美国能源部预测，到2050年，可再生能源将成为美国增长最快的能源来源。
尽管近几十年来可再生能源的发电成本有所下降，但储存能源的成本仍然相对较高；这一点十分重要，因为可再生能源来源往往依赖天气条件。
美国国家可再生能源实验室的一位研究人员概述了3项新兴技术，这些技术可能到2050年将美国的可再生能源储能容量提升高达3,000%。
近几十年来，风能和太阳能发电的成本大幅下降。这也是美国能源部预测可再生能源将成为到2050年美国增长最快的能源来源的原因之一。
然而，储存能源的成本仍然相对较高。而且，由于可再生能源发电并非随时可用——只有在风吹或日照时才能发电——因此储能至关重要。
作为美国国家可再生能源实验室的一名研究人员，我与联邦政府和私营行业合作，开发可再生能源储能技术。在最近发布的报告中，该实验室的研究人员估计，美国可再生能源储能容量有潜力到2050年提升高达3,000%。
以下是三项可能助力实现这一目标的新兴技术。
更长的续航时间
从小型电子设备使用的碱性电池，到汽车和笔记本电脑使用的锂离子电池，大多数人在日常生活的许多方面已经在使用电池。但其发展空间依然很大。
例如，具有长放电时间（长达10小时）的高容量电池，可能对夜间储存太阳能或提升电动汽车续航里程具有重要价值。目前使用的此类电池非常少。然而，根据最新预测，到2050年，这类电池的安装量很可能超过100吉瓦。作为对比，这相当于胡佛大坝发电容量的50倍。这可能对可再生能源的可行性产生重大影响。
最大的障碍之一是锂和钴供应有限，而这两种材料目前是制造轻量化、高性能电池的必需品。根据一些估计，到2050年，全球约10%的锂储量和几乎全部钴储量将被耗尽。
此外，全球近70%的钴产自刚果（金），而当地的开采条件长期以来被记录为不人道。
科学家正致力于开发锂电池和钴电池的回收技术，并设计基于其他材料的电池。特斯拉计划在未来几年内生产无钴电池。其他企业则致力于用钠替代锂，钠的性质与锂非常相似，但储量丰富得多。这可能为可再生能源储能技术带来明显推动。
更安全的电池
另一个重点是提高电池的安全性。一个有待改进的方面是电解质——这种介质通常为液体，能够使电荷流动，从电池的阳极（负极）流向阴极（正极）。
电池工作时，电解质中的带电粒子会移动，以平衡电池输出电流的电荷。电解质通常含有易燃材料。如果发生泄漏，电池可能会过热，进而起火或熔化。
科学家正在开发固态电解质，这将使电池更加坚固耐用。粒子在固体中移动远比在液体中困难，但实验室规模的鼓舞人心的结果表明，这些电池有望在未来几年内用于电动汽车，并且商业化的目标时间最早可定于2026年。
固态电池虽然非常适合消费电子产品和电动汽车，但对于大规模储能，科学家正在研究一种全液体设计，称为液流电池。
在这类装置中，电解质和电极均为液体。这使其能够实现超快速充电，并便于制造超大型电池。目前，这类系统成本非常高，但研究仍在持续推进，以降低其价格。
可再生能源储能的替代方案
在某些情况下，其他可再生能源储能解决方案的成本低于电池。例如，聚光太阳能电站利用反射镜聚集阳光，将数百或数千吨盐加热至熔化。随后，这种熔融盐被用于驱动发电机，其原理与传统电厂中利用煤炭或核能加热蒸汽、驱动发电机的方式大致相同。
这些被加热的材料还可以储存起来，在阴天甚至夜间用于发电。这种方式使聚光太阳能发电能够全天候运行。
这一理念也可应用于非太阳能发电技术。例如，风力发电所产生的电力可用于加热盐，供无风时使用。
聚光太阳能发电的成本仍然相对较高。为了与其他形式的发电和储能竞争，它需要提高效率。实现这一目标的一种方式是提高盐的加热温度，从而提升发电效率。遗憾的是，目前使用的盐在高温下并不稳定。研究人员正在努力开发能够耐受高达1,300华氏度（705摄氏度）温度的新型盐或其他材料。
实现更高温度的一个主要思路是加热沙子而非盐，因为沙子能够耐受更高温度。随后，沙子将通过传送带从加热点输送至储存设施。美国能源部近期宣布为基于这一概念的试点聚光太阳能发电站提供资金支持。
先进的可再生燃料
电池适用于短期可再生能源储能，而聚光太阳能电站则有助于稳定电网。然而，公用事业公司还需要长期储存大量能源。这正是氢气和氨等可再生燃料的用武之地。氢气和氨。公用事业公司可以在风力涡轮机和太阳能电池板发电量超过用户需求时，利用多余电力生产这些燃料，从而将能源储存其中。
按单位重量计算，氢气和氨所含的能量高于电池，因此它们适用于电池无法胜任的场景。例如，它们可用于重型货物运输和重型设备运行，以及用作火箭燃料。
目前，这些燃料主要通过化石燃料（如天然气或其他不可再生燃料）经由极低效率的反应制得。虽然我们将其视为绿色燃料，但目前大部分氢气仍由天然气制成。
科学家正在探索利用可再生电力生产氢气及其他燃料的方法。例如，可以通过电解水分子来制取氢燃料。关键挑战在于优化该工艺，使其兼具效率与经济性。其潜在回报极为可观：取之不尽、完全可再生的能源。
