1　概述

1.1　可再生能源利用和能量储存

化学电源是储能中介，它将能量的产生和能量的使用串接起来，起着承上启下的作用，如图1.1所示。可再生能源产生的电属于“质量很差”的电，直接利用的可能性很小，并且产生时间和使用时间常常会错开，化学电源将电能产生和使用两个过程串接起来，是重要的中介。由化石燃料或者可再生能源产生的电能在使用之前以化学能形式储存在化学电源中，在需要的时候化学能转化成电能释放出来。

图1.1　化学电源的“中介”功能示意

日常用电情况呈现周期变化，在用电峰谷，电网有多余电力，如图1.2所示，这部分多余的电需要被储存起来以节省能源，储能系统正可以胜任此项工作。据统计美国总电力的10%需要平峰处理，欧洲比例占15%。

图1.2　一周内电力消耗周期性变化示意图

其他储能形式包括很多，如将水抽到高水位储存（PHS），压缩空气储存（CAES），超导磁能储存（SMES）等。各种储能形式的特性、资本成本对比，如表1.1和表1.2所示，其中VRB代表钒液流电池，ALTES代表低温热能储存，CES代表低温储能系统，HTTES代表高温热能储存，PSB代表多硫溴化物电池。

表1.1　各种储能系统特性

表1.2　各种储能系统的特征

图1.3给出了各个系统的效率对比，锂离子电池、超电容和超导电磁储能系统的效率最高，在90%以上，目前常用的铅酸电池效率低于80%。

图1.3　各种储能系统的效率

除了可再生能源来源，电能的另一个产生过程就是利用不可再生能源，也就是化石类能源，假设是煤发电，假设最初煤燃烧的能量为100%，那么这100%的能量都到哪里去了呢？发电过程的效率是38%，其余62%以热能形式最终进入大气层，电网传输过程中有2%损失，其余36%为用户所使用，如果用户单纯用于照明的话，转换成光的有2%，其余34%以热形式散发。

地球温度变暖，主要罪魁祸首是CO2，世界各国对CO2的排放控制越来越重视。图1.4是各种发电技术伴随的CO2气体的排放量。各种形式的能源中，煤和天然气的CO2排放最明显，在可再生能源系列中，太阳能发电技术的CO2排放量是最大的，其SO2和NOx的排放也最明显。图1.5和图1.6分别是各种发电技术伴随的SO2和NOx排放量。

图1.4　各种电力能源的CO2排放对比（考虑了CO2消耗）

图1.5　各种发电技术的SO2排放

图1.6　各种发电技术中NOx的排放

从平均占地面积来看，生物质能发电模式使用土地面积最大，每年每兆瓦时的发电量需要300～400m2土地，太阳能为8～10m2，核能发电为6m2稍多，天然气发电技术占地面积最小，不到1m2，如图1.7所示，从这些数据来看，生物质能发电技术的实际应用可能性很低。

图1.7　各种发电技术的占地情况（下图为上图的局部放大）

保护环境，缓解温室效应，解决潜在的能源危机，主要有两种途径可供选择：节能和开发新型能源，从目前来看，节能技术更为重要，美国和西欧在这方面做得比较出色。美国2012年每1美元GDP消耗的能源仅相当于1980年时的1/2，未见我国这方面的统计数据。