2008年2月27日对可再生能源来说是个糟糕的日子。一股冷锋穿过西德克萨斯州，傍晚时分，正当电力需求达到高峰时，风力却减弱了。该地区的风力发电量迅速从1.7吉瓦骤降至仅300兆瓦（1兆瓦足以供约250个普通大小的房屋使用）。电力供应的突然中断迫使电网运营商切断了部分办公室和工厂数小时的电力，以防止全州范围的停电。
到第二天，一切都恢复了正常，但德克萨斯州的事件凸显了一个巨大但鲜为人知的挑战：大规模采用风能和太阳能。与化石燃料发电厂不同，风力涡轮机和光伏电池无法随意开启或关闭：风什么时候刮，太阳什么时候照耀，与需求无关。尽管德克萨斯州仅依靠风能供应其3%多一点的电力，但这足以给该州的电力供应带来不确定性。随着各州和公用事业公司推动扩大零碳能源的使用，这个问题肯定会变得更加严峻。风能是美国增长最快的电源，太阳能规模虽小但也发展迅速，加利福尼亚州正准备到2017年从可再生能源中获取20%的电力。
专家们认为，当风力发电占电力供应的很大一部分（“很大一部分”定义为约占电网容量的10%）时，某种形式的储能对于保持电网稳定至关重要。“没有储能，可再生能源将难以大规模发展，”美国能源部能源系统研究经理伊姆雷·久克（Imre Gyuk）说。
幸运的是，地平线上出现了一个有前途的解决方案：一种名为钒氧化还原液流电池的鲜为人知的技术。这种不寻常的电池是20多年前由澳大利亚悉尼新南威尔士大学顽强的电化学教授玛丽亚·斯基拉斯-卡扎科斯（Maria Skyllas-Kazacos）发明的。钒电池比锂离子电池和大多数其他类型的电池有一个巨大的优势。它可以在瞬间吸收和释放大量电力，并且可以反复进行，使其成为平滑风力涡轮机和太阳能电池输出的理想选择。
简而言之，斯基拉斯-卡扎科斯的这项发明，可能会拯救可再生能源。
对于维护电网的工程师来说，电力供应最重要的优点之一是可预测性，这正是可再生能源让他们感到不安的原因。核电和化石燃料发电厂产生的电力，在行业术语中是“可调度的”；这意味着它可以从分秒必争地进行控制，以保持电网平衡，从而使输电线路中的能量输入与需求精确匹配。如果电网失去平衡，电涌可能会损坏输电线路和设备。因此，发电机被设计成在电网变得不稳定时通过脱机来保护自己。有时这会将小波动放大成级联灾难，就像2003年8月美国东北部和加拿大东部发生的那样，导致5000万人陷入停电。除非可再生能源的可靠性能够得到改善，否则随着这些能源向电网贡献越来越多的电力，工程师将越来越难以保持系统平衡。这增加了停电的幽灵，这是任何人都无法容忍的。“我们希望使可再生能源真正可调度，以便我们能够在给定时间提供给定量的电力，”久克说。
提高可再生能源可靠性的方法是储存充足时期（例如，风力强劲或阳光充足时）产生的多余电力，然后根据实际需求在以后释放。公用事业公司几十年来一直在使用各种储存技术。例如，水电站通常利用水库在高峰时段发电，然后在非高峰时段将部分水泵回上游。压缩空气是另一种不那么常见的大规模储能形式。它可以被泵入地下洞穴，并在以后利用。这些技术已被提议作为储存可再生能源的方法，但这两种方法都依赖于不寻常的地理条件。
“对我们大多数人来说，目前有效存储的关键是电池，”南加州爱迪生公司输配电高级副总裁吉姆·凯利说。具体来说，需要一种能够储存足够能量以使整个发电站度过难关、可以反复充放电，并且可以在短时间内释放大量电力的电池。几种有前途的电池技术已经处于商业化的早期阶段，但钒电池在可扩展性和经济性方面可能具有优势。
与您手机或汽车中的电池一样，钒电池也是可充电的，但在化学和结构上它们有自己的特点。钒电池由三个主要组件构成：一个发电堆和两个盛装液态电解质的储罐。电解质是任何含有带正电荷或负电荷的原子或分子的物质。这些带电原子或分子被称为离子，离子上的电荷量被称为其氧化态。在电池中，电解质用作储能介质。当两种电解质，每种都含有不同氧化态的离子，被允许交换电荷时，结果就是产生电流。这种电荷交换的技术术语是氧化还原反应，这就是为什么钒电池正式被称为钒氧化还原电池的原因。
