要了解可再生能源面臨的巨大障礙，看看丹麥就知道了。這個小國擁有一些世界上最大的風力發電場。然而，由於消費者對電力的需求通常在風力最強勁時最低，丹麥不得不以極低的價格將其過剩的電力出售給鄰國——卻又不得不在需求上升時以更高的價格購回能源。因此，丹麥消費者支付著地球上最高的電費。
德克薩斯州和加利福尼亞州的公用事業公司也面臨著類似的供需不匹配問題；他們有時不得不付費請客戶使用來自風力發電機和太陽能發電場的能源。從理論上講，風能和太陽能可以為美國和其他一些國家提供他們所需的所有電力。然而，在實踐中，根據美國能源部的資料，這兩種能源都太不穩定，無法提供超過一個地區總能源容量約20%的電力。超過這個比例，平衡供需就變得過於困難。我們需要的是廉價且高效的儲能方法，以便在狂風呼嘯和烈日當空時產生的電力能夠儲存起來，供以後使用。
某些技術，如超導磁體、超級電容器和先進飛輪，對於這一目的而言過於昂貴，或者無法有效地長時間保持電力。但《大眾科學》已經考察了五種可能奏效的技術。它們中的每一種都可能儲存足夠維持整個大都市運轉數天的能量。我們請一個專家小組根據三個標準對每種技術進行了評分：該技術的可擴充套件性如何？建設成本是否划算？執行效率是否高？沒有哪種儲存方法能夠返回與其投入的能量相同的能量，但有些系統比其他系統做得更好。
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前兩種解決方案——抽水蓄能和壓縮空氣——已經比較成熟且經濟可行。其他競爭者中的每一個都需要某種突破，但回報可能是巨大的。“我預計從現在起十年後，我們將在電網上看到大量的儲能，”美國能源部儲能專案主管、物理學家 Imre Gyuk 說。
抽水蓄能
可擴充套件性 4.0
成本效益 4.0
能源效率 4.2*
優點：高效、經濟、高度可靠
缺點：缺乏合適的場地
*我們的專家小組給出的平均評分，滿分 5 分
一些國家已經使用抽水蓄能儲存了相當可觀的電力——美國約為 20 吉瓦。這項具有百年曆史的技術本質上是一座可以反向執行的水力發電大壩。過剩的電力被用來將水從較低的水庫抽到較高的水庫。當水回落到較低的水庫時，它會透過渦輪葉片，渦輪葉片轉動發電機以產生電力。往返效率——可以回收的能量減去損失——可以高達 80%。
在美國，38 個抽水蓄能設施可以儲存相當於該國發電容量略高於 2% 的電力。與歐洲（接近 5%）和日本（約 10%）相比，這個份額很小。但該行業計劃在現有發電廠附近建造水庫。“你所需要的只是海拔差異和一些水，”奧馬哈 HDR 公司高階副總裁 Rick Miller 說。他說，正在考慮的專案足以使現有容量增加一倍。
最雄心勃勃的計劃之一是南加州的鷹山抽水蓄能專案。它將從一個廢棄的鐵礦露天礦中開鑿兩個水庫，以儲存來自區域風力發電場和太陽能發電場的能量，並且可以返回 1.3 吉瓦的電力——相當於一座大型核電站。在蒙大拿州，草原可再生能源公司提議的水力蓄能專案將把來自大平原的風能儲存在一個人工湖中，該人工湖將建在一個孤丘的頂部，落差為 400 米。
抽水蓄能的增長主要受到地形的限制。大型、地勢較高的盆地必須被淹沒，這可能會破壞生態系統。有些地方，如丹麥和荷蘭，地勢太平坦。對於這些地區，荷蘭能源諮詢公司 Kema 提出了一個激進的“能源島”替代方案：一個人工瀉湖——在淺海中——帶有一個圓形牆壁，該牆壁將由垃圾填埋場建造。過剩的電力將把海水從瀉湖中抽出並排入周圍的海洋。當需要能量時，海水將透過牆壁中的隧道流回內部，流經渦輪機。海洋充當“上”水庫。
加利福尼亞州聖巴巴拉的重力電力公司有一個幾乎可以在任何地方部署的方案：在地下挖一個深豎井，一個重型圓柱體將位於底部。水將被泵入圓柱體下方，將其抬起。為了回收能量，底部的隧道將開啟，水將透過渦輪機衝入隧道。
壓縮空氣
可擴充套件性 4.0
成本效益 4.0
能源效率 3.4
優點：經濟高效、經過測試
缺點：可能需要燃燒一些天然氣
