第四章

太阳能的储存

　　虽然发现降低光解水的催化剂的成本的方法、提高生物质转化的效率和构建性能更好的下一代光伏技术对于使得用太阳能衍生的燃料与石化燃料竞争是重要的，但是许多CS3的与会者也指出，同样重要的是，化学家们要弄清楚在这种转化一旦实现之后如何可以把所有这些能量储存起来。所有这一切，正如美国麻省理工的丹尼尔∙诺塞拉博士所讲，“社会不能只在有阳光时运转”。他认为，在今天太阳能只占能源市场份额的0.1%以下，并非仅仅是由于成本、其它材料和制造问题，而也是由于缺少可供选择的长期稳定储存的办法。 在达到太阳能可以储存而供未来(长期)使用以前，太阳能转换技术要占领全球能源市场还有着一个困难期。CS3的第4次会议的焦点是太阳能储存技术，许多讨论涉及个性化储存和中央储存之间的差别以及应该和可能储存的化学燃料问题。本章总结了这些讨论。

储存太阳能的途径

　　讨论开始之前，诺塞拉就可以储存太阳能的不同方法作了综述：

　　(1) 采用机械办法，通过被压缩的空气来储能。太阳能可以用来压缩在地下水库(例如含水层、盐岩洞)中的空气，而当空气被解压就可释放出约0.5MJ/kg的能量。

　　(2) 水电泵浦系统。太阳能可以用来在山顶水库中泵浦和储存水，而当水流回到山下时，它释放出约0.001MJ/kg的能量。诺塞拉说，用此方法的能量密度太低，因此，水电泵浦不能真正的实用。

　　(3) 电池。电池的能量产率范围从锂电池的0.54~0.72MJ/kg到镍镉电池的0.14~0.22MJ/kg和铅电池的0.14~0.17MJ/kg。这是不使它们比现在电池更重时所可以达到的能量密度。诺塞拉的意见是，尽管由于电池储存的能量可以迅速地被提取，因而对于输运是好的，但它们并不是长期、非网储存的很好选择。、

　　(4) 电容器。尽管电容器可以储能，但它们的产率仅约0.01MJ/kg(超级电容器，supercapacitors)到0.0206MJ/kg(超级电容器，ultracapacitors)。

　　(5) 化学键。化学键有任何太阳能系统最高的能量密度。例如，70MPa的压缩氢气的产率为143MJ/kg，其它的液体燃料为44MJ/kg量级。诺塞拉解释道，“自然界“选择”化学燃料来储存”，因为它们的高能量密度，进而，“自然界“选择”用CO2固氢”。他论证说，也许我们应该从自然界得到启发，不仅用化学键作为我们长期储存太阳能的模式，而且也用它来由CO2来固氢(即从光解水衍生出来的H2)和制造液体燃料。不过，如第1章中所讨论的，化学家们还没有开发出一个减少CO2的实用的太阳能方法。直到此目标达到之前，诺塞拉的个性化能源系统的梦想取决于氢气作为燃料的使用。

分布式的能源存储

　　诺塞拉说，除了储存技术是进入市场的关键驱动力之外，个性化储存技术将是使得太阳能成为非传统世界的可以采取的选择的关键，也就是说，今天有30亿人被认为是低能量用户(即使用脱网能源的人)，下一个世纪将有另外的30亿低能量用户的加入。在未来的几十年中，世界能量消耗的增加的大部分都将来自于这60亿人。尽管通过中央电网可以使传统世界得到更好的服务，例如，把转换的太阳能储存在电池中(见下面的讨论)，但对非传统世界的更好的服务还将是通过非中央系统，每个楼宇依赖于它的单独的储存单元。

　　无论如何，为了使得太阳能能够成为使用非入网能源的人们的可采用的选择，就需要开发新型太阳能储存系统。这个挑战要比简单地递减目前存在的体系大得多。诺塞拉把它与设计个人计算机相比较：“你不能简单地把机架做得更小。你必须重新开始设计新的个人计算机。同样，你不能简单地通过削减目前存在的系统来满足所有新能量用户的需求。你必须创制新的个性化系统”。在此情况下，对于许多下一代太阳能技术来说，问题就是如何做到？

　　诺塞拉描述了他的个体能源系统，它是部分建立在他的实验室已经进行的新的光解水催化剂的工作(见第1章催化剂化学的详细讨论)的基础上的：屋顶光伏阵列把太阳能转换为电能，以用于日间，剩余的电能驱动光解水装置以产生氢和氧，氢和氧被储存在一个槽中，到了夜间，在燃料电池 中再复合产生电，为光伏阵列不能工作的家庭提供能量。理论上讲，为一个家庭或一群住房提供能源只需要非常少量的水为原料。如在第1章中提到的，诺塞拉和与他签了协议的夏普电器公司已经在进行把系统的光解水部分与夏普的光伏技术集成的工作。诺塞拉强调说，他的工作并不一定是“答案”，但它开始了一个非中央化太阳能储存的研究与开发的新领域。

