可再生能源革命需要可再生的储能

重力、压力……这些基础却强大的力量能否使我们免于成为以电池为动力的文明?

德语单词Dunkelflaute的意思是 "黑暗的低气压"。这个单词让可再生能源工程师们感到难过，因为它用来指代太阳能电板和风机在无光、无风时的平静。明亮无云的日子里，太阳能电站可以产生大量的电力;强风吹拂时，风力涡轮机会让小区嗖嗖地运转起来。但在晚上，太阳能电池的作用很小，而无风的时候，涡轮机也毫无作用。可再生能源的更新，仅限于有利的天气或地球继续转。

“黑暗期”使电网很难完全依赖可再生能源。电力公司不仅需要为个别风暴或无风的夜晚做计划，还需要考虑持续数天或更长时间的“黑暗期”。去年，欧洲经历了长达数周的“风荒”，2006年，夏威夷经历了连续六周的雨天。小范围来说，工厂、数据中心和偏远社区想要实现完全由可再生能源供电，还有空白需要填补。德国正在逐步取消核电站，并努力拥抱可再生能源，但是，由于其可再生能源供应的“间歇性”问题，德国仍然依赖化石燃料，包括进口俄罗斯天然气。

明显的解决方案是电池，其中使用最广泛的是锂离子电池，以发挥作用的化学过程命名。从移动电话到电动汽车，都有这种电池的身影;它们的制造成本相对较低，而且越来越便宜。但是，一般锂电池以最大输出功率运行三到四个小时后就会耗尽电量，而且，正如每个iPhone用户都知道的，手机每充电一次，电池的容量就减少一点。想要装备足够多的电池以满足更长时间的放电是很昂贵的。而且，电池可能会起火，过去几年里，韩国已经曝出几十起电池起火事件。

Venkat Srinivasan是美国伊利诺伊州阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)阿贡储能科学合作中心(Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science)的科学家和负责人，他告诉我，锂离子电池的最大问题之一是供应链。这种电池依赖于锂和钴。2020年，世界上约有70%的钴来自刚果民主共和国。Srinivasan说：“除非供应链能够多样化，否则就会有麻烦。”供应链的一点风吹草动都会强烈影响价格和供应。此外，开采这些金属需要大量的水资源和能源，会对环境造成破坏，而且一些钴矿开采涉及雇佣童工的问题。专家们怀疑，如果没有重大技术进步，锂电池的价格是否能在目前基础上下降30%或更多，而且能源部认为即使是30%，降幅仍然太小。我们需要扩大储能规模;根据一项估计，如果我们想大幅转向可再生能源并避免气候灾难，到2040年我们需要至少100倍现在储能的规模。也许我们能够找到环保又可靠的方法来开采、销售和回收锂电池的组分，但这似乎不太可能。虽然我们通常以来源去思考可再生能源，如风机和太阳能板，但这仅仅是故事的一半。理想情况下，我们会将可再生能源与可再生的存储方式结合起来。

我们已经有一种可再生的储能方式：水库承载了世界上超过90%的能量储存，这种出色但默默无闻的技术叫做抽水蓄能。抽水蓄能可以为电力供应削峰填谷。电机将水从河流或水库抽到更高的水库;当水被释放到低处，带动涡轮机旋转，就会再次产生电力。抽水蓄能装置就像一个巨大的永久性电池，当水被抽到高处时充电，当水流到低处时放电。这些设施往往是十分宏大的：弗吉尼亚州的巴斯县抽水蓄能站由两个广阔的湖泊组成，建在植被富郁的山坡上，海拔相距约四分之一英里(约合400米);在电力需求高峰，每分钟有1300万加仑(约合5万立方米)的水流经该系统，为数十万家庭提供电力。一些国家正在扩大抽水蓄能的使用，但在美国，抽水蓄能设施的建设在几十年前就达到了顶峰。这种储能方式所需的地理条件很难找到，许可证也很难获得，而且建设速度很慢，成本很高。人们正在寻找新的储能方法。