传统电池，例如常见的AA干电池，将其电解质容纳在其自身的密封容器中。但钒电池是一种液流系统——也就是说，液态电解质从外部储罐泵入电堆，在那里发生发电的氧化还原反应。想储存更多电力？使用更大的储罐。储罐越大，它们能储存的富含能量的电解质就越多。缺点是液流电池往往很大。一个冰箱大小的液流电池，包含一个160加仑的电解质储罐，可以储存20,000*瓦时电量，足以供一台全尺寸高清电视使用约三天。这是因为液态电解质的能量密度相对较低，与锂离子电池中的化学物质相比。（能量密度是衡量可以从给定体积或质量的电池中提取的能量量的指标。）因此，液流电池不太可能用于移动应用，如笔记本电脑或电动汽车。在这些情况下，首选电池仍然是锂离子电池，其能量密度是钒电池的五倍。
对于大规模储能，规则则大不相同。典型的可充电电池不适用，因为很难从中快速获取大量能量；当电网即将崩溃时，你需要立即注入能量。普通可充电电池也容易耗尽。典型的笔记本电脑电池在数百次充放电循环后就会报废。相比之下，液流电池可以充放电数千次。
钒电池不知疲倦的特性与其发明者斯基拉斯-卡扎科斯相呼应。她是一位专注的研究员，务实的举止常常伴随着意想不到的轻松笑声。她与钒电池的缘分始于1978年在新泽西州默里山贝尔实验室的一次偶然经历，当时她是技术人员。她申请从事太阳能工作。那时，贝尔实验室正在开发液结光伏（一种采用液态电解质的太阳能电池），这似乎很适合她的电化学专业训练。但实验室电池部门的主管首先看到了她的求职申请，并对她印象深刻。出乎意料的是，斯基拉斯-卡扎科斯到来后被分配研究电池，而她此前从未从事过这方面的工作。
五年后，在她回到悉尼，也就是她1954年随家人从希腊移民后成长的地方，她将自己在电池领域偶然获得的经验派上了用场。她在新南威尔士大学任职。在那里，一位同事请她共同指导一名学生，该学生想研究储存太阳能的方法。这个项目听起来很有趣，于是她同意了。
斯基拉斯-卡扎科斯的研究始于对NASA在20世纪70年代中期完成的液流电池基础工作的进一步开发。该航天机构的科学家们认识到液流电池可以在航天器上储存太阳能，但他们在遇到一个名为交叉污染的难题后放弃了它们。当两种由不同物质制成的液态电解质被膜分离时，迟早膜会被渗透，两种物质混合，导致电池失效。早期的NASA液流电池，使用铁和铬，因此很快就耗尽了。
“我们认为解决这个问题的方法是找到一种可以同时用于两侧的元素，”斯基拉斯-卡扎科斯说。从技术上讲，交叉污染仍然会发生，但由于基本相同的物质发挥双重作用，这个问题就无关紧要了。关键是选择一种可以以多种电荷或氧化态存在的元素。
斯基拉斯-卡扎科斯选择了钒，这是一种柔软、亮白色、相对丰富的金属，以斯堪的纳维亚美与青春女神瓦娜迪斯（Vanadis）命名。钒有四种氧化态，分别为V(+2)、V(+3)、V(+4)和V(+5)；在每种状态下，该元素携带不同量的电荷。氧化态通常难以区分，但在这种情况下，大自然是仁慈的：V(+2)是紫色，V(+3)是绿色，V(+4)是蓝色，V(+5)是黄色。
仅仅拥有不同的氧化态不足以使一种元素适用于液态电池。该元素还必须是可溶的。美国国家航空航天局（NASA）曾考虑并拒绝使用钒，因为技术文献坚称该元素有用的V(+5)形式的溶解度（从而能量密度）极低。然而，斯基拉斯-卡扎科斯认识到，仅仅因为某物出现在印刷品上并不一定意味着它是真的。以前的研究是通过让钒的化合物——五氧化二钒——在溶液中溶解来开始的。这是一个非常缓慢的过程，可能需要几天时间，而且在溶液中从未产生超过极少量的V(+5)。斯基拉斯-卡扎科斯通过一种不那么直接的途径来解决这个问题。“我从高度可溶的V(+4)形式开始，然后将其氧化，产生过饱和的V(+5)溶液。我发现我可以获得更高的浓度。从那时起，很明显这种电池实际上是可行的。”
1986年，一个重要的里程碑出现了：她的大学为斯基拉斯-卡扎科斯钒电池申请了专利。但证明这个概念却是容易的部分。“我们以为我们会把这个设备做到一定程度，然后会有一些行业团体来接手，”斯基拉斯-卡扎科斯笑着说，“我们没有意识到任务是多么巨大。我们必须开发膜、电极的导电塑料、结构、材料、设计、控制系统——所有的一切！”1987年，澳大利亚钒矿公司阿格纽·克劳夫（Agnew Clough）获得了这项技术的许可。但这项交易没有取得任何成果。
