中國儲能網(wǎng)訊：作者：王粟 1,2 肖立業(yè) 1,2 唐文冰 1,2張京業(yè) 2邱清泉 2郭文勇 2張東 2
單位：1. 中國科學院大學； 2. 中國科學院電工研究所
引用：王粟,肖立業(yè),唐文冰等.新型重力儲能研究綜述[J].儲能科學與技術(shù),2022,11(05):1575-1582.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2021.0590
摘 要 隨著可再生能源的不斷發(fā)展，電網(wǎng)對各種儲能技術(shù)的需求日益增長。重力儲能是一種環(huán)保性和經(jīng)濟性均具有競爭力的物理儲能，近年來受到了越來越廣泛的關注。本文介紹了重力勢能儲能這一物理儲能方式的工作原理和儲能結(jié)構(gòu)，詳細分析了新型抽水儲能、基于構(gòu)筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井的重力儲能系統(tǒng)及綜合儲能系統(tǒng)，介紹了國內(nèi)外重力儲能的研究現(xiàn)狀及示范工程，總結(jié)并分析了各種儲能結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和不足，最后展望了重力儲能的發(fā)展前景，并提出了發(fā)展建議。
關鍵詞 物理儲能；重力勢能；水介質(zhì)；固體介質(zhì)
為了解決傳統(tǒng)化石能源的匱乏和環(huán)境污染問題，可再生能源近年來發(fā)展迅猛。而可再生能源具有隨機性、波動性和間歇性的特點，電網(wǎng)中的可再生能源發(fā)電占比逐漸提高，會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。發(fā)展各種儲能技術(shù)，是解決高比例可再生能源電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要舉措，也是平移電能必不可少的手段。隨著光伏、風電發(fā)電成本的逐年下降，以及各省市陸續(xù)發(fā)布的關于開展儲能示范的實施意見，儲能技術(shù)的發(fā)展日益成為新能源和新型電力系統(tǒng)發(fā)展的熱點和重點。
目前的儲能方式大致分為化學電池儲能、物理儲能及電轉(zhuǎn)燃料儲能3種主要形式。電化學儲能的儲能成本較低，但在大規(guī)模儲能應用時其安全性和環(huán)保性仍是人們重點關注的問題；電轉(zhuǎn)燃料儲能發(fā)展迅猛，適合超長時間的能量轉(zhuǎn)移；物理儲能則適合電網(wǎng)調(diào)峰和實現(xiàn)電能晝夜轉(zhuǎn)移。物理儲能主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電磁儲能等。重力儲能作為一種物理儲能方式，其系統(tǒng)本質(zhì)安全、選址靈活，同時具有零自放電率、儲能容量大、放電深度高等優(yōu)勢，近年來受到了國內(nèi)外越來越多的關注，本文介紹了目前世界上除抽水蓄能之外的一些重力勢能儲能應用。
1 重力儲能原理
重力儲能是一種機械式的儲能，其儲能介質(zhì)主要分為水和固體物質(zhì)，基于高度落差對儲能介質(zhì)進行升降來實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。因為水的流動性強，水介質(zhì)型重力儲能系統(tǒng)可以借助密封良好的管道、豎井等結(jié)構(gòu)，其選址的靈活性和儲能容量受地形和水源限制，在自然水源附近更易建成大規(guī)模的儲能系統(tǒng)。固體重物型重力儲能主要借助山體、地下豎井、人工構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)，重物一般選擇密度較高的物質(zhì)，如金屬、水泥、砂石等以實現(xiàn)較高的能量密度。
水介質(zhì)儲能系統(tǒng)主要采用電動發(fā)電機和水泵渦輪機進行勢能和電能轉(zhuǎn)換，一般通過水閥、電動發(fā)電機的電流等參數(shù)進行控制以實現(xiàn)充放電過程。固體重物型的儲能系統(tǒng)主要利用起重機、纜車、有軌列車、絞盤、吊車等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對重物提升和下落控制，功率變換系統(tǒng)主要包括電動發(fā)電機以及機械傳動系統(tǒng)，通過電動發(fā)電機的電流等參數(shù)進行控制以實現(xiàn)充放電過程。
