储能技术

在20世紀，電力系統主要是靠燃燒化石燃料來發電。當用電量改變時，發電量可透過減少燃料使用來調整。近年來，因為空氣汙染、進口能源依賴及全球暖化等議題，使得再生能源（如：風能及太陽能）快速的發展[3]。然而，風力發電無法控制，發電時不一定在需要用電的時候。太陽能發電會受到雲的遮蔽影響，且只有白天才能發電，無法供應晚上的尖峰用電（請參考鴨子曲線）。因此，隨著再生能源的發展，能把間歇性能源存起來的技術，越來越受到重視[4]。

21世紀以來，行動裝置使用快速增加，使得電池相關的使用更普及。在全球偏遠的地區，太陽能的使用越來越普遍[5]。是否有電能用，不再有技術上的限制，而是經濟和財務上的問題[6]。隨著電動車普及，短距離交通運輸可不再依賴化石燃料，但在長距離運輸（如：空運和海運）方向，相關技術還在發展中。

能量可以利用機械的方式儲存起來。例如：把水或重物移動到高處（位能），移動或轉動物體（動能），或是壓縮氣體（內能）。目前發展較成熟的技有：

水力發電利用水壩把水儲存起來，利用水往下流時的動能推動渦輪發電。水力發電不同於抽水蓄能电站，沒有儲存來自電網的能源，而是減少離峰時的輸出，所以沒有抽水到水壩時的能量損失。水力發電的發電機組可以在短時間內（數分鐘）啟動[7]。

位在加拿大尼亞加拉瀑布城 (安大略省)的水力發電站，包含一個大型儲水庫，在尖峰時可提供174MW的輸出。

抽水蓄能电站將重力势能储能在电力需求低的时候（如夜晚）用电把水抽上山顶，在电力需求高时（如中午或旁晚）放水推动轮机发电。一般輪機可逆向操作，可用來當發電機或是抽水幫浦，最常見的為法蘭西斯式水輪機。抽水蓄能系統可分為兩種：一種為利用兩個有高低差的蓄水庫作為儲能，另一種是水力發電再搭配下流蓄水庫作為儲能。 根據2012年的統計，抽水蓄能佔全球大型儲能裝置總容量的99%，其容量為127,000百萬瓦。[8]實際能量轉換效率在70%到80%之間[8][9][10][11]，最高可達87%[12]。

1928到1961年間，一個在礦坑內使用的無燃燒機動車

壓縮空氣儲能技術利用將空氣壓縮來儲存能量，在需要用電時，用壓縮空氣來推渦輪[13]。在大型的系統，壓縮空氣可被存在大型的底下的貯存空間裡，例如：地下鹽洞 之中。可用來儲存離峰時的電力，並在用電須求高時發電[14]。 當空氣壓縮時會產生熱能，使其溫度升高。當空氣膨脹會吸熱，如沒有額外熱能供應，其溫度會下降。壓縮空氣儲能技術依照熱的處理可分成三大類：非絕熱、絕熱及等溫。傳統的非絕熱系統在發電時須要燃燒天燃氣來必免過低的溫度。絕熱系統當將壓縮產生的熱能存起來，在膨脹使用，此方法可以增加效率[15]。

壓縮空氣也可作為車輛的動力來源[16][17]。小型壓縮空氣系統，早期被用來作為無燃燒機動車的動力來源，被使用在煤礦內運行的車輛。

圖中為一級方程式賽車，車內動力回收系統使用的飛輪儲能。在煞車時可回收動能並在加速時使用。

飛輪儲能利用電能將重物（飛輪）加速使其快速轉動，利用能量守恆定律把能量存在物體的旋轉動能中。其儲存的動能可用來發電。

固體重力儲能利用電動機把固體重物的高度提升，在重物下降時，電動馬達可逆向操作成為發電機，進而產生電力。研究指出此技術能在一秒鐘內啟動開始發電，因此可用穩定電網短時間內的波動[18]。其效率可達85%[19]。

將能量以熱的形式儲存。

熱能可以被儲存在不同的儲能材料中。儲存熱能的方式可分成三類：顯熱、潛熱及熱化學[20]。

• 顯熱儲能藉由溫度變化將熱能存在材料的熱容量中，例如：將冷或熱存在冰水或熱水中，將太陽熱能存在熔鹽中，或是將電能存在液態空氣儲能系統。
• 潛熱儲能將熱能存在相變材料的潛熱中，例如：將冷存在冰塊中。
• 熱化學儲能將熱能存在為可逆反應的化學反應中，例如：化學迴圈重組和氣化或是吸附反應。

在奧地利多瑙河畔克雷姆斯區域供熱系統使用的大型儲熱裝置，其儲存容量為2,000 MWh

季節性熱儲能將熱或冷從環境或是其它廢熱來源儲存，到適當的季節再來使用。因為使用次頻率低（一年一次）及儲存的量很大，通常會成本低且用容易取得的材料或物質來儲存。例如：湖水或地下水、底下土壤或岩層、填充石頭和水的坑、或是填水的廢棄礦坑[21]。一般來說，季節性熱儲能系統（可使用20年以上）的設置要4到6年來回收成本[22]。例如：在加拿大阿爾伯特省的德雷特-蘭丁太陽能社區，車庫屋頂上架設太陽熱能收集器，並利用在地底下打入多個數公尺深的地孔，將主要在夏天收集的熱能存在地下的土層裡（參見地孔熱能存儲），可供應97%一整年主要在冬天使用的熱能[23][24][25]。