哪一种化学燃料？

　　在诺塞拉报告和回顾了第1次会议的一些(如第1章中总结的)讨论之后，德国柏林马普学会弗利茨-哈勃(Fritz-Haber)研究所的罗伯特∙施勒格尔(Robert Schlögl)博士说，在过去，氢燃料被视为化学储存太阳能的仅有选择，此后科学家们已经承认，事实上，还有其它的选择和其它类型的燃料。他指出，取决于不同的情况，可以生产不同类型的燃料。纽约布洛克海文国家实验室的藤田悦子博士评论了甲醇的客观需要，因为它可以被用作稳定和可输运的燃料，而且它的生产可以有许多的选择来利用。不论是(从光解水产生的)氢其本身作为燃料还是把它转化为其它燃料，任何途径都表明，氢似乎将变成许多国家的能源体系中的一个非常重要的成分。因此，施勒格尔认为，我们需要开始考虑如何把它储存起来。不过他再次强调，尽管化学家们已经成功地证明可以用太阳能来为光解水中的不同化学反应提供能量，但这些过程中的没有一个已经进展到可以被应用的地步。化学家们还需要开发人工光合成的催化剂，这种催化剂不仅要能有效地工作以足够提供电站或其它能量转换系统，而且要是能够以地球上资源丰富的可承受的材料来制备的。

　　诺塞拉然后问道，是否可以削减CO2还原过程以使能够用于个性化能源储存系统？也就是说，有没有催化剂可以用来还原CO2并形成除了氢之外的、用于小能源系统的其它燃料？施勒格尔对此回答说，有，这是可能的，但它需要开发新的反应器和使得过程更简化。换句话说，对于太阳能科学和技术的许多领域，催化剂化学显然是一个极其重要的课题，在此情况下，还有其它的课题需要关注。美国加州帕萨迪纳的加州理工学院的索西娜∙海尔(Sossina Haile)博士提到，美国西北太平洋国家实验室的科学家们正在开发一种袖珍型能量转化技术，可以用于这种小规模CO2还原方案中。

 

　　在诺塞拉报告后的讨论中，德国穆尔海姆的马普碳研究所费尔迪∙舒特博士重申，对不同的地区需要考虑不同类型的储存体系，这取决于其外部结构和需要。在没有电网外部结构的地区，把太阳能作为气体和液体化学燃料(如氢，甲醇或甲烷)储存也许是有意义的，但在入网地区，尽可能作为电留下来具有更大的意义。无论如何，在构建一个围绕太阳能供电的中央能源系统仍然需要储存。例如，德国需要保持90天的油储备，这相当于需要2000万吨油。不用油就需要找到储存90天的燃料的替换办法。

　　德国吉森大学的约尔根∙雅奈克(Jürgen Janek)博士对用电池作为这种替换办法之一的可行性进行了评论。他指出，不像在研讨会期间讨论的大多数其它技术，电池作为储存的模式的挑战在于协调而不是化学。一个入网的电池储存系统的尺寸不仅需要设计而且要正确的组织。除了这些概要评论之外，对于电池储存的进展所遇到的科学与技术挑战没有被详细关注。

　　最后，海尔描述了未来的中央太阳能储能方案，它涉及了与诺塞拉提出的个性化方案类似的途径：除了产生白天使用的电力之外，中央电厂也将把部分白天所俘获的太阳能经过二氧化铈基热化学过程来生产燃料，用此燃料来在夜间供电。她与她的研究团队已经证明，二氧化铈暴露于水和CO2可以用作制氢、合成气 或甲烷的热化学反应的介质。基于目前可以利用的二氧化铈的数量(全世界约4000万吨，与其它元素相比，铈是比较丰富的)，可以想象，人们就可以构建50000个1亿瓦的电厂，每个相当于约14万美元(二氧化铈原材料的成本)。

储存新采集的和转化的太阳能

化学家们必须开发不仅把太阳燃料转化为其它形式能源而且把转化的能量储存起来为以后使用的系统。这对于世界范围没有采用中央能源输送系统的地区是一个特别严峻的课题。为了构建低成本、可持续发展的太阳能储存体系，什么是必须达到的？在CS3总结会上，大家对最紧迫的科学挑战得到了共识:
开发低成本和用地球上资源丰