钒电池终于在1991年首次获得大放异彩的机会，当时位于东京北部三菱子公司的鹿岛北电力公司获得了这项技术的新许可。鹿岛北电力公司使用委内瑞拉沥青（一种富含钒的燃料）为发电机提供动力。斯基拉斯-卡扎科斯的电池完美契合。这是一种能够让该公司从其烟灰中回收钒，同时平稳其电力需求波动的技术。世界上第一个大型钒电池于1995年投入运行，能够提供200千瓦的电力达四个小时——足以供应约100户家庭。这是一次成功，但鹿岛北电力公司出售了许可，没有再建造另一台。
买方是总部位于大阪的巨头住友电气工业公司，该公司自20世纪80年代初以来一直在研究美国宇航局（NASA）式的铁铬液流电池。当住友在1997年转向钒并获得该技术许可时，斯基拉斯-卡扎科斯的发明前景一片光明。三年后，住友开始销售钒电池，其中包括一个1.5兆瓦的模型，为一家日本液晶显示器工厂提供备用电源。据报道，通过在停电期间维持电力，从而防止生产损失，该电池在六个月内就收回了成本。
住友公司此后在至少15个其他实施方案中展示了钒技术，其中包括在北海道一个风电场的170千瓦电池。所有这些都位于日本，其发展得到政府补贴。住友公司不在日本以外销售，可能是由于电池的高制造成本。
现在有一家公司正在全球范围内扛起钒的旗帜：VRB电力系统公司，这是一家位于不列颠哥伦比亚省温哥华的初创公司，购买了该技术早期的大部分知识产权。该公司瞄准了用于为偏远、离网电信应用供电的混合系统市场。“在非洲等地，手机信号塔通常由24小时不间断运行的小型柴油发动机提供动力，”VRB首席执行官蒂姆·亨尼西（Tim Hennessy）说。通过在系统中添加钒电池，可以运行柴油发电机同时为电池充电，然后关闭柴油发电机，运行电池，然后不间断地重复循环。“这种电池的妙处在于你可以随心所欲地循环它很多次，”亨尼西说。“电解液不会磨损。”
VRB已在肯尼亚的两个地点安装了5千瓦电池。亨尼西声称，这些电池可以“至少减少50%的柴油燃烧，此外柴油发动机所需的维护更少，寿命更长。这有望对我们客户的运营费用产生巨大影响。”该公司最近的其他销售包括一个20千瓦的系统，价值30万美元，将为加利福尼亚州萨克拉门托一家未披露的大型电信公司提供9小时的备用电源。这些客户正在亲身体验斯基拉斯-卡扎科斯二十年前学到的东西。钒电池确实有效。
尽管钒电池前景广阔，但它仍然面临着质疑——令人惊讶的是，其中一些来自风电行业，他们认为储能问题并没有那么严重。一个主要症结是价格。钒电池目前每千瓦时成本约为500美元。因此，如果一座25万人口的城市用钒电池运行24小时，价格将达到24亿美元。“风电不需要储能，而且在未来十年内也不太可能具有成本效益，”美国风能协会政策主管罗布·格拉姆利奇（Rob Gramlich）辩称。格拉姆利奇指出，美国能源部最近的一份报告《到2030年实现20%风能》几乎没有提及储能。他还指出，作为世界上最积极使用风能的国家，丹麦在没有储能的情况下也能运转。
丹麦人是怎么做到的？丹麦西部的电网与挪威、瑞典和德国的电网紧密相连，这些国家充当了丹麦邻国的巨大能源海绵。当风力强劲时，它们吸收丹麦廉价的过剩电力，并在高峰期返回昂贵的水力发电。结果是，尽管丹麦人产生的电力有17%来自风能，但他们只使用了7%或8%，据丹麦能源咨询和开发公司Incoteco的休·沙曼说，Incoteco的客户包括VRB。其余的则出口。
如果这些国家增加更多可再生能源，这种情况将不可持续——丹麦提议再建造4.5吉瓦的近海风电场。这就剩下两种方法来满足风力下降时的电力需求。要么建造大量小型、快速响应的化石燃料备用涡轮机，要么选择储能。随着天然气价格飙升，电池储能正迅速成为更具经济吸引力的选择。丹麦罗斯基勒国家可持续能源实验室的研究人员目前正在评估一块15千瓦的VRB电池。
