电网越来越依赖间歇性可再生能源。为了保证电力供应，公用事业公司正在测试替代方案，以取代在传统电池中储存能量的做法。
现在是2025年，加利福尼亚又迎来了一个闷热的夏日。数以百万计的太阳能电池板正在吸收太阳光线，为空调系统提供电力，使全加州的家庭和办公室凉爽如秋。得益于电器和电网之间的智能对话，这些设备的工作效率极高。当云朵遮住阳光，在大地上投下阴影，空调会敏锐地作出反应，增加或减少能量输出，与不同的太阳能流步调一致。在电力需求似乎使输电线负载过重的地区，家用空调设备会轮流断电一小时。在其他地区，太阳能可能供大于求，这时就需要打开热水加热器的开关，让它们来消耗多余的能量。
这个想象中的未来电网表明，能源储存倡导者所预测的灵活性程度，将会与电池的广泛应用一样，但此处并未涉及电化学――能耗设备由软件控制，因此大多数电在被利用时都是最充足、最经济或者是最环保的。
这个概念被称为“需量分配”，因为它会激活和钝化电力需求――这在很大程度上类似于如今的电网运营商将发电厂所发的电进行动态分配。将来的电网可能会同时使用两种储能方式，即通过需量分配实现的“虚拟储能”和通过电池实现的真实储能。在这两种储能方式中，需量分配的储能方式可能会扮演更为重要的角色，因为与电池相比，它能够合理使用现有电器，留下较少环境足迹，价格也更为便宜。
“通过控制电力负载，您可以更经济地实现灵活性，”佛罗里达州盖恩斯维尔可持续能源研究所主任肖恩·梅恩（Sean Meyn）说道，“您确实需要安装通讯设备，但之后什么都不会坏，也不用更换。”
梅恩并不是唯一预测需量分配――而不是电池――将成为未来电网第一道防线的人。今年5月，麻省理工学院的能源研究计划发布了一份报告（go.nature.com/ogv7wa），该报告指出，通过控制需量最大限度地消耗生产的太阳能，要比在电池中储存过剩电力更为经济。该报告还指出，“当太阳能发电量高时，负载转移至数小时应该成为需要考虑的首要能源。”
替代能源：储能解决方案
电网级电池所面临的竞争，不仅来自可调控电力需量的“虚拟储能”系统，还来自其他储能技术。行之有效的替代技术包括抽水蓄能、调速轮和压缩空气。
抽水蓄能电站是最经济且久经考验的大规模储能方式。据美国能源部称，抽水蓄能电站储存的电能占全球电网安装容量的97.5%。大多数电厂会利用头天晚上（电力消耗量较低时）积蓄的剩余能量，通过将水输送至高处进行充电；在尖峰负荷时段，则将水泄至低处，带动涡轮机旋转发电。如今，公用事业公司都在考虑将抽水蓄能用作应对可再生能源需求日益增长的方式。
例如，位于夏威夷的考艾岛公用事业合作社（KIUC）计划投资5500―5600万美元，重新对废弃的糖料种植园水库加以利用，建造一座装机容量为25兆瓦的抽水蓄能电站，从而将水库用于管理太阳能。据KIUC估计，将太阳能电池板发的电能储存起来供晚间使用，大约比运营其燃油电厂节约35%的费用。这需要时间。KIUC于2014年开始认真进行研究，并表示电厂将在2019年或晚些时候建成。
调速轮是一种机械设备，用于形成能量贮备，在短时间内经常要求大规模功率瞬爆的应用领域（如缓冲工业采矿设备用电力线――降低电池容量的循环条件）可与电池相媲美。新近的一些调速轮项目的目标是建立可处理高水平间歇性可再生能源的小型电力系统，利用调速轮在极短时间内吸收并释放电力，以稳定实时电力需求。今年6月，瑞士苏黎世的ABB公司在阿拉斯加科迪亚克岛（Kodiak Island）安装了一个调速轮系统，帮助当地公用事业公司利用高水平的风能。科迪亚克电气协会主席达伦·斯科特（Darron Scott）说，2兆瓦的调速轮系统已经取代了具有3年历史的铅酸蓄电池系统，后者的老化速度比预期要快。
还有一种储存选择，就是利用电能压缩空气，然后再通过空气带动燃气轮机旋转，将压缩空气转化回电能。早期的系统，包括亚拉巴马州和德国的大型设备，都利用了地下洞穴。然而，由于设备成本高，能量损失大，而且适合的地质构造的可用性有限，类似项目被搁浅。最近的工作则专注于研究可在钢制或合成储罐中储存压缩空气的便携式分布系统。
随着研究人员与商业开发人员签署通信协议，将耗能设备与电网运营商联系起来，开发出了优化其部署的算法，并对这种需要为该系统提供资助的商业模式进行体验，已经可以通过网络采用这一非电池选择。但需量分配的储能方式仍然令人担忧，其安全性和经济效益都还是未知数。今年10月，美国最高法院进行的一项重大测试可能会挖掘出需量分配的巨大潜力，也可能在与电池储存相比时相形见绌，只能被晾在一边。
