“我们的第一步是计算从摇篮到门的隐含能量，”巴恩哈特说。“这是建造和交付这项技术所需的总能量——从锂和铅等原材料的提取，到最终设备的制造和安装。”
要确定构建五种电池技术中的每一个所需的能量，Barnhart依赖于Argonne国家实验室和其他来源收集的数据。数据显示，与泵送水电储存相比，所有五个电池都具有高的实施能成本。
“这有点直观，因为电池技术是由金属制成的，有时是稀有金属，需要大量的能源来获取和净化，”巴恩哈特说。“而泵送的水力设施是由空气、水和灰尘组成的。它基本上就是在地面上挖一个洞，然后建一个钢筋混凝土大坝。”
在确定了建造每种存储技术所需的内蕴能量后，巴恩哈特的下一步是计算在30年时间尺度上维持这种技术所需的能量成本。“理想情况下，储能技术应该持续几十年，”他说。“否则，你将不得不获得更多的材料，重建技术并运输它。所有这些都需要消耗能源。所以它持续的时间越长，它消耗的社会能源就越少。”
为了量化长期能源成本，巴恩哈特和本森提出了一个新的数学公式，他们称之为ESOI，即投资储能。巴恩哈特说:“ESOI是一项技术所能存储的能量，除以建造该技术所需的能量。”ESOI值越高，储能技术就越活跃。”
当巴恩哈特分析数据时，结果很清楚。他说:“我们确定泵送水电站的ESOI值为210。“这意味着它在其生命周期内可以存储比建造它所需的能量多210倍的能量。”
这五种电池技术的表现要差得多。锂离子电池表现最好，ESOI值为10。铅酸电池的ESOI值为2，是本研究中最低的。“这意味着传统的铅酸电池只能储存两倍于制造所需的能量，”Barnhart说。“因此，使用目前可用的铅酸电池为全球电网提供存储是不切实际的。”
提高循环寿命
他说，降低电池长期能量成本的最好方法是提高电池的循环寿命，也就是说，增加电池在其使用寿命内充电和放电的次数。巴恩哈特说:“抽水蓄能可以实现超过25000次循环。这意味着它可以按需求提供30年或更长时间的清洁能源。如果电池也能达到同样的循环寿命，那就太棒了。”
研究中提到的传统电池技术都没有达到这个水平。锂离子电池的循环次数最多，达到6000次，而铅酸电池的循环次数最少，只有700次。
“随着时间的推移，储能技术降低能耗的最有效方法是增加其循环寿命，”本森说。“目前大多数电池研究都集中在提高存储能力或电力容量上。这些特性对于电动汽车和便携式电子产品来说非常重要，但对于在电网上储存能量来说则不重要。基于我们的ESOI计算，电网电池研究应该专注于将循环寿命延长3到10倍。”
除了能源成本，巴恩哈特和本森还计算了建造这些电网规模的存储技术的材料成本。
“一般来说，我们发现材料限制不是作为能量约束的限制，”Barnhart说。“似乎地球上有大量的材料来构建能量存储。有例外，例如钴，其用于一些锂离子技术和钒，钒氧化铈流量电池的关键部件。“
抽水蓄能还面临着另一组挑战。巴恩哈特说:“抽水式水力发电在能源上非常便宜，但有利于抽水式水力发电的地质位置正在减少，而那些仍然存在的地质位置对环境非常敏感。”
该研究还评估了一种称为CAES，或压缩空气储能的有希望的技术。CAES通过将空气在非常高的压力下泵送到巨大的洞穴或含水层中，然后通过涡轮机释放压缩空气以产生充电的需求。斯坦福球队发现CAES拥有所研究的所有技术的最少材料限制，以及最高的ESOI值：240。今天的两个CAES设施在阿拉巴马州和德国运营。
全球变暖的影响
Barnhart表示，该研究的主要目标是鼓励开发更低温室排放和遏制全球变暖的实用技术。他补充说，煤炭和天然气燃气厂负责至少三分之一的排放，并用无排放技术取代它们可能会产生巨大影响。
“在电网上储存电能有很多好处，”他说。“它允许消费者在需要的时候使用电力。它增加了我们可以从风能和太阳能中获得的能量，这些都是很好的低碳资源。”
2012年11月，美国能源部启动了耗资1.2亿美元的能源存储研究联合中心(Joint Center for Energy Storage Research)，这是一项全国性的努力，旨在为电网开发高效可靠的存储系统。该中心由阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)领导，与斯坦福大学(Stanford)的SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)以及其他十几家机构和公司合作。该中心的部分任务是开发新的电池架构，以改善性能和增加循环寿命，这是巴恩哈特和本森强烈支持的方向。
“我希望我们的研究成为武器呼吁增加电能存储的循环寿命，”Barnhart说。“这真的是一个基本的保守派校长：持续时间越长，你将使用的能量越少。你可以买到一双真正做的一双靴子，这将持续五年，或者将持续一对的鞋底对。“
有关更多信息访问www.standford.edu.．
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