本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
自從特斯拉在 2015 年推出其 “Powerwall” 系統以來，家用太陽能電池儲存已從一個有趣的假設發展成為最受關注的能源產品之一，吸引了成千上萬潛在買家和佛蒙特州最大的公用事業公司的興趣。
圍繞家用能源儲存的興趣激增促使我和我在奧斯汀德克薩斯大學的同事們試圖超越炒作，準確瞭解儲存太陽能以減少對公用事業的依賴究竟會對消費者的電費和更廣泛的電力系統產生什麼影響。我們的努力最終促成了一篇論文，該論文今天發表在《自然能源》雜誌上，標題為《在家中儲存太陽能以減少對公用事業的依賴的影響》。
我們的研究發現，儲存在減少配電網中的電力流動方面提供了好處，這可以節省公用事業基礎設施成本。然而，由於每次電池系統充電和放電時都會損失一些能量，因此與直接將太陽能輸送到電網相比，為以後在家中使用而儲存太陽能實際上會增加能源消耗。並且，在當今以化石燃料為動力的電網中，能源消耗的增加也會導致總體排放量的增加。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關發現和塑造我們當今世界的想法的具有影響力的故事的未來。
這些發現挑戰了能源儲存本質上是清潔的傳統觀念，因此讓我們來剖析一下它們。
我們必須克服的一個重要挑戰是準確理解家用能源儲存可能如何運作，考慮到其運作取決於家庭何時用電，以及他們的用電時間如何與其太陽能電池板產生能量的時間相符。為了克服這一挑戰，我們使用了從 99 個奧斯汀家庭收集的 2014 年全年真實用電量和太陽能發電量資料。然後，我們模擬了兩種可能的儲存執行方式，以將家庭與公用事業隔離開來，如下圖所示。
我們開發了兩種不同的家用能源儲存執行方式，以減少對公用事業的依賴。“目標零”方法天真地儘可能將淨電力需求歸零，直到儲存耗盡能量。“最小化功率”方法更具策略性地分配儲存的能量，以便在整個 24 小時內淨電力需求保持較低。 來源：Fares and Webber 2017
在我們開發的兩種儲存執行方法下，房主可以使用更多的太陽能，而無需將其輸送到電網。但是，太陽能產生的總量實際上減少了，因為進入最先進的電池系統中的能量約有 15% 因效率低下而損失。因此，我們研究中的每個家庭的淨能源使用量實際上都在增加，因為總體產生的太陽能較少。平均增加量為每年 324–591 千瓦時 (kWh)，或相對於擁有太陽能電池板但沒有能量儲存的家庭而言，增加了約 8–14%。
我們模擬了在研究中的 99 個家庭中新增能量儲存後能源消耗的增加情況。如圖中灰色陰影區域所示，在“目標零”執行下，平均增加量約為 324 kWh，而在“最小化功率”執行下，平均增加量約為 591 kWh。這種增加相當於相對於擁有太陽能電池板但沒有能量儲存的家庭而言，增加了 8–14%。 來源：Fares and Webber 2017
為了彌補電池中損失的太陽能，一些額外的能量必須來自某個地方。那個地方就是電網——而今天的電網依賴化石燃料執行。我們根據德克薩斯州當前的電力燃料組合計算了儲存將如何影響每個家庭的排放足跡，我們研究中的 99 個家庭都位於德克薩斯州。我們發現，對於普通家庭而言，新增儲存將導致二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量的增加。
換句話說，如果擁有太陽能電池板的家庭想要減少其排放足跡，那麼新增能量儲存是一個壞主意。
但值得注意的是，與根本沒有太陽能電池板相比，儲存與太陽能電池板的結合仍然清潔得多。因此，如果無法在不新增儲存的情況下新增太陽能電池板，那麼儲存實際上會提供間接的能源和排放效益。
新增能量儲存導致的能源消耗增加遠小於首先新增太陽能電池板導致的減少，因此如果儲存直接促成新的太陽能裝置，則儲存將提供能源和排放效益。 來源：Fares and Webber 2017
但是，我們離嚴格要求儲存才能安裝更多屋頂太陽能電池板的程度還差得很遠。 我們論文中引用的一項研究發現，加利福尼亞州公用事業公司太平洋瓦電可以透過更頻繁地調整其配電變壓器以維持足夠的電壓，來實現 100% 的屋頂太陽能滲透率（以太陽能容量與峰值系統需求的比例衡量）。 總成本為每年 44.2 萬美元，僅佔該公用事業公司 60 億美元運營預算的 0.007%。
簡而言之，在涉及家用能源儲存時，重要的是不要本末倒置。 當涉及到將可再生能源整合到已經大量使用可再生能源的電網中時，儲存可以提供很多好處，但幸運的是，我們今天不需要儲存來整合屋頂太陽能電池板。 因此，除非有明顯的益處，否則我們不應出於環保目的新增儲存。 如果我們不小心，我們實際上可能會增加能源消耗和排放。
本文中引用的完整技術論文可在此連結限時免費訪問。