要了解可再生能源面临的巨大障碍，看看丹麦就知道了。这个小国拥有一些世界上最大的风力发电场。然而，由于消费者对电力的需求通常在风力最强劲时最低，丹麦不得不以极低的价格将其过剩的电力出售给邻国——却又不得不在需求上升时以更高的价格购回能源。因此，丹麦消费者支付着地球上最高的电费。
德克萨斯州和加利福尼亚州的公用事业公司也面临着类似的供需不匹配问题；他们有时不得不付费请客户使用来自风力发电机和太阳能发电场的能源。从理论上讲，风能和太阳能可以为美国和其他一些国家提供他们所需的所有电力。然而，在实践中，根据美国能源部的数据，这两种能源都太不稳定，无法提供超过一个地区总能源容量约20%的电力。超过这个比例，平衡供需就变得过于困难。我们需要的是廉价且高效的储能方法，以便在狂风呼啸和烈日当空时产生的电力能够储存起来，供以后使用。
某些技术，如超导磁体、超级电容器和先进飞轮，对于这一目的而言过于昂贵，或者无法有效地长时间保持电力。但《大众科学》已经考察了五种可能奏效的技术。它们中的每一种都可能储存足够维持整个大都市运转数天的能量。我们请一个专家小组根据三个标准对每种技术进行了评分：该技术的可扩展性如何？建设成本是否划算？运行效率是否高？没有哪种存储方法能够返回与其投入的能量相同的能量，但有些系统比其他系统做得更好。
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前两种解决方案——抽水蓄能和压缩空气——已经比较成熟且经济可行。其他竞争者中的每一个都需要某种突破，但回报可能是巨大的。“我预计从现在起十年后，我们将在电网上看到大量的储能，”美国能源部储能项目主管、物理学家 Imre Gyuk 说。
抽水蓄能
可扩展性 4.0
成本效益 4.0
能源效率 4.2*
优点：高效、经济、高度可靠
缺点：缺乏合适的场地
*我们的专家小组给出的平均评分，满分 5 分
一些国家已经使用抽水蓄能储存了相当可观的电力——美国约为 20 吉瓦。这项具有百年历史的技术本质上是一座可以反向运行的水力发电大坝。过剩的电力被用来将水从较低的水库抽到较高的水库。当水回落到较低的水库时，它会通过涡轮叶片，涡轮叶片转动发电机以产生电力。往返效率——可以回收的能量减去损失——可以高达 80%。
在美国，38 个抽水蓄能设施可以储存相当于该国发电容量略高于 2% 的电力。与欧洲（接近 5%）和日本（约 10%）相比，这个份额很小。但该行业计划在现有发电厂附近建造水库。“你所需要的只是海拔差异和一些水，”奥马哈 HDR 公司高级副总裁 Rick Miller 说。他说，正在考虑的项目足以使现有容量增加一倍。
最雄心勃勃的计划之一是南加州的鹰山抽水蓄能项目。它将从一个废弃的铁矿露天矿中开凿两个水库，以储存来自区域风力发电场和太阳能发电场的能量，并且可以返回 1.3 吉瓦的电力——相当于一座大型核电站。在蒙大拿州，草原可再生能源公司提议的水力蓄能项目将把来自大平原的风能储存在一个人工湖中，该人工湖将建在一个孤丘的顶部，落差为 400 米。
抽水蓄能的增长主要受到地形的限制。大型、地势较高的盆地必须被淹没，这可能会破坏生态系统。有些地方，如丹麦和荷兰，地势太平坦。对于这些地区，荷兰能源咨询公司 Kema 提出了一个激进的“能源岛”替代方案：一个人工泻湖——在浅海中——带有一个圆形墙壁，该墙壁将由垃圾填埋场建造。过剩的电力将把海水从泻湖中抽出并排入周围的海洋。当需要能量时，海水将通过墙壁中的隧道流回内部，流经涡轮机。海洋充当“上”水库。
加利福尼亚州圣巴巴拉的重力电力公司有一个几乎可以在任何地方部署的方案：在地下挖一个深竖井，一个重型圆柱体将位于底部。水将被泵入圆柱体下方，将其抬起。为了回收能量，底部的隧道将打开，水将通过涡轮机冲入隧道。
压缩空气
可扩展性 4.0
成本效益 4.0
能源效率 3.4
优点：经济高效、经过测试
缺点：可能需要燃烧一些天然气
