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在接下來的幾周內，我們將與德克薩斯大學奧斯汀分校的研究生羅伯特·法雷斯（Robert Fares）一同探討電網儲能作為Pecan Street Inc.正在進行的智慧電網示範專案的一部分所帶來的益處。羅伯特將撰寫一系列客座文章，討論電網儲能技術，以及儲能如何使電網受益。
在今天的電網中，發電點和輸送點之間基本上不儲存電能，這可能會讓人感到驚訝。您在家中消耗的每一千瓦時電量都是即時發電、傳輸並輸送到您特定的電源插座的。換句話說，目前的電網完全按需執行。這種看似低效的執行模式源於電力儲存技術的高成本；與儲存電能相比，加大電網每個元件的尺寸以滿足峰值能量需求成本更低。
在電網中增加儲能將提高其可靠性，並允許廣泛利用間歇性可再生能源。然而，目前電網級儲能技術的成本仍然過高。為了克服這一障礙，美國能源部設定了一個雄心勃勃的長期成本目標，即電池儲能為每千瓦時150美元——約為現有商業電池系統估計成本的三分之一。
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儘管目前的儲能成本過高，但自1930年康涅狄格電氣照明電力公司建造了美國第一個抽水蓄能設施以來，美國一直在使用大規模電網儲能。康涅狄格抽水蓄能電站利用過剩電力將豪薩託尼克河的水抽到上方230英尺的一個巨大水庫中。在用電高峰時段，儲存的水透過水輪機向下流動，產生電力。
今天，抽水蓄能在美國儲能領域佔據主導地位：2011年，美國電網儲能容量的95%是抽水蓄能。然而，儲能仍然只是電網系統的一小部分，僅佔美國發電容量的2%。那麼，是什麼阻礙了抽水蓄能的進一步發展呢？抽水蓄能需要合適的水庫選址之間存在較大的海拔差，就像康涅狄格蓄能電站的選址一樣。此外，儲存能量需要大量的水。這些困難並非使抽水蓄能的進一步發展不可能——只是不切實際且昂貴。
以西德克薩斯州為例。西德克薩斯州擁有廣闊的風力發電場，可以從一些儲能容量中受益。然而，抽水蓄能在乾旱且地理平坦的西德克薩斯州並非可行的選擇。順便說一句，德克薩斯州已投資近70億美元用於建設新的輸電線路，以便即時將西德克薩斯州的風能輸送到東部城市。
雖然抽水蓄能並非解決電力儲存問題的方案，但有許多新興技術有一天可能會打破我們按需供電的模式。我將介紹三種最有希望的技術：壓縮空氣儲能、飛輪儲能和電池儲能。
壓縮空氣儲能在許多方面與抽水蓄能相似。這兩種技術都借用了傳統發電方法的元件，並且都將能量儲存在工作流體的勢能中。抽水蓄能將能量儲存在水的重力勢能中，而壓縮空氣技術將能量儲存在空氣的壓力勢能中。為了儲存電力，空氣壓縮機將高壓空氣推入地下洞穴，例如廢棄的鹽丘或枯竭的油氣井。透過將高壓空氣與天然氣燃燒，並使熱燃燒氣體在普通的燃氣輪機發電機內膨脹，從而從高壓空氣中提取電力。壓縮空氣儲能比抽水蓄能用水量更少，並且只需要合適的地下洞穴即可有效執行。由於其優於抽水蓄能的優勢，美國能源部估計，與長期建立的抽水蓄能技術相比，壓縮空氣可節省近40%的成本。
雖然壓縮空氣儲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來儲存電力。另一方面，飛輪和電池儲能就像一個用於儲存電力的“盒子”。它們幾乎可以安裝在電網的任何地方。
飛輪儲能將電能轉換為旋轉質量的動能。為了儲存電力，電動機啟動一個巨大的飛輪旋轉。為了放電，飛輪的動能用於旋轉發電機並輸出電流。飛輪儲能裝置需要複雜的技術，如磁軸承和真空外殼才能最有效地執行。電網級飛輪技術仍處於起步階段，但未來有可能成為間歇性可再生能源與電網之間的緩衝。
電池儲能的獨特之處在於它不需要移動部件，相對緊湊，並且可以根據不同的電網應用進行調整。電池利用電化學反應將電能轉換為材料。電池由兩種材料（正極和負極）組成，由於它們的電化學勢差，它們“想要”相互反應。電解質將電池單元內部的材料隔開，因此除非外部電氣負載連線電池的正負極，否則反應會被阻止。
鋰離子電池是最突出的電池技術之一，由於其在行動式電子產品中的廣泛應用而變得普遍。鋰離子只是電池化學成分眾多家族中的一員，有一天可能會改變電網的執行性質。日本NGK Insulators已將高溫熔融鈉電池商業化，用於電網應用。德克薩斯州的一家公司Xtreme Power正在努力將一種先進的鉛酸電池商業化用於電網。其他公司正在努力開發專有化學成分或獨特的液態金屬設計，以克服現有技術的侷限性。還有其他公司正在開發先進的“液流電池”，它將能量儲存在液態化學溶液中。
電池儲能領域令人興奮，電池是能源部儲能計劃的重點。在接下來的幾周裡，我將更多地撰寫關於當前電網中哪些地方需要儲能、儲能如何使電網更具彈性，以及限制電網儲能應用的障礙。雖然在我們能夠大規模儲存電力之前必須克服許多挑戰，但儲能有能力從根本上改變我們從發電點到用電點輸送電力的方式。令人興奮的是，我們將見證儲能和其他創新能源技術如何在未來幾年改造老化的電網。
圖片來源
抽水蓄能圖由美國地質調查局提供，可以在此處找到。
羅伯特·法雷斯是德克薩斯大學奧斯汀分校機械工程系的博士生。作為Pecan Street Inc.正在進行的智慧電網示範專案的一部分，羅伯特的研究著眼於如何將儲能模型與大規模資料和最佳化相結合，以實現電池儲能的經濟執行管理。羅伯特希望開發新穎的執行方法和商業模式，以幫助將分散式發電和儲能技術與重組的電力市場和零售電價相結合。透過他的研究，他希望證明這些新技術的市場性和技術相容性。