Advanced and Long-Duration Energy Storage: A Review of Emerging Technologies, Applications, and Techno-Economic Assessment

电网是一个微妙的平衡过程。几十年来，它一直依赖于可以根据家庭和工厂瞬时需求进行增减的大型发电厂。如今，这一系统正在向风能和太阳能转型，这些能源虽然清洁，但具有不可预测性。太阳并不总是照耀，风也并不总是吹拂，但灯火必须常亮。这创造了一个新问题：我们需要在电力充足时储存电力，并在电力匮乏时释放电力。虽然电池在持有数小时电力方面已表现出色——足以覆盖日落后的傍晚高峰期——但在面对持续数天的恶劣天气时，它们却显得力不从心。一个阴云密布的一周或一段无风期可能会让配备短时电池的电网陷入空虚且脆弱的状态。工程师和规划者面临的问题不再仅仅是我们能储存多少能量，而是我们能将能量保存多久。

来自古吉拉特科技大学研究人员的一项近期综述探讨了这一长时储能的前沿领域。他们研究了旨在持有能量数天、数周甚至数个季节的各种技术，远远超越了目前占据市场主导地位的标准锂离子电池。作者结合了全球机构的数据、行业报告以及他们自己的计算机模拟，以了解哪些技术最适合不同的时长，以及它们的成本如何。他们的研究揭示了一条清晰的分界线：虽然熟悉的电池是存储数小时能量的最经济选择，但对于更长时期的存储，其成本会变得高得令人望而却步。对于那些长时间的需求，最有前景的解决方案通常是利用空气、水、铁或热量等丰富且廉价材料的机械或化学系统，即使这些系统的能量转换效率较低。

研究人员首先绘制了储能领域的全景图，从拥有一个世纪历史的抽水蓄能技术（利用重力和水库），到新兴的压缩空气、液态空气和液流电池系统。他们还研究了通过可逆氧化过程储存能量的铁空气电池，以及将热量储存在砖块或熔盐中的热能系统。他们分析的一个关键见解是，这些技术的成本结构取决于它们需要持续多长时间。对于短时间而言，成本由用于快速充放电的动力设备驱动。但随着持续时间延长到数天或数周，成本则由储能介质本身的价格决定——即水、空气或铁的价格。这意味着，一种对于四小时班次来说过于昂贵的技术，可能因为其储能材料非常廉价，而在一百小时班次中成为最便宜的选择。

为了测试这些观点，作者建立了一个模型来计算平准化储能成本，即系统寿命周期内单位能量交付的平均价格。他们在假设系统每隔几天完全放电一次的标准使用模式下，对八种不同的技术进行了模拟。结果显示出一个剧烈的交叉点。锂离子电池（目前行业的标准）仅在约两到三小时的时长内仍是最经济的选择。超过这个时间，由于每增加一小时的存储都需要添加更多昂贵的电池单元，其成本会急剧攀升。相比之下，诸如绝热压缩空气储能（捕捉压缩空气时产生的热量）和铁空气电池（利用与氧气的简单化学反应）等技术，随着持续时间的增加，成本保持得更为低廉。在他们的计算中，在二十四小时的时长下，使用锂离子电池的成本大约是使用压缩空气的三倍。在一百小时的时长下，这一差距扩大到了近六倍。

该研究还包括了一次针对现实天气挑战的电网模拟：在风力停止吹拂的四天期间。在这种情景下，研究人员模拟了一个试图满足稳定需求的太阳能和风能系统。在没有任何储能的情况下，该系统只能满足约 70% 的需求。加入标准的四小时电池后，这一比例提升至 83%，但电池会在无风期的第一晚耗尽电量且无法恢复。为了在整个四天缺口期间不发生故障，模拟显示，电网需要一个能够持续放电约一百小时的储能系统。这一发现强调了储能的价值并非线性增长：最初的几个小时提供了显著的提升，但实现可靠性的最后阶段则需要一种完全不同的技术——一种能够在不造成沉重经济负担的前提下，长时间持有大量能量的技术。

研究人员特别关注了印度的现状，那里规划与现实之间存在着巨大的差距。政府计划在 21 世纪 30 年代初通过数百吉瓦时的储能来支持大规模的可再生能源扩张，然而在 2025 年，实际运行的电池储能容量却不足一吉瓦时。印度已经确定了抽水蓄能的巨大潜力，并已开始招标相关项目。然而，综述指出，将这些招标转化为运营中的电厂是一个重大挑战，并且迫切需要测试在当地条件下运行的非锂技术。作者建议，虽然抽水蓄能和锂离子电池已准备好进行即时的规模化应用，但多日储能的未来可能在于铁空气和压缩空气等新兴选项的组合，前提是这些技术能在现实环境中得到验证。

最终，论文认为不存在一种适用于所有储能需求的“最佳”技术。相反，电网需要一套与特定问题持续时间相匹配的解决方案组合。短时间的电力爆发最好由快速、高效的电池处理，而长期的供应缺口则需要优先考虑低成本储能材料而非高效率的系统。向可再生能源驱动的世界转型，将取决于能否成功部署这些长时储能技术，从而从目前的短时储能时代迈向一个电网可以无间断应对数日无风或阴云天气的未来。前进的道路不仅在于建造更多我们现有的东西，还在于拥抱多样化的机械和化学系统，以便能够根据世界的需求，将太阳和风的力量保存得足够久。