对于任何电池技术而言，太阳能电力存储是一个跨领域的绊脚石。如果没有存储，如5.5.1节中估计的那样并网太阳能光伏发电的规模上限为5TWp。太阳能电力存储量取决于我们的能源结构。如果对于当前全球能源需求而言，30%来自于太阳能光伏，每天的存储量就会超过7×10¹⁰ kWh。这相当一天13h从存储中输出5TW的电力。这些数字很可能会受到一些因素的推动而成倍上升，诸如：全球能源需求增加，不成功的太阳能-化学能转化技术或局部和全球的气候条件。

对于并网太阳能光伏发电，太阳能组件发电输入至存储系统，并从存储系统输出电力到电网，即“电力输入-电力输出”。并网太阳能光伏发电的存储选择在5.5.1节中讨论过^[24]，结论是电网中每个单独的存储系统容量必须是吉瓦量级。要达到这种量级的存储技术包括抽水蓄能、压缩空气以及可能还有使用地球上储量丰富的材料所生产的电池。然而，抽水蓄能和压缩空气会受制于地理条件。

重要的是要知道太阳能光伏不是必须连接到电网，它们可以是独立的或局域的电网能源。在美国，电力约占能源消耗的37%，其中约32%来自化石燃料或核能^[25]。剩下的5%来自于水电，这部分不太可能被太阳能电力所取代。如果来自于太阳能光伏发电的贡献超过我们能源消耗的32%，超过的太阳能电力就不能传输到电网而必须转换成另一种能源形式。如果不这样做将会限制太阳能光伏发电贡献给我们能源消耗的32%。在这样的情况下就需要离网存储，并考虑电力以及燃料或热能输出，即“电力输入-其他形式输出”。

离网存储输入的是电能而输出的可以是燃料或热能，这为一些创意提供了更多的可能性。燃料总体上是一种比较好的选择，因为热更难以存储和运输。离网存储可以产生不同类型的燃料。该燃料可以是传统的，即碳氢化合物液体，与氧一起燃烧。燃料中的碳来自于大气中的二氧化碳。当燃料燃烧时，它会释放二氧化碳到大气中。这会为碳提供一个零二氧化碳排放的闭合和可持续的循环。如果碳来自于化石燃料，这种燃料生成过程是不可持续的。如果碳来源于生物质能，地球将无法产生足够的生物质能以满足需求^[26]。氢提供了另一种可能性，它来自于水。如果直接太阳能分解水行不通的话^[27]，太阳能供电电解水^[28]是可以实现的。在燃料电池中，氢与氧重新结合生成水并产生电。此处氢是能量存储介质，这是一个没有二氧化碳排放的闭合循环。与氢相关的主要问题是当它和空气混合时具有爆燃的危险。这种危险限制了氢的运输，因为交通事故可能会导致爆炸，同时它也限制了氢作为汽车燃料来使用。

来自于离网存储的燃料不一定必须是液体或气体，也可以是固体，但必须是地球上储量丰富的。除碳和硅以外在表6.5中有许多金属都适合作为固体燃料。固体碳作为燃料与人类的历史一致，历史上生物质能是数十万年来的主要燃料。现在的区别在于固体碳作为燃料主要来自于大气中的二氧化碳，这使得碳循环封闭，具有零碳排放。

金属会与空气中的氧发生反应生成氧化物，释放能量。金属的燃烧比较难利用，因为它涉及2000℃以上极高的温度。一个更安全和通用的方法来释放存储在金属中的能量为金属-空气电池，其中金属与氧在水电解液中反应生成氧化物或氢氧化物。有几种金属-空气电池正处于开发阶段，而锌-空气电池已经有产业化产品面世。对于一个封闭的循环，金属氧化物或氢氧化物必须通过太阳能还原为纯金属。许多金属氧化物可以通过电解还原成纯金属，而这正使得太阳能电力可以存储到金属中。例如，利用氧化锌电解生产锌是一种工业流程，占现今大约11000000吨锌年产量的90%左右。许多金属氢氧化物可以在不太高的温度下煅烧成氧化物再进行电解。