在阿拉巴馬州農村的地下深處，一個只有帝國大廈一半大的洞穴裡儲存著可能是解決世界能源儲存需求的最快方法：空氣。在地表上，強大的電動泵在電力供應超過需求時將高壓空氣注入洞穴。當電網供不應求時，一些壓縮空氣被釋放出來，衝擊渦輪機並使其旋轉。位於阿拉巴馬州麥金託什的該設施由 PowerSouth Energy Cooperative 運營，可以提供可觀的 110 兆瓦電力，持續長達 26 小時。它是美國唯一的壓縮空氣運營設施，但已成功執行 20 年。德國 E.ON Kraftwerke 公司位於漢諾威，在下薩克森州的亨特夫運營著一家類似的工廠。
PowerSouth 透過用水緩慢溶解鹽礦床建立了洞穴，這與形成美國戰略石油儲備洞穴的過程相同。鹽礦床在美國南部各地都很豐富，大多數州都有一種或另一種地質構造，包括天然洞穴和枯竭的油氣田，可以容納壓縮空氣。
壓縮空氣專案的提案已在包括紐約州和加利福尼亞州在內的幾個州湧現。然而，最近，一項擬議的耗資 4 億美元的愛荷華州儲能公園專案在得梅因附近被廢棄，因為詳細研究表明，將容納空氣的砂岩的滲透性是不可接受的。
一個實際的障礙是，空氣在壓縮時會變熱，在膨脹時會變冷。這意味著一些用於壓縮的能量會以廢熱的形式損失掉。如果空氣只是簡單地釋放出來，它會變得非常冷，以至於凍結它接觸到的一切——包括工業級渦輪機。因此，PowerSouth 和 E.ON 燃燒天然氣以產生熱氣流，當冷空氣膨脹到渦輪機中時，熱氣流會對其進行加熱，從而降低了整體能源效率並釋放了二氧化碳，這削弱了風能和太陽能的一些好處。
由於這些複雜性限制了壓縮空氣儲存的效率，工程師們正在設計對策。一種選擇是隔離洞穴，使空氣保持溫暖。熱量也可以轉移到固體或液體儲罐中，稍後可以重新加熱膨脹的空氣。SustainX 是一家位於新罕布什爾州西布魯克的初創公司，在壓縮過程中將水滴噴射到空氣中，水滴會加熱並在水池中積聚。水稍後會被噴回膨脹的空氣中，對其進行加熱。SustainX 已經在地面儲罐中演示了其工藝。位於馬薩諸塞州牛頓的通用壓縮公司正在為地下儲存開發類似的方法，並計劃在德克薩斯州建造一個大型示範工廠。“我們永遠不需要燃燒天然氣，”總裁 David Marcus 說。
先進電池
可擴充套件性 3.6
成本效益 2.0
能源效率 3.8
優點：節能、可靠
缺點：昂貴
一些專家表示，電池可能是間歇性電源的理想儲存介質。它們易於充電，可以立即開啟和關閉，並且可以輕鬆擴充套件。幾十年來，公用事業公司透過堆疊成排的現成電池（包括汽車中使用的鉛酸電池）為電網的偏遠角落提供備用電源。一些公司已經試驗了熔融鈉硫電池。電力公司 AES 在西弗吉尼亞州埃爾金斯安裝了超過 30 兆瓦的鋰離子電池，以支援其 98 兆瓦的風力渦輪機。然而，如果電池要參與大規模儲存的競爭，其成本必須大幅下降。
電池的成本是由材料（正極和負極以及分隔它們的電解質）以及將其製造成緊湊包裝的過程驅動的。與對常見電池型別進行漸進式改進相比，徹底的重新設計可能更有可能大幅降低成本。
唐納德·R·薩多韋是麻省理工學院的一位化學家，他正在開發一種他稱之為液態金屬電池的非同尋常的設計。它的優勢在於其簡單性：一個保持在高溫下的圓柱形容器中裝有兩種熔融金屬，它們之間由熔融鹽隔開。液態金屬與鹽不混溶——“就像油和醋一樣，”薩多韋說——並且密度不同，因此它們自然地堆疊在一起。當兩種金屬透過外部電路連線時，就會產生電流。每種金屬的離子都會溶解到熔融鹽中，使該層變厚。為了給電池充電，來自電網的過剩電流會反向執行該過程，迫使溶解的離子返回到各自的層。
薩多韋迄今為止已經在實驗室製造了“披薩盒大小”的電池，但他認為這種設計可以經濟地擴大規模，甚至可能比抽水蓄能的每千瓦時 100 美元更便宜。薩多韋在嘗試擴大規模之前不會確切知道可能會出現什麼問題，但他很樂觀，因為與傳統電池費力且昂貴的製造不同，他的電池可以透過簡單地將材料倒入罐中來批次製造。
更成熟可靠的設計是液流電池。容器內的固態膜將兩種液態電極分開，這兩種液態電極可以儲存大量能量。液流電池在精神上類似於一種更新的技術，綽號為“劍橋原油”，它使用奈米粒子作為懸浮在流體中的電極[參見克里斯托弗·米姆斯撰寫的“電動汽車的液體燃料”；《改變世界的想法》，《大眾科學》，2011 年 12 月]。