空調儲冰系統利用離峰電力當水冷凍成冰儲存起來，在用電尖峰時利用冰融化要吸熱的過程，做為空調來減少尖峰時的用電。

液態空氣儲能利用離峰電力將空氣液化並儲存。在尖峰用電時，利用液化空氣變回氣體時的體積膨脹700倍來作功發電。2018年此技術在英國的示範廠開始運轉（功率5 MW，儲存量25 MWh）。2019年獲得投資，在英國建設第一個大型儲能廠（功率50 MW，儲存量400 MWh）[26]。

卡諾電池將電以熱能的方式儲存，並利用朗肯循環或是布雷頓循環將熱能轉回為電能[27]。此技術被研究用來取代燃煤發電廠的燃煤鍋爐，使其改為儲存再生能源多餘的電能，並用來發電。此方法的優點為可使用現有的發電設備。[28]

利用電化學反應來儲存能量。

蓄電池組可用在資料中心的不斷電系統中

蓄電池：一般由多個電化電池組成，其使用可逆的電化學反應來儲存電能，因可重複使用又稱為二次電池。蓄電池可有不同的形狀和大小，從鈕扣電池到百萬瓦的電網儲能系統。和一次性（拋棄式）電池相比，蓄電池的總耗能和對環境的影響較低。蓄電池的初始成本較高，但其平均使用成本會隨著使用次數增加而減少。常見的有：

• 鉛酸蓄電池為過去市佔率最高的電池。單一電池在充電後的電壓為2伏特，其負電極的鉛和正電極的硫酸鉛浸在稀釋後的硫酸（電解液）中。放電時，負電極會產生硫酸鉛且產生水在電解液中。鉛酸蓄電池因發展成熟而成本較低，但其使用壽命和能源密度較低[29]。

• 鎳鎘電池（NiCd）：利用羥基氧化鎳和金屬鎘做為電極。因為鎘具有毒性，因此在2004年被歐盟禁用，且幾乎被被鎳氫電池取代。

• 鎳氫電池（NiMH）：第一個商業化產品出現在1989年[30]。為常見消費者和工業使用的蓄電池之一。電池的負電極為可吸附氫的合金，而不是鎘。

• 鋰離子電池：為目前消費性電子產品使用的電池中，能量密度最高，且非使用時自放電[註 1]最低的電池。

• 鋰離子聚合物電池：重量輕且可以製作成不同的形狀。

液流電池利用兩個化學溶液可透過薄膜作離子交換，來進行充電和放電[31][32]。電池的電壓可由能斯特方程計算出來，一般在1.0到2.2伏特之間。此電池的特點在於，儲存能量的多寡和溶液儲存容量成正比，而電池功率和薄膜面積成正比。技術上，液流電池和燃料電池及電化電池相似。可用在需要長期儲能的應用，例如：電網備用電力。常見流液電池如全釩氧化還原液流電池。

超級電容器又稱為雙電層電容器，不像傳統的電化學電容器，它沒有固態的介電質[33] 。其電容是由兩種存儲原理決定：雙層電容和偽電容[34][35]。 超級電容器填補了傳統電容和蓄電池在儲存容量和功率之間的空缺。它有極高的能量密度，在1.2伏特下電容量可達10,000法拉[36]，是電解電容的一萬倍。但其功率密度只有電解電容的一半[33]。

能量可利用化學反應，儲存在化學物質中。化石燃氣為最常見的化學儲能。近年電解製造氫氣的氫技術成本降低，被視為大規模及長期儲存間歇性可再生能源的決解方案[37]。

電轉氣（英語：）利用電能來製造氣體燃料，例如：氫氣和甲烷。常見的使有方法有三種，都會使用到電解製氫。第一種為利用電解製造氫氣後，將其混入天然氣的管線來傳輸和使用[38]。第二種方法將電解製造的氫氣加上二氧化碳，透過甲烷化反應（例如：薩巴捷反應和生物甲烷化反應）產生甲烷，過程中會多損失8%的能量。產生的甲烷同樣可混入天然氣的管線。第三種方法，將生物燃氣廠或木質燃氣製造廠製程產生的二氧化碳，與電解製造的氫結合而產生甲烷。電解時產生的熱可用在生物燃氣的製程，進而減少熱能的使用。製造出的甲烷會和生物燃氣混合。