Quidnet是一家位于休斯敦的初创公司，是众多探索更多储能可能性的公司之一。上个月，我坐在一辆福特F-150 King Ranch皮卡上，与该公司的运营副总裁Scott Wright和首席运营官Jason Craig一起驱车前往他们位于圣安东尼奥西部农场的一个试验场。广袤的田野和广告牌从车窗掠过，Craig在后座上说，Quidnet已经获得了一种新型抽水蓄能的专利。该公司的系统不是把水抽上山，而是将水通过管道送到至少一千英尺(约300米)深的地下。之后，水会在地球的压力下被挤压回地面，以此驱动发电机。Wright和Craig是石油和天然气行业的资深人士，Quidnet的技术就像是绿色版本的压裂技术。油气开采压裂技术是指，液体被注入地下，在那里形成压力，使岩石断裂，释放出天然气。Quidnet使用一些相同的设备和技术，但目标不同：这里的水是为了去到岩层之间，形成地下水库，并按需释放。

开车的时候，我问起2021年2月德克萨斯州停电的事，当时一场冬季风暴使天然气工厂关闭了几天，导致数百万人无电可用，还有两百多人因此丧生。那次危机的起因众多，其中就包括德州是唯一一个没有与其他州电网相连的州。“我们从邻居家的游泳池里盛出一桶桶水来冲厕所，”Wright说。“我们确实需要更好的方法来储存电力，这种时候就可以减轻电网的负担。”

工程师们把Quidnet这样的公司开发的人工地下水库称为“镜片”，主要是因为它们的形状。(Craig说他叫它 “放屁坐垫” ，但是大家不喜欢这个叫法。)最初，外界质疑Quidnet的地下水库能否形成合适的大小和形状。但这次我去拜访时，它已经成功地在德克萨斯州、俄亥俄州和加拿大亚伯达省完成了多个抽水周期。该公司已经获得了3800万美元的私人和政府资金，包括Bill Gates创立的突破能源风险投资基金(Breakthrough Energy Ventures)。

Quidnet已经从储能的淘金热中受益。2018年，能源部设立了一个名为 “长期电力储存” (Duration Addition to electricitY Storage，简称DAYS)的项目，向包括Quidnet在内的十个团体提供了三千万美元的资金。在离任前，特朗普总统签署了《2020年能源法》，其中包括两党共同支持的《更好的能源储存技术法案》，授权在五年内花费10亿美元用于新能源储存技术的 “研究、开发和示范” 。许多州现在正在制定储能目标，2018年，联邦能源管理委员会发布了第841号法令，将储能纳入电力批发市场。 “人们已经认识到，储能的时代已经到来，”美国清洁能源协会的Jason Burwen告诉我。但是，工程师的白板与现实之间存在着巨大差距。许多获得资助的可再生储能技术可能最终是很难实现的、昂贵的、或低效的，无法被广泛采用。

当我们离目的地越来越近时，Craig对许多公司的储能方法的原始物理性进行了思考，基本上就是你在高中学习的那些物理学原理。如果你花力气举起一个物体，它就会储存势能;如果你让这个物体落下，它的势能就会变成动能，而动能能够为发电机提供动力并产生电力。许多物理行为也是如此。除此之外，还有压缩空气储能和压缩水储能，或让物体旋转，或加热物体等储能方式。如果你一开始就使用清洁能源，并找到一种绿色的方式来存储和释放它，你就创造了一个对生态环境负责的电池替代品。

Craig说： “我有点惊讶，但也备受鼓舞，长时储能问题的解决方案可能就是如此的原始。” 电池依赖于“相当复杂的电化学原理，这很快就超出了我的理解范围。然而，真正的解决方案可能就是用起重机吊起重物，用千斤顶抬起泥土。我知道在内华达州有人把石头放在火车上运上山，然后在需要的时候石头又落下来。就连《摩登原始人》里的动画人物也能理解。”

我们把车停在农场长长的车道上。一群秃鹫在头顶盘旋。

“你知道这意味着什么嘛?”Craig 问我。

“上一个来这里的记者?”我说。

他们笑了。“你说对了。问了很多不妙的问题。”

我当时已经想好了一个问题。我将要看到的是绿色能源的未来，还是一个在德州乡村进行的稀奇而短命的试验?

