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
自从特斯拉在 2015 年推出其 “Powerwall” 系统以来，家用太阳能电池存储已从一个有趣的假设发展成为最受关注的能源产品之一，吸引了成千上万潜在买家和佛蒙特州最大的公用事业公司的兴趣。
围绕家用能源存储的兴趣激增促使我和我在奥斯汀德克萨斯大学的同事们试图超越炒作，准确了解存储太阳能以减少对公用事业的依赖究竟会对消费者的电费和更广泛的电力系统产生什么影响。我们的努力最终促成了一篇论文，该论文今天发表在《自然能源》杂志上，标题为《在家中存储太阳能以减少对公用事业的依赖的影响》。
我们的研究发现，存储在减少配电网中的电力流动方面提供了好处，这可以节省公用事业基础设施成本。然而，由于每次电池系统充电和放电时都会损失一些能量，因此与直接将太阳能输送到电网相比，为以后在家中使用而存储太阳能实际上会增加能源消耗。并且，在当今以化石燃料为动力的电网中，能源消耗的增加也会导致总体排放量的增加。
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这些发现挑战了能源存储本质上是清洁的传统观念，因此让我们来剖析一下它们。
我们必须克服的一个重要挑战是准确理解家用能源存储可能如何运作，考虑到其运作取决于家庭何时用电，以及他们的用电时间如何与其太阳能电池板产生能量的时间相符。为了克服这一挑战，我们使用了从 99 个奥斯汀家庭收集的 2014 年全年真实用电量和太阳能发电量数据。然后，我们模拟了两种可能的存储运行方式，以将家庭与公用事业隔离开来，如下图所示。
我们开发了两种不同的家用能源存储运行方式，以减少对公用事业的依赖。“目标零”方法天真地尽可能将净电力需求归零，直到存储耗尽能量。“最小化功率”方法更具策略性地分配存储的能量，以便在整个 24 小时内净电力需求保持较低。 来源：Fares and Webber 2017
在我们开发的两种存储运行方法下，房主可以使用更多的太阳能，而无需将其输送到电网。但是，太阳能产生的总量实际上减少了，因为进入最先进的电池系统中的能量约有 15% 因效率低下而损失。因此，我们研究中的每个家庭的净能源使用量实际上都在增加，因为总体产生的太阳能较少。平均增加量为每年 324–591 千瓦时 (kWh)，或相对于拥有太阳能电池板但没有能量存储的家庭而言，增加了约 8–14%。
我们模拟了在研究中的 99 个家庭中添加能量存储后能源消耗的增加情况。如图中灰色阴影区域所示，在“目标零”运行下，平均增加量约为 324 kWh，而在“最小化功率”运行下，平均增加量约为 591 kWh。这种增加相当于相对于拥有太阳能电池板但没有能量存储的家庭而言，增加了 8–14%。 来源：Fares and Webber 2017
为了弥补电池中损失的太阳能，一些额外的能量必须来自某个地方。那个地方就是电网——而今天的电网依赖化石燃料运行。我们根据德克萨斯州当前的电力燃料组合计算了存储将如何影响每个家庭的排放足迹，我们研究中的 99 个家庭都位于德克萨斯州。我们发现，对于普通家庭而言，添加存储将导致二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量的增加。
换句话说，如果拥有太阳能电池板的家庭想要减少其排放足迹，那么添加能量存储是一个坏主意。
但值得注意的是，与根本没有太阳能电池板相比，存储与太阳能电池板的结合仍然清洁得多。因此，如果无法在不添加存储的情况下添加太阳能电池板，那么存储实际上会提供间接的能源和排放效益。
添加能量存储导致的能源消耗增加远小于首先添加太阳能电池板导致的减少，因此如果存储直接促成新的太阳能装置，则存储将提供能源和排放效益。 来源：Fares and Webber 2017
但是，我们离严格要求存储才能安装更多屋顶太阳能电池板的程度还差得很远。 我们论文中引用的一项研究发现，加利福尼亚州公用事业公司太平洋瓦电可以通过更频繁地调整其配电变压器以维持足够的电压，来实现 100% 的屋顶太阳能渗透率（以太阳能容量与峰值系统需求的比例衡量）。 总成本为每年 44.2 万美元，仅占该公用事业公司 60 亿美元运营预算的 0.007%。
简而言之，在涉及家用能源存储时，重要的是不要本末倒置。 当涉及到将可再生能源整合到已经大量使用可再生能源的电网中时，存储可以提供很多好处，但幸运的是，我们今天不需要存储来整合屋顶太阳能电池板。 因此，除非有明显的益处，否则我们不应出于环保目的添加存储。 如果我们不小心，我们实际上可能会增加能源消耗和排放。
本文中引用的完整技术论文可在此链接限时免费访问。