與其他儲能系統(tǒng)一樣，重力儲能會出現(xiàn)能量損耗，例如摩擦損耗、電機損耗、變流損耗等。儲能介質(zhì)在完成釋能下放時也將保留一部分的動能，該部分動能也將形成儲能系統(tǒng)的損耗。因此，可以將重力勢能儲能的整體效率ζs定義為發(fā)電期間提供給消費者的能量Eg與儲能期間消耗的能量Ep之比。顯然，整體效率取決于儲能效率ζp與發(fā)電效率ζg
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
人們在19世紀末就開始利用重力儲能修建了抽水蓄能電站，我國在20世紀60年代后期開始研究建設抽水蓄能電站，截至目前裝機容量超過4000萬千瓦，已達世界首位。由于重力是一種相對較弱的力，抽水蓄能系統(tǒng)的能量密度較低，為了大規(guī)模儲存能量需要落差較大的地形和大量水源，在水源匱乏地區(qū)及海洋環(huán)境無法建成。因此，科研人員根據(jù)重力勢能儲能的原理，結(jié)合重力勢能儲能容量大、可長時間儲能、儲能效率較高的優(yōu)點，設計建造了許多重力儲能系統(tǒng)。
根據(jù)重力儲能的儲能介質(zhì)和落差實現(xiàn)路徑的不同，本文將重力儲能分為以下4類：新型抽水儲能、基于構(gòu)筑物高度差的重力儲能、基于山體落差的重力儲能和基于地下豎井的重力儲能。
2.1 新型抽水儲能
新型抽水儲能是傳統(tǒng)抽水蓄能的變種，雖然同樣需要水來形成液位差，通過水泵/水輪機來實現(xiàn)充放電，但是不需要修建上下兩個水庫，占地面積大大減小。目前研究可分為海水抽水蓄能、海下儲能系統(tǒng)和活塞水泵系統(tǒng)。
由于淡水抽水蓄能電站受自然環(huán)境、氣候條件、地形地貌等限制，選址日益困難，而我國沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)電力負荷日益增大，因此《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出要推動建設海水抽水蓄能電站，解決新能源消納、間歇性等問題。常規(guī)海水抽儲是在海邊建設上水庫，將海洋作為下水庫，發(fā)電時海水通過水泵水輪機組從上庫排往海洋，將海水重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，儲能時將海水抽至上水庫，以海水重力勢能形式存儲。排水型海水抽儲是在海灣修筑水壩，將壩內(nèi)水庫作為下庫，海洋作為上庫，利用水壩內(nèi)外海水落差進行儲能和發(fā)電。日本沖繩在1999年建設了世界首座海水抽水蓄能電站(圖1)，可蓄水564000 m3，有效落差136 m，最大出力30 MW。愛爾蘭、智利等國也開始部署海水抽儲的相關研究工作。我國已經(jīng)完成了海水抽儲的資源普查工作，但還未有海水抽儲建設項目。海水抽水蓄能電站工程復雜，海水腐蝕、海洋生物附著會破壞設備，影響電站性能，沿海地區(qū)自然災害頻繁，海水還會污染陸地土壤和地下水，因此需要嚴格的工程防護和評估檢查。
圖1 日本沖繩海水抽水蓄能電站
海下儲能系統(tǒng)由德國法蘭克福歌德大學教授Horst Schmidt-B?cking和薩爾布呂肯大學Gerhard Luther博士于2011年提出，形似海底“巨蛋”，利用海水靜壓差通過水泵-水輪機進行儲能和釋能，德國Fraunhofer風能和能源系統(tǒng)技術(shù)研究所(IWES)2016年在博登湖進行了水上測試。這種稱為StEnSea的結(jié)構(gòu)(圖2)使用多個直徑30 m、壁厚2.7 m的中空球體，存儲容量可達12000 m3。據(jù)報道這些“海蛋”儲能容量為20 MWh，功率為5～6 MW，效率為65%～70%。該項目負責人表示通過全球探測，適合建造該系統(tǒng)的總儲能規(guī)模有8170億千瓦時。這種儲能結(jié)構(gòu)可以合理利用海洋空間，適合沿海地區(qū)的大規(guī)模儲能，利于海上風電、潮汐能的消納利用，但中空球體的制造、海底系統(tǒng)的加固以及與海面溝通的電纜和管道的架設問題都亟待解決。
圖2 德國海下儲能StEnSea儲能系統(tǒng)