直到最近，我们才开始思考储存能源的新方法。化石燃料是一个史前的能源库，我们可以通过燃烧它们和驱动发电机来释放其能量。我们总能找到更多的燃料。“世界上几乎所有的电力都是边生产边使用，”Bill Gross告诉我，他是太阳能发电领域的长期投资者，也是Energy Vault(资本化程度最高的储能公司之一)的联合创始人。大多数没有被立即消耗的电力都会流失。问题是，对于许多技术来说，“储存电力的成本实际上比制造电力的成本更高，”他说。在许多情况下，太阳能和风能已经变得比煤炭和天然气便宜。但如果加上储存的成本，可再生能源就输给了化石燃料。

能量以各种方式储存在我们周围。往小了说，你冰箱里的一瓶汽水就储存着能量;一摞书也蕴含着能量，当它倒下时就会释放出来。往大了说，火山爆发和雪崩就是释放储存的能量。但是，只有当能量储存是可预测的、便捷的、密集的、且所占空间很小时，它才是最有用的。抛开气候变化不谈，化石燃料满足所有这些要求：汽油的运输很便捷，燃烧一加仑汽油就能释放足以将上千加仑的水抽到高处的能量。

相比之下，锂电池的能量密度低，而可再生能源储存系统也在努力实现密度、便捷性和规模的优化。压缩空气储能的技术原理可以追溯到几十年前，当时人们将空气抽入天然或人工地下洞穴，然后再放出。第一个地下压缩空气设施于1978年在德国建成;这种系统可以储存和释放大量的能量。但是，和抽水蓄能一样，压缩空气设施需要合适的地理环境，而且建造成本很高。它们的效率也不高，一般情况下只有投入气体加压的一半能量可以被回收。

工程师们正在努力提高储能系统的能量密度和效率。一家来自多伦多的名为Hydrostor的公司已经获得了超过三亿美元的投资，正在加利福尼亚、澳大利亚和其他地方开发项目，并将在未来五年内上线。这种系统将压缩空气储存在罐子里，并保留空气压缩过程中释放的热量，然后在膨胀过程中重新释放到空气中，以此驱动涡轮机发电。一家英国公司Highview Power正在采取更极端的做法，将空气冷却到零下300多度，使之变成液体。液体空气密度大，当对其进行加热时，它迅速气化，驱动涡轮机叶片旋转。Highview公司的执行主席Colin Roy告诉我，打开气罐的时候，空气会 “以猛烈的力量喷射出来” 。该公司已经建立了一个液体空气系统的原型，并正在英格兰和西班牙开发可商用的工厂。

Quidnet公司也在改进基于压力的储能技术。在该公司的试验场，我们见到了农场主Jacob和Sadie Schweers。大约一年前，Quidnet在他们的农场安置了一台钻机，其桅杆足足有约21米高。现在能看到一个蓝色的井口，大约3米高，附近有一个集装箱大小的泵房，几个黄色的水箱，以及一堆软管。水从水箱里泵到井里，在压力下储存起来，在需要的时候回到水箱。上个月，Quidnet宣布了一项试点计划，向圣安东尼奥的一家公用事业公司提供他们的储能技术。

我们走进泵房，欣赏运行良好的活塞、飞轮和一种叫做脉冲阻尼器的东西。一台黄色的500马柴油发动机静静地坐在后面，随时准备给泵提供动力。Weight说： “我喜欢大型机器、轰隆隆的声响，还有机油的味道。” 在该系统的商业版本中，一个理想情况下由清洁能源驱动的电机负责将水泵入地下，并在水返回时发电。

我们走回外面，阳光很耀眼，Wright示意我们看向十根单独伸出地面的PVC管。这说明地下有倾斜仪，可以通过跟踪岩石的位移来评估地下水库的大小和特性;它们甚至可以感应到月亮潮汐作用的牵引力。我们站着聊天，Craig说，他们以后会把这些水箱换成漂亮的池塘。Sadie Schweers告诉我们，她希望她的农场以后可以靠太阳能和Quidnet的水井运行。

从事能源工作的人经常谈到电网，好像它有自己的需求和习惯。电池初创企业Form Energy的负责人Mateo Jaramillo告诉我： “电网需要多样化的资产。” 该公司生产一种“铁-空气电池”，这种技术利用金属生锈和解锈的循环来储存能量，是锂电池的若干理论替代品之一。未来的清洁电网有许多技术发展的空间，但同时竞争也非常激烈。“大家都在与抽水蓄能和锂电池竞争，”能源部DAYS项目的主管Scott Litzelman告诉我。“锂电池所占的份额是压倒性的，因为它的供应链和制造基地已经非常庞大且成熟。” 在谈到非电池储能初创企业时，他说：“有些新生技术，如果它们能达到一定的规模，就会更具竞争力。这就是全行业的挑战。大家都在努力证明，首先，自己的技术有可行性，也有成本潜力，然后走出实验室，真枪实弹地证明自己。”