图6.7所示为一个锌-氧化锌的闭合能量循环。锌棒通过太阳能电力电解氧化锌来生产，然后运输给不同地区的客户。客户把它们插入到锌-空气电池作为阳极再产生电力。特别注意的是，锌-空气电池是通过更换锌阳极充电而不是用电力直接给电池充电，这跟现今的充电电池很不一样。锌-空气电池的副产物氧化锌从电池中取出，运回给锌生产商回收。这个循环是可持续的，没有二氧化碳排放，原则上来说适用于许多在表6.5中的其他金属。

图6.7 一个用于太阳能电力存储的锌-氧化锌的闭合能量循环。利用太阳能电力电解氧化锌生产锌棒。锌棒插入锌-空气电池作为阳极产生电力。锌-空气电池的副产品氧化锌被从电池中取出送回到锌生产商回收

在表6.5中有15个左右的金属原则上可以作为如图6.7中所示的封闭循环燃料。一个自然而然的问题来了，哪种金属具有最佳性能？对于性能，我们的意思是在一定的电力供给下有多少能量在金属氧化时可以释放出来？表6.7给出了金属氧化物生成的吉布斯自由能^[7]，这是当金属被氧化所可能释放的最大能量：

aM（s）＋bO₂（g）→M_a O_2b（s）式中，M为金属；a和b是氧化物的化学计量。在表6.7中它们的生成能都是负的，也就是说当这些金属被氧化时，都能释放出能量。作为参考二氧化碳（CO₂）和水（H₂ O）也被包含在表6.7中。另一方面，要把1mol的金属氧化物还原成金属所需的电荷量可以从氧化物的化学计量比来计算，假设内量子效率为100%，结果列于表6.7的第3栏中。因此，定义金属作为燃料的品质因子为

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这表明在电解所提供固定电荷量条件下，金属氧化可以释放多少能量，见表6.7的第4栏。

表6.7 在表6.5中地球上高丰度金属氧化物生成的吉布斯自由能（对金属作为固体燃料计算了其品质因子）

（续）

注：金属氧化物假定的氧化还原对和它们相对应的标准还原电势^[7]也包含在内。

碳和氢就所提出的封闭能量循环而言并不是最佳选择，许多金属都具有远优于碳和氢的性能。在表6.7中钙具有最佳品质因子，这是大约碳和氢的3倍。表6.7中斜体字表示的金属都有很好的品质因子。然而，这些金属的标准还原电势比水的更负^[7]。相对于标准氢电极以下反应的标准还原电势为-0.8277eV：

2H2 O（l）＋2e-→H2（g）＋2OH-（l）这一事实表明在含水电解液中不可能电解还原斜体表示的那些金属，因为会生成气态氢，而不是纯金属。事实上，许多斜体表示的金属是在熔融盐中电解氧化物制得，这需要500～1000℃之间的高温。对于高温电解，聚光式太阳能系统或太阳能组件电力的一部分要被用来加热电解槽。这会导致电解系统更复杂、更昂贵。我们希望采用室温电解的方式来实现图6.7中闭合循环，这就排除了表6.7中所有斜体表示的金属。

对于表6.7中下列金属氧化物：TiO₂、SiO₂、B₂ O₃和Cr₂ O₃，目前还没有工业电解工艺可以从这些氧化物生产金属。接下来的金属氧化物，Mn₃ O₄，我们还没有听说过锰-空气电池。除非有实用的锰-空气电池被开发出来，锰不会产生一个封闭的能量循环，因而作为燃料不具有可持续性。

现在我们向下来到锌，作为具有最佳性能的固体燃料在在表6.7中以黑体表示。锌-氧化锌循环的大多数技术都已产业化，包括通过室温电解从氧化锌生产锌和锌-空气电池，虽然对这种能量循环的基础设施还没有建立起来。锌的品质因子为1.66，远高于碳或氢的能量循环。锌棒可以安全地存储和运输到不同的地方。需要的时候锌棒插入到锌-空气电池就可以提供电力。通过锌-氧化锌循环，太阳能电力可以被调配。这意味着它可以按需传送和使用分配。