在抽水蓄能电站，当电力需求较大时，水被泄下用于生产电能
响应需求
全球各地的公用事业公司必须持有闲置的备用发电厂，以应对能源需求增长，而这种情况每年都有几天会发生。为了将闲置的电厂数量降至最少，他们会实施“需求侧管理”，以便于控制电力需求，包括对使用节能设备的行为给予回扣，或按一天中的用电时间来确定电价，鼓励人们在电网需求低时用电。许多公用事业公司还推行“需求响应”，由公司为挑选出来的用户支付电费――通常是工厂和其他大型工业和商业企业，以便在电力供应确实非常紧张时减少他们的用电量。
提供虚拟能源储存的需量分配是一种先进的需求响应形式，其增长潜力因为会给电力用户造成破坏性影响而受到限制――为了节约能源而让工厂停产会使所有人收益受损。需量分配会使需求响应成为一种自发行为，并将其变成一种客户几乎注意不到的更加灵活的动态资产。关键是所利用的设备可以关闭几分钟或几小时，但不会给用户带来不便。加州劳伦斯伯克利国家实验室建筑技术和城市系统部门负责人玛丽·安·皮埃特（Mary Ann Piette）坦言，并不是所有的负载都是不错的选择。例如，切断照明用电很难做到不为人所察觉。
但合适的设备比我们想象的更为常见，她说。由于具有热惯性，电热水器、冰箱和空调都可以一次关闭数小时，而不对客户产生影响，这为虚拟储存开启了一个几乎不会带来不便或不会带来不便的窗口。
传统的需求响应完全就是减少负载，但是需量分配通常可以同时消耗电力。如同一颗电池可以充电和放电一样，一些电气设备也可以进行设定，使它们在强风、暖阳产生多余电力时将水预先加热、将空间预先制冷或提高水位压力。但要汇集众多设备来创建可靠的实质性虚拟储存资源，使需量分配成为了一个比传统电池更复杂的工具。华盛顿州里奇兰太平洋西北国家实验室的智能电网计划负责人罗伯特·普拉特（Robert Pratt）承认说，“它更为棘手，但可能更省钱。”
皮埃特声称，她的团队为商业建筑设计的系统每千瓦只需200―300美元，大大低于每千瓦超过1000美元的电池系统。
创业公司遵照梅恩的建议，已经开始赚钱了。自2011年以来，位于加拿大温哥华的ENBALA电力网络公司（ENBALA Power Networks）一直在为客户提供电网平衡服务。他们利用的是可以不定控制的大功率负载，如工业水泵，并对它们进行调节，积极响应电网运营商要求更加高效利用有效能的信号。
在过去三年中，一些已经完成的示范项目对需量分配进行了测试，证明了它是一种可以消除能量在数小时内大幅波动的办法，如因天气系统发生改变而导致的风电输出的大幅变化。PowerShift Atlantic是一个由电网运营商财团开展的示范项目，于今年在加拿大的三个沿海省份完成。该项目精心挑选了1400个家庭和企业的功率达17兆瓦的设备，用于消耗高峰和低谷时的风能。在某些时候，该地区的一半多电力便是由这些风能所发。
俄亥俄州辛辛那提市Integral Analytics公司首席执行官汤姆·奥斯特鲁斯（Tom Osterhus）说，控制20―30%的电力需求将几乎足以抹平该地区电力供应的变化。正是奥斯特鲁斯的公司为Powershift Atlantic开发了控制软件。设在加拿大新布伦瑞克省的公用事业公司NB Power的项目经理、用户及社区活动负责人米歇尔·洛希尔（Michel Losier）说，在典型的冬日，室外气温通常低于冰点时，水箱和电热供暖所需电力约占新布伦瑞克尖峰负载的55%――它们确实是可以控制并决定需量的电器。
远程控制
研究人员和企业家面临着一些技术难题：如何将Powershift Atlantic这类项目变成实际的电网操作。选取数以百万计的设备的虚拟储存电位是一个巨大的通信和控制挑战。而且，由于其中的许多设备都安装在住宅内，这就必须与电力的住宅用户打交道。
在家用电气设备和电网运营商之间建立一条可靠的通信链路，成为了PowerShift Atlantic和最近一系列由美国能源部资助的智能电网项目的一大挑战。公用事业公司通常难以获得各种相互通信的系统。人们在其他项目中发现，使用智能电表通信，虽然其中许多经过了优化，每15分钟就会与该公用事业公司交换数据，但还是太慢了，无法实现虚拟储存的集中分配。
因此，运营商试图绕过智能电表，用他们的宽带互联网与客户的家用电器连接。皮埃特小组开发出了一项标准的网络通信协议OpenADR，使系统各方可以轻松互相交谈。皮埃特说，随着被称为物联网的客户设备广泛互连的发展，成本将进一步降低，更多载荷将参与其中。“虚拟储存的未来是美好的。得益于物联网，遥测成本正变得越来越低。”
