本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在接下来的几周内，我们将与德克萨斯大学奥斯汀分校的研究生罗伯特·法雷斯（Robert Fares）一同探讨电网储能作为Pecan Street Inc.正在进行的智能电网示范项目的一部分所带来的益处。罗伯特将撰写一系列客座文章，讨论电网储能技术，以及储能如何使电网受益。
在今天的电网中，发电点和输送点之间基本上不储存电能，这可能会让人感到惊讶。您在家中消耗的每一千瓦时电量都是实时发电、传输并输送到您特定的电源插座的。换句话说，目前的电网完全按需运行。这种看似低效的运行模式源于电力存储技术的高成本；与储存电能相比，加大电网每个组件的尺寸以满足峰值能量需求成本更低。
在电网中增加储能将提高其可靠性，并允许广泛利用间歇性可再生能源。然而，目前电网级储能技术的成本仍然过高。为了克服这一障碍，美国能源部设定了一个雄心勃勃的长期成本目标，即电池储能为每千瓦时150美元——约为现有商业电池系统估计成本的三分之一。
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尽管目前的储能成本过高，但自1930年康涅狄格电气照明电力公司建造了美国第一个抽水蓄能设施以来，美国一直在使用大规模电网储能。康涅狄格抽水蓄能电站利用过剩电力将豪萨托尼克河的水抽到上方230英尺的一个巨大水库中。在用电高峰时段，储存的水通过水轮机向下流动，产生电力。
今天，抽水蓄能在美国储能领域占据主导地位：2011年，美国电网储能容量的95%是抽水蓄能。然而，储能仍然只是电网系统的一小部分，仅占美国发电容量的2%。那么，是什么阻碍了抽水蓄能的进一步发展呢？抽水蓄能需要合适的水库选址之间存在较大的海拔差，就像康涅狄格蓄能电站的选址一样。此外，储存能量需要大量的水。这些困难并非使抽水蓄能的进一步发展不可能——只是不切实际且昂贵。
以西德克萨斯州为例。西德克萨斯州拥有广阔的风力发电场，可以从一些储能容量中受益。然而，抽水蓄能在干旱且地理平坦的西德克萨斯州并非可行的选择。顺便说一句，德克萨斯州已投资近70亿美元用于建设新的输电线路，以便实时将西德克萨斯州的风能输送到东部城市。
虽然抽水蓄能并非解决电力存储问题的方案，但有许多新兴技术有一天可能会打破我们按需供电的模式。我将介绍三种最有希望的技术：压缩空气储能、飞轮储能和电池储能。
压缩空气储能在许多方面与抽水蓄能相似。这两种技术都借用了传统发电方法的组件，并且都将能量存储在工作流体的势能中。抽水蓄能将能量存储在水的重力势能中，而压缩空气技术将能量存储在空气的压力势能中。为了储存电力，空气压缩机将高压空气推入地下洞穴，例如废弃的盐丘或枯竭的油气井。通过将高压空气与天然气燃烧，并使热燃烧气体在普通的燃气轮机发电机内膨胀，从而从高压空气中提取电力。压缩空气储能比抽水蓄能用水量更少，并且只需要合适的地下洞穴即可有效运行。由于其优于抽水蓄能的优势，美国能源部估计，与长期建立的抽水蓄能技术相比，压缩空气可节省近40%的成本。
虽然压缩空气储能比抽水蓄能成本更低且用水量更少，但它仍然需要地下洞穴来储存电力。另一方面，飞轮和电池储能就像一个用于储存电力的“盒子”。它们几乎可以安装在电网的任何地方。
飞轮储能将电能转换为旋转质量的动能。为了储存电力，电动机启动一个巨大的飞轮旋转。为了放电，飞轮的动能用于旋转发电机并输出电流。飞轮储能装置需要复杂的技术，如磁轴承和真空外壳才能最有效地运行。电网级飞轮技术仍处于起步阶段，但未来有可能成为间歇性可再生能源与电网之间的缓冲。
电池储能的独特之处在于它不需要移动部件，相对紧凑，并且可以根据不同的电网应用进行调整。电池利用电化学反应将电能转换为材料。电池由两种材料（正极和负极）组成，由于它们的电化学势差，它们“想要”相互反应。电解质将电池单元内部的材料隔开，因此除非外部电气负载连接电池的正负极，否则反应会被阻止。
锂离子电池是最突出的电池技术之一，由于其在便携式电子产品中的广泛应用而变得普遍。锂离子只是电池化学成分众多家族中的一员，有一天可能会改变电网的运行性质。日本NGK Insulators已将高温熔融钠电池商业化，用于电网应用。德克萨斯州的一家公司Xtreme Power正在努力将一种先进的铅酸电池商业化用于电网。其他公司正在努力开发专有化学成分或独特的液态金属设计，以克服现有技术的局限性。还有其他公司正在开发先进的“液流电池”，它将能量存储在液态化学溶液中。
电池储能领域令人兴奋，电池是能源部储能计划的重点。在接下来的几周里，我将更多地撰写关于当前电网中哪些地方需要储能、储能如何使电网更具弹性，以及限制电网储能应用的障碍。虽然在我们能够大规模储存电力之前必须克服许多挑战，但储能有能力从根本上改变我们从发电点到用电点输送电力的方式。令人兴奋的是，我们将见证储能和其他创新能源技术如何在未来几年改造老化的电网。
图片来源
抽水蓄能图由美国地质调查局提供，可以在此处找到。
罗伯特·法雷斯是德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系的博士生。作为Pecan Street Inc.正在进行的智能电网示范项目的一部分，罗伯特的研究着眼于如何将储能模型与大规模数据和优化相结合，以实现电池储能的经济运行管理。罗伯特希望开发新颖的运行方法和商业模式，以帮助将分布式发电和储能技术与重组的电力市场和零售电价相结合。通过他的研究，他希望证明这些新技术的市场性和技术兼容性。