成本并非钒电池必须克服的唯一障碍。可靠性也可能是一个问题，去年，一个钒电池展示项目关闭，这是一套200千瓦的备用系统，于2003年安装在塔斯马尼亚北部海岸金岛的一个风电场。该电厂的电池（非VRB提供）出现问题，导致电解液过热，损坏了电堆。然而，其他示范性钒电池，例如犹他州城堡岩的一个250千瓦装置，已经可靠运行多年。
中国传来了一张信任票。由中国北方大连化学物理研究所的张华民领导的一个团队已经完成了2千瓦、5千瓦和10千瓦钒电池模块的测试，目前正在评估一个100千瓦的系统。张在电子邮件中写道，钒“在中国政府支持下，随着可再生能源的日益发展，将拥有潜在的市场。”“此外，中国迫切需要大规模储能系统，以应对频繁的自然灾害，例如最近的四川地震。”
钒电池面临的最大挑战可能来自其他先进电池技术，其中最严重的是日本陶瓷专家NGK绝缘子公司生产的钠硫电池。虽然可扩展性较差，但钠硫电池因其技术更成熟而吸引了投资者。其安装案例包括日本北部的六所村，那里有34兆瓦的钠硫储能系统为51兆瓦的风力涡轮机提供备用电力。
最终，钒电池拥有一些独特的吸引力，可能使其成为可再生能源的最佳伴侣——不仅适用于大型风电场，也适用于将可再生能源直接引入消费者家庭的小型涡轮机和太阳能电池。目前，钠硫技术在低于1兆瓦的规模下表现不佳。对于较小的应用，例如调节房屋太阳能电池板的电流，基于钒的系统看起来更具成本效益。它们可以通过使用更小的储罐来适应更适度的需求。
斯基拉斯-卡扎科斯目前正致力于这些规模较小的应用。三年前，她与丈夫迈克尔以及儿子尼克和乔治共同创立了V-Fuel公司，旨在开发和商业化第二代钒电池。成立V-Fuel的动力来自于新南威尔士大学将第一代钒电池技术的权利出售给VRB Power Systems。两年后，由于没有什么可开发的了，她的电池实验室——鼎盛时期有18名成员——关闭了。然而，人们不断联系斯基拉斯-卡扎科斯咨询钒电池，她也不断构思出更好的版本。2005年，54岁的丈夫想退休。她告诉他：“不，你不能——我们重新开始！”
“我看到了很多机会，”斯基拉斯-卡扎科斯说，“但很多兴趣并没有转化为实际销售，因为成本实在太高了。”她指出，降低成本的关键是为液流电池最昂贵的部分——隔膜——寻找替代品。经过全球范围的合适材料搜索，V-Fuel设计了一种聚合物隔膜，斯基拉斯-卡扎科斯声称其耐用性强，价格不到传统材料的一半。第二个挑战是制造更小的电池，这种电池不需要仓库来储存电解液储罐。为此，斯基拉斯-卡扎科斯找到了一种电解液，可以溶解更多的钒，从而使能量存储密度翻倍。
在V-Fuel位于悉尼狭窄工作室的台架上，摆放着一个5千瓦电池堆的原型。这个电池堆尺寸与文件柜抽屉相当，设计用于安装在一个由两个电解液罐组成的方形块上方。由此产生的组件将足够紧凑，可以放入家用壁橱。如果作为家庭发电系统的一部分进行配置，它能够吸收屋顶太阳能电池板的电能，并在高峰时段放电。斯基拉斯-卡扎科斯估计，这种消费者用钒电池最终售价可能约为5000美元。按这个价格计算，几年内就能收回成本。
因此，钒电池既可以在电力公司不为人知地发挥重要作用，也可以在家中清晰可见地扮演重要角色，平滑自然界的粗糙边缘，使可再生能源像煤炭或天然气一样高效运作。稳定未来的国家电网，使其大部分电力来自可再生能源，对于目前以兆瓦而非吉瓦供电的技术来说，可能看似一项艰巨的任务，但一些业内人士相信电池可以应对这一挑战。“目前，[1.2兆瓦电池]规模相当大，但我们正处于这条曲线的前端，”南加州爱迪生公司的吉姆·凯利说，“五年后，这将显得微不足道。这就像比较您拥有的第一台个人电脑与我们今天拥有的电脑。回顾过去，您会发笑。我认为电池行业也会发生同样的事情。我们正在迈出蹒跚学步的步伐，部分原因是该行业尚未成熟，技术赢家尚未确定，成本仍然很高。但这些都是革命发生时您所期望的一切。”
点击此处查看DISCOVERmagazine.com关于能源的特别报道。
更正：文章原作者误署名为罗伯特·约翰斯通，实际应为鲍勃·约翰斯通。
*更正：文章原先写的是千瓦时，而非瓦时。