芝加哥大学材料科学家、工程师Shirley Meng告诉我，世界需要“一整套存储方法”。但不是所有的方法都能找到合适的市场，她说，“我认为我们的投资远远不够，因为我们想要重建整个电网系统。”斯坦福大学的清洁能源研究员Nathan Ratledge告诉我，在电网仍在建设的地方，储能可以发挥特别重要的作用。很多发展中国家或许有机会完全跳过化石燃料，直接转向可再生能源，因为可再生能源更便宜、污染更少。但是，一个拥有更大比例风能和太阳能的电网需要更多的存储能力来克服间歇性的问题。可再生能源储存是 “南北分歧的三赢”，Ratledge说。“它让人们快速地进入21世纪，而不需要处理我们在七十、八十和九十年代制造的垃圾。”

我们开着Wright的车往回走，我想如果Quidnet的技术取得进展，未来会是什么样子。今天的抽水蓄能电站在地球表面形成了风景如画的湖泊，但类似Quidnet公司的技术将在地下创造出一个个受压水库。根据该公司的设想，以后大地上每隔800米就有一个井口，每6公里就有一个池塘。风力涡轮机拔地而起，地球本身将变成巨大的电池。

Energy Vault联合创始人Bill Gross在结束西海岸科技公司的工作后开始研究储能问题，在此期间他创办了一系列成功的网络公司和太阳能公司。他想知道他是否可以根据抽水蓄能的原理建造一个系统，但用固体而不是液体。与其把水抽到山上，再把它释放到山下，是否能利用清洁能源把重物层层堆叠起来，然后用滑轮把它们放下来从而发电?他告诉我： “我想做一种虚拟的山。”

Gross和土木工程师Andrea Pedretti开始研究各种方案。Gross说他们想“便宜地建造高度” 。钢材很贵，混凝土也是如此，而且生产混凝土会排放碳。他们开始与一家名为Cemex的公司合作，使用 “超塑化剂” ，一种能够将泥土固定在一起的聚合物，通常用于在低收入国家修建道路。将超塑化剂与当地的泥土、水和一点水泥混合，就可以在现场制作廉价的砖块。Gross说： “这样，我们就可以用泥土堆一座山，而且可以每天现造现拆。” 想在规模上与抽水蓄能匹敌是需要一些雄心的，但即使是中等规模的“山”，也许就足够储存在附近太阳能电场或核电站发出的电力，以及给数据中心的服务器提供动力。Gross和Pedretti于2017年成立了Energy Vault公司，首席执行官为Robert Piconi。该公司也在洛杉矶和瑞士设有办事处。

Energy Vault的初代系统EV1是一个类似变形金刚的、搭载6条机械臂的塔式起重机。起重机可以在自己的四周像垒墙一样堆积木，然后再把积木拆开。网上有些人觉得这种系统不实用，并以此大做文章。(YouTube上一个名为 “Energy Vault是一个愚蠢的想法，这就是原因” 的视频，点击量达200万次)。但无论如何，该公司开发了一种全新的封闭式系统——EVx。在效果图中，它像一个40层楼高的、四四方方的自动化仓库。电梯将使用清洁能源提升重达30吨的砖块，并将它们放在小车上，再由小车把砖块运送到建筑的中部。当需要能源时，这些砖块将被移送到电梯，电梯带着砖块下降，就可以为发电机供电，产生新的电力。Energy Vault称，该系统有很高的往返效率，可以将大部分消耗的电力再生。但即使如此，EVx还是需要移动数以千计的砖块来储存和释放能量。通常，能源使用是一个抽象概念，而Energy Vault的方法则以鲜明的物理方法揭示了它。

