要点:
一项创新的太阳能储存技术有望解决其间歇性问题，为全球能源结构带来可持续变革。
近期，一项颠覆传统智慧的新技术却悄然出现。科学家们的创新发现让我们重新审视了太阳能的巨大潜力。尽管太阳能作为一种清洁、无污染的能源在过去数十年中得到了广泛应用，但它的变化性和间歇性始终是一大挑战。这些问题的解决可能会彻底改变全球能源结构，为人类带来一个可持续的未来。
随着技术的进步，许多国家已经开始大规模部署太阳能发电系统，并在全球范围内实现了可观的减排效果。然而，这场能源革命的真正关键并不仅仅在于发电，储存这些来自太阳的能源才能真正实现能源的持久性和稳定性。尽管目前锂离子电池等储能技术已有所应用，但随着太阳能需求的增长，如何进一步提升储能技术的容量、成本效益和持久性，将成为我们未来能源系统的关键挑战。
探索分子太阳能热储能
大多数电力都是通过蒸汽驱动大型发电机来产生的，蒸汽来自燃烧煤炭或甲烷，或是核分裂产生的热量。在传统的电网中，我们可以通过调整发电机的数量来调节电力输出，但这些发电机的输出变化范围较小。
与此不同，太阳能电池板和风力涡轮机的输出则会不断波动，这是依赖再生能源的主要挑战之一。我们需要一种方式来储存过剩的电力，直到需要时再释放。
锂离子电池是大多数时候的解决方案，它们通常能够储存两到四小时的电力，但若要实现长期储存，则需要其他策略。抽水蓄能发电效果显著，但却需要大量空间，且价格昂贵。另一种方法是使用大块混凝土块堆积和拆解，这样可以将动能转换为位能。
根据国际能源总署的数据，全球约50%的最终能源消耗用于供暖，但在这一领域，太阳能的利用率仍相对较低，尤其是与化石能源相比。太阳能广泛应用的一个固有挑战是其间歇性的可用性，然而，现在有一种前景看好的新解决方案出现，即“分子太阳能储存系统”。
传统的热能储存策略通常是以热水的形式短期储存能量，与此不同，分子太阳能储存系统以化学键的形式储存太阳能，使得能量能够保存数周甚至数月。这些特殊分子（光电开关）吸收太阳能，并在需要时将其释放为热量。
当前，光电开关的一个关键挑战是能量储存容量和有效吸收太阳光之间的权衡，这使得整体性能有限。为了克服这一问题，来自美因茨约翰内斯古腾堡大学/JGU和德国锡根大学的研究人员，开发出了一种新方法，能将太阳能储存数周甚至数月。他们并非直接利用阳光发电，而是利用阳光将热量储存在一种叫做光开关的特殊分子化学键中。
这一创新的光电开关由锡根大学Heiko Ihmels教授领导的研究小组首次推出，并成功展示了与传统锂离子电池相当的卓越储能潜力。然而，它们的功能最初仅限于透过紫外线激活，紫外线只占太阳光谱的一小部分。
随后，美因茨和锡根的研究团队设计了一种间接光收集方法，该方法能与光合作用中的光收集复合体功能相媲美。这种方法结合了第二种化合物：所谓的敏化剂，它具有优异的可见光吸收特性。 JGU化学系的Christoph Kerzig教授解释道，“在这种方法中，敏化剂吸收光能，并将能量转移到光电开关，而光电开关在这些条件下无法直接被激发。”
这项新策略将太阳能储存效率提升了一个数量级，代表能源转换研究领域迈出了重要的一步。这些系统的潜在应用包括家庭供暖解决方案和大规模能源储存，为永续能源管理开辟了一条充满希望的道路。
由Till Zähringer博士生和Christoph Kerzig教授领导的美因茨研究团队进行了详细的光谱分析，探索这个复杂系统。这些分析对于理解其基本机制至关重要。第一作者Zähringer仔细研究了每个反应步骤，从而全面了解了系统的运作方式。他解释道，“通过这样的研究，我们不仅能突破光收集的极限，还能提高将光能转换为储存化学能的效率。”
在操作条件下，每个吸收的光子都能触发化学键的形成过程，但由于多个能量损失通道的存在，光化学反应中很少观察到此过程。科学家们通过让太阳光在储能状态和能量释放状态之间多次循环，成功验证了系统的稳定性和实用性，显示出其在实际应用中的巨大潜力。
从再生能源到高效储存的未来
像Electrified Thermal Solutions这样的公司，正在探索使用再生能源加热改质耐火砖来提供制程热量的方法。他们的目标是利用太阳能和风能等可再生能源，取代传统的燃烧化石燃料加热耐火砖的方式。这样的做法不仅能显著减少碳排放，还能提升能源利用的整体效率。
然而，这种方法需要对现有的制程进行重构，并且可能需要面对不稳定的能源供应问题，尤其是太阳能和风能的间歇性。因此，如何克服这些挑战并确保这些可再生能源能稳定地提供所需热量，成为了技术发展中的一大瓶颈。
相比之下，德国的研究可能会更具优势，因为它将阳光转化为化学键，这些化学键可以在需要时产生热量，但同时不必保持高温。这项技术突破的关键在于能够将太阳能转化为稳定的化学形式，并在需求来临时释放出来。这样一来，太阳能的利用不再仅仅局限于即时的发电，而是能够实现长时间的储存，并且在需要的时候随时调用，这解决了传统储能方式如锂离子电池在容量和持久性上的限制。这一创新使得太阳能的应用范围更加广泛，尤其是在那些对热量需求大且稳定性要求高的工业过程中。
将太阳能储存在化学形式中，通过直接完成今天以间接方式完成的工作，是一次进步
传统上，太阳能主要被用来直接发电，或是以热能的方式储存。然而，这种方法存在一定的局限性，因为当太阳能过多或过少时，储能和释放能量的过程并不总是能够精确匹配需求。相比之下，将太阳能转化为化学键的方式则更具灵活性，能够根据需要调整能量释放的时间和量，这为能源管理提供了更大的弹性，也使得太阳能的利用更加高效。
每一步的过程和转换都会增加损失，这些损失随着步骤的增多而加剧。能源转换和储存的过程中，每一个环节都会消耗一部分能量，这是任何能源技术必须面对的现实挑战。在太阳能的储存和利用上，这些损失尤为明显，因为从光能转化为电能或热能，再到最终储存和使用，每一步都会降低总体效率。因此，如何减少这些转换过程中的损失，是提高太阳能利用效率的关键所在。
为了提高效率，简单化是关键。这正是德国研究人员向世界展示的，如何更有效地利用阳光来满足社会需求，从太阳接收到的每个光子都能发挥更大的效力。通过将太阳能转化为化学能并储存，这一新技术实现了能量储存过程中的简化和优化，使得每一个光子都能在未来的某个时刻释放出更多的能量。这不仅提升了储能技术的效率，也为未来的能源解决方案提供了更加可持续和灵活的方式，尤其是在大规模能源储存和工业热能需求的领域中，这一技术的潜力无疑将带来巨大的变革。