儲氫技術將能量以氫氣的形式儲存起來。最常見的製氫技術為電解水，產生的氫氣可透過燃料電池轉回電能。 氫氣儲能的往返效率較其他儲能技術低。主要來自電解時的能量損失，以及儲存時壓縮或液化氫氣的耗能。發電時還會有燃料電池的能量損失。[39] 氫氣可大量儲存在（希腊文）中，例如：地底洞穴，鹽洞[40]，採集完的油田或天然氣田[41]。在1980年代，美國德州已利用大型鹽洞（直徑49公尺、深300公尺）來儲存氫氣，可利用儲量容量為2,520公噸氫氣[42]。

電轉液（英語：）利用類似電轉氣的方法，利用電解製造的氫氣來合成液體燃料，如甲醇和氨。液態燃料比氣態燃料容易存放和運輸，且安全性相對較高。可做為交通運輸的燃料，例如：飛機燃料。也可以用在工業或是發電上。[43]

純鋁和水反應後會產生氫氣，可被用作儲存能量的材料[44]。在使用前要先把鋁表面的氧化鋁層去除，並且把鋁粉碎以增加和水的反應面積[45]。反應生成的氧化鋁可由霍爾－埃魯法製程來還原成鋁。如還原的過程使用的能源來自太陽能或風力發電，可視為再生能源的儲存[46] 。此技術還在早期的研究階段。

电感器本身就是一个储能原件，其储存的电能与自身的电感和流过它本身的电流的平方成正比：E = L*I*I/2。由于电感在常温下具有电阻，电阻要消耗能量，所以很多储能技术采用超导体。电感储能还不成熟，但也有应用的例子见报。

電容器將電能儲存在電場中的被動電子元件，其储存的电能与自身的电容和端电压的平方成正比: E = C*U*U/2。電容器的種類很多，但基本結構為兩個導體被介電質（例如：絕緣體）給隔開。當導體之間有電壓差時，介電質上會產生電場。在移除外部電源後，其電場會不會消失因而儲存了能量[47]。電容器常用在電子產品中做為暫時性的電池，其結構相對簡單且成本低，但能量密度低(0.36kJ/kg)，遠不及一般的鹼性電池（590kJ/kg）。电容储能能够提供瞬间大功率，非常适合于激光器，闪光灯等应用场合。

超導磁儲能利用在超導體線圈內產生直流電流，使能量儲存在其產生的磁場中。超導磁儲能系統通常包含了：超導線圈，電力調整系統，以及冷卻系統。當超導線圈充電後，電流就不會衰減因此能量可一直被儲存著[48]。然而需要有冷卻系統，使超導線圈維持材料的臨界溫度以下的極低溫環境中（參見超導現象）。

超導磁儲能如果用在電網儲能服務，在充放電時要用逆變器或整流器作直流電和交流電之間的轉換，其能量損耗各為2-3%左右。此系統的往返效率可高於95%，高於其它的儲能系統[49]。因為冷卻系統要使用額外的能量，且超導線圈成本較高，超導磁儲能通常應用在短時間內要快速充放的服務，例如：電力品質的改善[註 2]和維持[48]。

家用儲能設備隨著分散式發電（例如：屋頂型太陽能）的普及越來越常見[50]。 研究指出，一般住家要有儲能設備，才能讓用電自給率超過40%以上[50]。除此之外，隨著智慧型電錶的安裝及浮動電價[註 3]的推動，家用儲能設備（例：蓄電池、儲存式電熱水器、儲熱電暖氣...等）可在電價低時儲存能量，並在電價高時拿來使用，進而達到降低使用者的電費及電網調節的負擔。

電網儲能的應用可依照儲存時間的長短來區分。

• 電力品質維持：在極短的時間（數毫秒致數秒內）依據電網的參數（如：頻率、電壓、波形）進行快速的充放電，依維持電力品質的穩定[51]。隨著間歇性再生能源發電的增加，其不穩定的供電可能會造成電網品質下降。在傳統的電力系統中，電力品質大多由燃氣發電或水力發電來維持。隨著風力和太陽能發電比例增加，需要有額外的設備來維持電網的品質。

• 提供備轉容量：依據電網供需的變化來增加增外的供電。當備轉容量不足時，會在數分鐘到小時內，供應一定的電力並維持一段時間（半小時到數小時）。

• 調峰作業：通常在一天電力過多時充儲存電能（例如：用電需求低或是再生能源發電量大），並再電力不足時供電。

空氣調節使用的冷或是熱可被儲存在儲冷或是儲熱系統中。在熱帶地區，尖峰用電主要來自夏天空調的使用。儲冷系統使用離峰電力（通常為半夜）製冷並存在儲冷材料中（例如：冰水或冰塊），在用電尖峰時取代空調用電。在2009年，儲冷系統已經在35個國家3,300個建築物中使用[52]。 最常見為儲冰系統，將冷存在冰塊中需要的儲存空間比冰水還小，並利用融化後的水，透過管路系統送到需要冷的地方。

液態碳氫化合物燃料（例如：汽油）為目前交通運輸中最常見儲存能量的方式。其次為近年開始普及的電動車。儲氫有較高的能量密度，適合作為長距離交通工具的儲能方式[53]。除了陸上的電動交通工具，在其它交通工具（例如：渡輪及飛機）也開始發展電動系統以取代傳統的燃料系統[54]。