在阿拉巴马州农村的地下深处，一个只有帝国大厦一半大的洞穴里储存着可能是解决世界能源存储需求的最快方法：空气。在地表上，强大的电动泵在电力供应超过需求时将高压空气注入洞穴。当电网供不应求时，一些压缩空气被释放出来，冲击涡轮机并使其旋转。位于阿拉巴马州麦金托什的该设施由 PowerSouth Energy Cooperative 运营，可以提供可观的 110 兆瓦电力，持续长达 26 小时。它是美国唯一的压缩空气运营设施，但已成功运行 20 年。德国 E.ON Kraftwerke 公司位于汉诺威，在下萨克森州的亨特夫运营着一家类似的工厂。
PowerSouth 通过用水缓慢溶解盐矿床创建了洞穴，这与形成美国战略石油储备洞穴的过程相同。盐矿床在美国南部各地都很丰富，大多数州都有一种或另一种地质构造，包括天然洞穴和枯竭的油气田，可以容纳压缩空气。
压缩空气项目的提案已在包括纽约州和加利福尼亚州在内的几个州涌现。然而，最近，一项拟议的耗资 4 亿美元的爱荷华州储能公园项目在得梅因附近被废弃，因为详细研究表明，将容纳空气的砂岩的渗透性是不可接受的。
一个实际的障碍是，空气在压缩时会变热，在膨胀时会变冷。这意味着一些用于压缩的能量会以废热的形式损失掉。如果空气只是简单地释放出来，它会变得非常冷，以至于冻结它接触到的一切——包括工业级涡轮机。因此，PowerSouth 和 E.ON 燃烧天然气以产生热气流，当冷空气膨胀到涡轮机中时，热气流会对其进行加热，从而降低了整体能源效率并释放了二氧化碳，这削弱了风能和太阳能的一些好处。
由于这些复杂性限制了压缩空气存储的效率，工程师们正在设计对策。一种选择是隔离洞穴，使空气保持温暖。热量也可以转移到固体或液体储罐中，稍后可以重新加热膨胀的空气。SustainX 是一家位于新罕布什尔州西布鲁克的初创公司，在压缩过程中将水滴喷射到空气中，水滴会加热并在水池中积聚。水稍后会被喷回膨胀的空气中，对其进行加热。SustainX 已经在地面储罐中演示了其工艺。位于马萨诸塞州牛顿的通用压缩公司正在为地下存储开发类似的方法，并计划在德克萨斯州建造一个大型示范工厂。“我们永远不需要燃烧天然气，”总裁 David Marcus 说。
先进电池
可扩展性 3.6
成本效益 2.0
能源效率 3.8
优点：节能、可靠
缺点：昂贵
一些专家表示，电池可能是间歇性电源的理想存储介质。它们易于充电，可以立即打开和关闭，并且可以轻松扩展。几十年来，公用事业公司通过堆叠成排的现成电池（包括汽车中使用的铅酸电池）为电网的偏远角落提供备用电源。一些公司已经试验了熔融钠硫电池。电力公司 AES 在西弗吉尼亚州埃尔金斯安装了超过 30 兆瓦的锂离子电池，以支持其 98 兆瓦的风力涡轮机。然而，如果电池要参与大规模存储的竞争，其成本必须大幅下降。
电池的成本是由材料（正极和负极以及分隔它们的电解质）以及将其制造成紧凑包装的过程驱动的。与对常见电池类型进行渐进式改进相比，彻底的重新设计可能更有可能大幅降低成本。
唐纳德·R·萨多韦是麻省理工学院的一位化学家，他正在开发一种他称之为液态金属电池的非同寻常的设计。它的优势在于其简单性：一个保持在高温下的圆柱形容器中装有两种熔融金属，它们之间由熔融盐隔开。液态金属与盐不混溶——“就像油和醋一样，”萨多韦说——并且密度不同，因此它们自然地堆叠在一起。当两种金属通过外部电路连接时，就会产生电流。每种金属的离子都会溶解到熔融盐中，使该层变厚。为了给电池充电，来自电网的过剩电流会反向运行该过程，迫使溶解的离子返回到各自的层。
萨多韦迄今为止已经在实验室制造了“披萨盒大小”的电池，但他认为这种设计可以经济地扩大规模，甚至可能比抽水蓄能的每千瓦时 100 美元更便宜。萨多韦在尝试扩大规模之前不会确切知道可能会出现什么问题，但他很乐观，因为与传统电池费力且昂贵的制造不同，他的电池可以通过简单地将材料倒入罐中来批量制造。
更成熟可靠的设计是液流电池。容器内的固态膜将两种液态电极分开，这两种液态电极可以储存大量能量。液流电池在精神上类似于一种更新的技术，绰号为“剑桥原油”，它使用纳米粒子作为悬浮在流体中的电极[参见克里斯托弗·米姆斯撰写的“电动汽车的液体燃料”；《改变世界的想法》，《大众科学》，2011 年 12 月]。