EVx的首个示范项目正在瑞士的一个田园山谷里开发。三月，Piconi找到了我。于是我们穿上马甲、戴上安全帽和护目镜后，在制砖机前停下了。这是一个蓝色的大铁盒，它用七千吨的力量压缩砖块的原料，然后把它们翻个个，每15分钟就能做一个新的。 “这在沃尔玛是买不到的，”Piconi说。

在那附近，我们看到了两辆小车，负责运送砖块往返于EVx的电梯。我把手放在一个硬塑料轮子上。Piconi说，公司仍在对小车的材料进行试验，“很多东西涉及材料学”。我们前往控制室，那是一辆装有电脑的拖车，Energy Vault的工程副总监Frank Tybor和他的澳大利亚牧羊犬Sydney坐在那里。此前，Tybor曾是SpaceX公司发射和着陆平台的首席工程师。(Tybor说，Sydney “去过很多火箭控制室，如果你从十倒数到零而什么都没发生，她就会不开心” )。他告诉我，Energy Vault与SpaceX类似，因为 “它看起来很大、很工业，但秘诀在于如何让它稳健而可靠地工作。” 在一个大屏幕上，我们看到一个汽车大小的砖块在小车上来回移动，传感器则同步收集磨损的数据。

来到外面，我和Piconi去找我们之前在屏幕上看到的小车。我们路过各种不同材料的巨型砖块，就像在金字塔的施工现场视察一样，然后我们见到了小车控制测试工程师Vahe Gabuchian。他在加州理工学院学习过断裂力学，负责研究在行驶数千英里和经历各种振动之后小车是否有部件会开裂。在附近，一个由工字钢制成的四层结构以微缩视角为我们展示了EVx系统最终可能的模样。如果系统成功运行，它将会是一个移动的拼图。相应的软件则需要协调电梯和小车的运动，以便在砖块加速、减速和升降时保持系统电力的平衡。

Energy Vault的首席机械工程师Al Sokhanvari走了过来。他在NASA和国防高级研究计划局有30年的航空航天项目经验，还参与了拉斯维加斯百乐宫喷泉的建造。( “但你必须承认这是最酷的，” Piconi说。)从某种意义上说，EVx建筑就像喷泉，只不过流动的是砖块而不是水。当它储存大量的电力时，建筑是头重脚轻的，因为砖块都在上层;当需要放电时，砖块就流向建筑的底部。Sokhanvari说： “所以，你要使它成为一个真正能够呼吸的、流动的东西。” 这样的建筑仿佛“一个活物”。

开发储能是有风险的。与Quidnet不同，Energy Vault是上市公司，市值超过10亿美元，但其未来是不确定的。该技术仍处于早期阶段，很难说市场对公司的青睐有多少是来自营销，多少是来自工程的可行性。还没有人建造过像EVx这样的设施，而且系统里的移动部件可能会比预期的更容易损坏。电网接入总监Venkat Srinivasan指出，锂离子电池很便携，关键是可靠。 “如果你和电网相连，可靠性就是最最重要的，对吧?”他说。公用事业部门希望合作的产品和公司至少有十年的运行数据作为可靠性的支撑。投资者正在向新能源公司投入大量资金，但“其中一些项目不会像我们想象的那样顺利，”他说。“这有多种原因，可能是技术，也可能是执行。”

锂电池，尽管有缺陷，但数量是已知的。Energy Vault正在开发的方法则不然。尽管如此，该公司并不是唯一在研究重力储能的公司。来自苏格兰的Gravitricity公司最近完成了一个示范项目，该项目将一个50吨重的块状物吊上塔楼，一次吊两层;它现在计划在废弃的矿井中上下移动一个千吨级的块状物。另外两家公司，加利福尼亚州的Gravity Power和汉堡的Gravity Storage GmbH，他们将一个巨大的重物放置在竖井底部，然后在井底灌水来抬起重物。为了提取能量，他们让重物把水挤压到管道中，并流经涡轮机发电。位于蒙特利尔的RheEnergise公司提出了另一种抽水蓄能技术，他们发明了一种名为R-19的流体，其密度是水的2.5倍;其系统在一个斜面顶部和底部的水箱之间移动这种流体。这项工作仍处于众筹阶段。