液流電池有幾個優點。它在室溫下執行，不像液態金屬電池那樣必須加熱。要擴大規模，只需製造更大的電極或新增更多的容器即可。一家倒閉的初創公司 VRB Power Systems 安裝了兩個使用釩金屬溶液的液流電池——一個在猶他州摩押，一個在澳大利亞的一個小島上——之後將其技術出售給了位於馬里蘭州貝塞斯達的 Prudent Energy 公司。其他公司正在嘗試透過提高離子跨膜流動的效率來改進這一想法。位於康涅狄格州哈特福德的聯合技術公司 (UTC) 的化學工程師 Mike Perry 說，他的公司正在投資數百萬美元，並押注液流電池在五年左右的時間內可以與用於滿足公用事業高峰需求的燃氣電廠競爭。UTC 也專注於釩，因為它是石油開採中豐富且廉價的副產品。多倫多 Energizer Resources 公司也在馬達加斯加開發一個大型釩礦，這將確保供應。
熱儲存
可擴充套件性 3.6
成本效益 3.6
能源效率 3.0
優點：可以位於任何地方
缺點：昂貴，難以長時間保持能量
在陽光充足的地區，聚光太陽能發電站可以成為一種經濟的發電和儲存太陽能的方式。成排的拋物面鏡將陽光聚焦在與排平行延伸的長管上，加熱管道內的礦物油等流體。油流到建築物，在那裡它的熱量將水轉化為蒸汽，蒸汽轉動渦輪機以產生電力。當太陽下山時，流體可以儲存在儲罐中以產生更多的蒸汽至少幾個小時，直到它慢慢冷卻。
許多聚光太陽能發電站在美國和歐洲運營。然而，為了更長時間地保持熱能，義大利阿基米德太陽能公司在西西里島錫拉庫扎鎮附近建造了一個示範工廠，該工廠使用熔融鹽代替油。阿基米德公司業務開發和銷售總監 Paolo Martini 說，熔融鹽可以加熱到接近 550 攝氏度，而油的溫度為 400 攝氏度，因此它可以在日落後產生更多的蒸汽持續更長的時間。Martini 說，五立方米的熔融鹽可以儲存一兆瓦時的能量，而油則需要 12 立方米。德國 Solar Millennium 公司自 2008 年以來一直在西班牙安達盧西亞運營著規模龐大的 Andasol 1 熔融鹽系統。2011 年 6 月，它實現了 24 小時不間斷太陽能發電的里程碑。
今天聚光太陽能發電廠產生的電力大約是天然氣發電廠的兩倍。然而，一份行業路線圖預測，透過調整工廠設計（包括流體的化學成分）和引入規模經濟，聚光太陽能將在 10 年內與天然氣競爭。在很少見到雲的地方（如撒哈拉沙漠）建造的工廠最有可能取得成功。
當然，來自風力發電場或其他來源的過剩能量也可以加熱流體，以便稍後發電。熱儲存也可以涉及冷而不是熱。位於科羅拉多州溫莎的初創公司 Ice Energy 出售在夜間電力充足時製冰的系統。白天，冰融化以向 HVAC 系統提供冷卻液，用於空調。一些商業公用事業客戶（如大型商店）開始安裝這些裝置，從而減少了最熱時段電網對空調電力的需求。
家用氫能
可擴充套件性 2.2
成本效益 1.0
能源效率 1.4
優點：高效、輕便
缺點：仍需要基本材料方面的突破
一種長期的儲能方法將依賴於房主而不是公用事業設施。兩個多世紀以來，科學家們透過向水中通電將其分解為氫氣和氧氣。氫氣隨後可以在燃料電池中消耗以產生電力。挑戰在於既要有效地分解水，又要有效地“燃燒”氫氣，而不會產生過多的廢熱。
如果直接使用陽光而不是來自電網的電力，分解氫氣的效率可能會更高，就像植物利用太陽光進行光合作用期間的水解一樣。能夠做到同樣事情的人造水解電池已經存在多年，但它們效率低下且昂貴。麻省理工學院的丹尼爾·諾塞拉和加州理工學院的內森·S·劉易斯等化學家一直在開發可能表現更好的新型材料——諾塞拉案例中的鈷基催化劑和劉易斯案例中的奈米棒——但成本仍然非常高。
無論人們是直接使用電力還是太陽光，再轉化方面的障礙也同樣巨大。燃料電池可以有效地燃燒氫氣，但它們依賴於昂貴的催化材料，如鉑。一個可以為汽車供電或為建築物照明的裝置可能要花費數萬美元。因此，科學家們正在尋找替代材料。儲存氫氣又增加了一個困難，因為這種氣體具有爆炸性，必須液化或壓縮。
如果所有這些挑戰都能夠克服，房主可以在他們的房屋內擁有自己的小型氫能發電站。噹噹地公用事業公司有多餘的風能或太陽能時，房主將使用它來分解氫氣，然後在太陽或風減弱時為房屋供電。而且，由於氫氣的能量密度甚至高於汽油，它有一天也可以推動汽車和卡車，從而實現長期構想的氫經濟。
本文以“Gather the Wind”為標題發表在印刷版上。