液流电池有几个优点。它在室温下运行，不像液态金属电池那样必须加热。要扩大规模，只需制造更大的电极或添加更多的容器即可。一家倒闭的初创公司 VRB Power Systems 安装了两个使用钒金属溶液的液流电池——一个在犹他州摩押，一个在澳大利亚的一个小岛上——之后将其技术出售给了位于马里兰州贝塞斯达的 Prudent Energy 公司。其他公司正在尝试通过提高离子跨膜流动的效率来改进这一想法。位于康涅狄格州哈特福德的联合技术公司 (UTC) 的化学工程师 Mike Perry 说，他的公司正在投资数百万美元，并押注液流电池在五年左右的时间内可以与用于满足公用事业高峰需求的燃气电厂竞争。UTC 也专注于钒，因为它是石油开采中丰富且廉价的副产品。多伦多 Energizer Resources 公司也在马达加斯加开发一个大型钒矿，这将确保供应。
热存储
可扩展性 3.6
成本效益 3.6
能源效率 3.0
优点：可以位于任何地方
缺点：昂贵，难以长时间保持能量
在阳光充足的地区，聚光太阳能发电站可以成为一种经济的发电和储存太阳能的方式。成排的抛物面镜将阳光聚焦在与排平行延伸的长管上，加热管道内的矿物油等流体。油流到建筑物，在那里它的热量将水转化为蒸汽，蒸汽转动涡轮机以产生电力。当太阳下山时，流体可以储存在储罐中以产生更多的蒸汽至少几个小时，直到它慢慢冷却。
许多聚光太阳能发电站在美国和欧洲运营。然而，为了更长时间地保持热能，意大利阿基米德太阳能公司在西西里岛锡拉库扎镇附近建造了一个示范工厂，该工厂使用熔融盐代替油。阿基米德公司业务开发和销售总监 Paolo Martini 说，熔融盐可以加热到接近 550 摄氏度，而油的温度为 400 摄氏度，因此它可以在日落后产生更多的蒸汽持续更长的时间。Martini 说，五立方米的熔融盐可以储存一兆瓦时的能量，而油则需要 12 立方米。德国 Solar Millennium 公司自 2008 年以来一直在西班牙安达卢西亚运营着规模庞大的 Andasol 1 熔融盐系统。2011 年 6 月，它实现了 24 小时不间断太阳能发电的里程碑。
今天聚光太阳能发电厂产生的电力大约是天然气发电厂的两倍。然而，一份行业路线图预测，通过调整工厂设计（包括流体的化学成分）和引入规模经济，聚光太阳能将在 10 年内与天然气竞争。在很少见到云的地方（如撒哈拉沙漠）建造的工厂最有可能取得成功。
当然，来自风力发电场或其他来源的过剩能量也可以加热流体，以便稍后发电。热存储也可以涉及冷而不是热。位于科罗拉多州温莎的初创公司 Ice Energy 出售在夜间电力充足时制冰的系统。白天，冰融化以向 HVAC 系统提供冷却液，用于空调。一些商业公用事业客户（如大型商店）开始安装这些装置，从而减少了最热时段电网对空调电力的需求。
家用氢能
可扩展性 2.2
成本效益 1.0
能源效率 1.4
优点：高效、轻便
缺点：仍需要基本材料方面的突破
一种长期的储能方法将依赖于房主而不是公用事业设施。两个多世纪以来，科学家们通过向水中通电将其分解为氢气和氧气。氢气随后可以在燃料电池中消耗以产生电力。挑战在于既要有效地分解水，又要有效地“燃烧”氢气，而不会产生过多的废热。
如果直接使用阳光而不是来自电网的电力，分解氢气的效率可能会更高，就像植物利用太阳光进行光合作用期间的水解一样。能够做到同样事情的人造水解电池已经存在多年，但它们效率低下且昂贵。麻省理工学院的丹尼尔·诺塞拉和加州理工学院的内森·S·刘易斯等化学家一直在开发可能表现更好的新型材料——诺塞拉案例中的钴基催化剂和刘易斯案例中的纳米棒——但成本仍然非常高。
无论人们是直接使用电力还是太阳光，再转化方面的障碍也同样巨大。燃料电池可以有效地燃烧氢气，但它们依赖于昂贵的催化材料，如铂。一个可以为汽车供电或为建筑物照明的装置可能要花费数万美元。因此，科学家们正在寻找替代材料。储存氢气又增加了一个困难，因为这种气体具有爆炸性，必须液化或压缩。
如果所有这些挑战都能够克服，房主可以在他们的房屋内拥有自己的小型氢能发电站。当当地公用事业公司有多余的风能或太阳能时，房主将使用它来分解氢气，然后在太阳或风减弱时为房屋供电。而且，由于氢气的能量密度甚至高于汽油，它有一天也可以推动汽车和卡车，从而实现长期构想的氢经济。
本文以“Gather the Wind”为标题发表在印刷版上。