正如你可以通过在空中举起一个块状物来储存势能一样，你也可以通过加热物体来储存热能。许多公司正在研究将热量储存在熔盐、火山岩和其他材料中。基于可再生化学过程的巨型电池也是可行的。液流电池中，储罐可以用来输送电解质，而电解质可以储存电荷。还有储氢，水中的氢气被电解分离，储存在地下或储罐中，成为氢气、液氢或氨的一部分。当它在燃料电池中与氧气重新结合时，可以再次变成水并释放出电力。

Srinivasan告诉我，他经常看到一些新的方案，觉得， “嘿，这可能是个不错的想法。” 能源部的Litzelman说，目前大家的想法非常多，这恰恰说明“还没有人找到那个完美的组合——低成本、大规模、高性能。”最后很可能变成，各种技术百花齐放，但是每种技术解决的都是不同的问题。有些技术可以改善Dunkelflaute的情况，有些技术帮助电网避免拥堵，或储存能源以便买卖。还有一些技术为“电力质量”保驾护航，使每秒的电力波动变得更加平滑，其中一个已经在使用的技术就是飞轮：比较先进的版本是，重达一吨或更重的金属块通过磁铁在真空中悬浮，电机将它们每分钟旋转数万次，然后发电机给它们降速，以回收能量。(一位工程师告诉我，“电网就喜欢这些旋转的金属”。)

Litzelman认为，储能系统最终会降低去碳化的总成本，但他承认，推广会是一个问题。他的一位同事经常说，电网不是客户。真正的客户是独立的电力生产商、公用事业企业、以及工厂和数据中心。问题是要弄清楚谁为什么买单，与电网的融合程度也很重要。铁-空气电池公司Form Energy的Jaramillo说： “你不能简单地只看两张明细表，然后说，这个往返效率更高，这个好。” 他的公司使用计算机模型，并纳入天气和市场的数据，为其技术寻找合适的方向。Jaramillo恰好有神学硕士学位，他说这门学科在理解储能系统方面十分有用。他说：“所有储能系统都要取舍，这与人类没有什么不同。我远非完美。我的婚姻非常幸福，因为我的妻子愿意包容我的缺点。”合适才是最重要的。

储能可以加强整个电网的韧性，这是它得到广泛政治支持的部分原因。加州大学圣巴巴拉分校的政治学家Leah Stokes告诉我，储能技术 “在燃料来源方面是中性的” 。它们 “可以储存任何种类的电力，环保的或不环保的” 。如果储能开始明确地支持可再生能源，进而威胁到化石燃料的地位，那么它可能会成为一个党派问题。 “气候和能源政策政治化的根源，是向共和党提供巨额资金的化石燃料公司，”Stokes说。“这不是意识形态的不同，利益才是根源。”目前，储能政策处在Stokes所说的“制定的迷雾”中，技术是如此之新，以至于我们还不能确定其最大受益者是谁。不可避免的是，会有输家，但即使作为一个社会和星球，我们仍旧获得了优势。

电网作为一个整体可能永远不会是完美的。我们可能永远无法摆脱有不良附属品的技术，在电力高峰需求时，我们可能还是需要依赖由锂电池和天然气 “调峰”厂支持的化石燃料和核电厂。但另一种未来同样是有可能的，一些技术成功了，可再生能源和其储存将世界重塑。在这样一个世界里，风力涡轮机和太阳能发电站遍布田野和海岸线，地热发电厂则从地下汲取能量，氢气和压缩空气在山洞和储罐中来回流动。在工业区，能源仓库随着重力的呼吸而颤动;在乡村，水被引导到地下，再重新循环到地面。当太阳升起，风开始吹拂，电网将大口吸气，电力得到保存。在“平静”期，电网就呼出电力，驱动工厂、家庭、办公室和各种设施。我们不再需要史前矿物这些没有生命的燃料，而是在一个有呼吸的系统中动态地创造和储存能源。

从瑞士回来后，我出门散步，温和的阳光下微风拂过我的面颊。20年前的人们很难想象，原来阳光和风可以提供足够的能源来满足我们的需求。但是慢慢地，我们的观念发生了转变，开始接纳可再生能源。我们对可再生能源储存的态度也会有类似的转变过程。抬起头，我看到了悬挂在天空中的云朵，即将下雨;它们也曾经是势能的载体。在我的脚下，我想象着地面在城市的重压下微微下沉，蓄势回弹。大自然可以帮我们产生动力，也许它也能帮我们留住它。