但在使用互联网时，需要告诫的是：它可能会使消费者和电网容易受到网络攻击，泄露隐私。普拉特说，当关联的电器连接到更多像社交媒体和网络服装店等网站时，会增加这些风险。“如果您的冰箱不仅连接到电网，而且还通过互联网上的《飙风战警》（Wild Wild West，影片名）运转，可能并不是好事，”他说。“新的担心出现了：在物联网上，与您的设备对话的人太杂了，我们真的是在打开潘多拉魔盒。”
普拉特、梅恩和其他人正在努力开发控制方案，使设备更多地依赖于分布式智能和设备自身作出的决定，而不是中央电网计算机，从而减少网络安全威胁。梅恩正在开发一个分布式控制方案，并希望最终每天只需要不超过一次数字握手，而不是让设备和电网不断地进行通信。
网络连接也会提供有利时机，谷歌等互联网公司便热衷于此。谷歌以32亿美元的价格收购了总部设在加利福尼亚帕洛阿尔托（Palo Alto）的家庭自动化公司Nest Labs，并利用它来构建虚拟储能系统。
没有人在家时，Nest Labs公司的自适应恒温器使用传感器进行推测，然后自动将恒温器的加热器或空调装置设置成低能耗模式，轻松实现节能效果。但他们也与互联网连接，使恒温器能够将当地的天气因素考虑在内，从而指导自己的行为。对于签署了Nest Labs需量分配计划的家庭用户来说，连接会创建一个电位虚拟储存池，公共事业公司可通过Nest进入，并动态地调整能源需求。
美国和加拿大的9家公用事业公司已经在Nest Labs的需量分配计划了签了字，其中包括德克萨斯的奥斯汀能源公司（Austin Energy）。截至6月，该公司已经注册了近9000名客户。这些家庭一共可消耗或释放10.7兆瓦的电力――这一虚拟储存量是奥斯汀能源公司预计每年使用12―15次以控制热天需求激增的用电量，此时，零售能源成本由不到50美元/千瓦时涨至超过1000美元/千瓦时。
电力陷阱
需量分配的最大障碍可能是监管的不确定性：它将如何被纳入能源系统？电网运营商应该为此支付多少费用？这一市场也出现了积极的迹象，一些国家和地区锐意进取，制定了接受需量分配的制度，如为美国太平洋中部13个州和哥伦比亚特区供电的美国电网运营商互联电网公司（PJM Interconnection）。
在美国总统奥巴马的支持下，美国联邦能源管理委员会（FERC）满怀热情地接受了需求侧管理理念。2011年，FERC颁发的745号令授权零售电力市场，向汇集需求响应的公司管理兆瓦时需量支付与生产能源的发电厂运营商相同的价格。纽约公共服务委员会在6月宣布，批准该州所有的公用事业公司推出负载管理项目，一直到2016年中期。
在国际上，需求响应也在快速增长。欧洲国家正在向需求响应资源开放能源市场，日本和中国也在运行试点项目。专注于清洁技术市场的Navigant Research公司预测，随着需求响应在北美洲之外的地区扩张，全球每年的需求响应消费额将从2015年的20亿美元增长到2023年的128亿多美元。
虽然我们看到了这些积极的迹象，但在许多能源市场，监管机构仍然采取谨慎的做法，质疑这项技术承诺的兆瓦时虚拟储能能否在需要时真正物化。今年10月，美国最高法院将决定是否维持对FERC颁发的745号令的异议――补偿是国家监管机构的责任。
纽约市虚拟储存初创公司ThinkEco的联合创始人柴田美（Mei Shibata）说，法庭异议耽误了说服能源监管机构该项技术可行所需的示范项目的启动工作，因而放缓了美国的经济增长。她预计，随着开发可分配需量的风投公司资金短缺，坐等市场的成熟，会出现大洗牌的局面。“市场会因为住宅和自动化需求响应而成长起来。如果公用事业公司能够更好地控制能源的使用，将能够实现需求响应和物联网的一体化，”她说，“但这种情况会如何发生还不好说。”
资料来源 Nature
责任编辑 粒 灰
无需使用电池，我们也可以通过可再生能源为电网提供50%的电力
梅恩研究过用于控制商用建筑中的空调系统以承受太阳能中短期内每时每刻发生变化的电位。他说，许多商用空调系统可以通过调节依赖于太阳能可用性的风扇的速度来保持供给和需求的平衡。他的研究对象是佛罗里达大学校园内的一栋大楼。研究表明，这对舒适度不会产生显著的影响，也不会增加运行设备的成本。与此同时，电网的影响看起来很大。“无需使用电池，我们也可以通过可再生能源为电网提供50%的电力，”梅恩说道。