新型抽水儲能的另一種結(jié)構(gòu)由Heindl Energy、Gravity Power、EscoVale這幾家公司在2016年先后提出，稱為活塞水泵結(jié)構(gòu)(圖3)，利用活塞的重力勢能在密封良好的通道內(nèi)形成水壓進行儲能和釋能，Gravity Power公司2021年開始在巴伐利亞建設兆瓦級示范工程(圖4)。這些結(jié)構(gòu)具體原理是用圓柱狀的活塞嵌放在形狀相同的儲水池中，有富余電力時，泵會把水壓入儲水池中，此時巖石活塞就會被水壓提起，即電能轉(zhuǎn)化成了重力勢能。而當電網(wǎng)需要電能供應時，閘門會打開，此時活塞下降，擠壓儲水池中的水流經(jīng)泵來發(fā)電，此時重力勢能會轉(zhuǎn)化成電能?；钊脙δ茉硐嗤鶕?jù)儲能容量分為以下幾種：gravity power module (GPM)和hydraulic hydro storage (HHS)、ground breaking energy storage (GBES)。GPM系統(tǒng)使用直徑30～100 m的活塞，軸深500～1000 m，功率密度191 kW/m3，目標提供40 MW/160 MWh至1.6 GW/6.4 GWh電量，效率據(jù)稱可達75%～80%，平準化儲能成本約0.38元/kWh，功率密度高，適合城市中小功率儲能。HHS和GBES系統(tǒng)儲能容量設計大于1 GWh，效率據(jù)稱可達80%，平準化儲能成本為0.58～1.2元/kWh，儲能容量大，適合大規(guī)模儲能。
圖3 活塞水泵儲能系統(tǒng)
圖4 巴伐利亞兆瓦級示范工程
這種技術(shù)的儲能容量取決于活塞的質(zhì)量以及活塞能被抬升的高度，可以實現(xiàn)電網(wǎng)等級的長時間(6～14 h)儲能，能量轉(zhuǎn)換效率據(jù)稱可以達到80%左右，并且可以反復使用，為電網(wǎng)削峰填谷、消納可再生能源提供了新的途徑。這項技術(shù)最大的難點在于活塞與水池壁之間以及活塞自身的密封使其足以抵抗水壓，并且只能建造在地質(zhì)足夠堅硬的地區(qū)。雖然難以達到抽水蓄能電站的儲能規(guī)模，但這種儲能系統(tǒng)對水的需求只有抽水蓄能的1/4，占地面積更小、能量密度更大。
2.2 基于構(gòu)筑物高度差的重力儲能
固體重物可以利用構(gòu)筑物高度差來進行重力儲能。目前的研究主要有儲能塔、支撐架、承重墻等結(jié)構(gòu)。
儲能塔結(jié)構(gòu)由Energy Vault公司提出，是一種利用起重機將混凝土塊堆疊成塔的結(jié)構(gòu)，利用混凝土塊的吊起和吊落進行儲能和釋能(圖5)，憑借這一獨特技術(shù)，獲得了日本軟銀集團愿景基金1.1億美元投資，并于2019年在印度部署了第1臺35 MWh的系統(tǒng)(圖6)。這個儲能系統(tǒng)包含了1臺超大型六臂式起重機，以及大量重達35 t的混凝土塊。混凝土磚塔的容量可達35 MWh、峰值功率可達4 MW，起重機在2.9 s的時間里就能發(fā)電并且往返一次的能源效率據(jù)稱能夠達到90%。這一系統(tǒng)可以在8～16 h內(nèi)4～8 MW連續(xù)功率放電，實現(xiàn)對電網(wǎng)需求的高速響應，官網(wǎng)宣稱該技術(shù)平準化成本約為0.32元/kWh。
圖5 Energy Vault概念圖
圖6 Energy Vault印度35 MWh系統(tǒng)
國內(nèi)徐州中礦大公司2017年提出利用支撐架和滑輪組提升重物儲能的方案，并采用定滑輪組和減速器以減少電機成本(圖7)。上海發(fā)電設備成套設計研究院2020年提出了一種利用行吊和承重墻堆疊重物的方案，空間利用率高，儲能密度大。利用構(gòu)筑物高度差儲能選址靈活且易于集成化和規(guī)?；?，但必須確保建筑穩(wěn)定以及對塔吊、行吊的精度控制，吊裝機構(gòu)、滑輪組和電機的整體效率也有待提升，如何在室外環(huán)境做到毫米級別的誤差控制是制約這種技術(shù)發(fā)展的關鍵問題。
圖7 徐州中礦大支撐架+滑輪組系統(tǒng)
2.3 基于山體落差的重力儲能
可以利用山體落差和固體重物的提升來進行重力儲能，相比人工構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，承重能力更強。目前的研究主要有ARES軌道機車結(jié)構(gòu)、MGES纜車結(jié)構(gòu)、絞盤機結(jié)構(gòu)、直線電機結(jié)構(gòu)和傳送鏈結(jié)構(gòu)等。
美國ARES公司(Advanced Rail Energy Storage)2014年提出一種機車斜坡軌道系統(tǒng)，機車在軌道上上坡下坡進行儲能和釋能(圖8)，2020年在內(nèi)華達州開始施工建設。該技術(shù)已在加州特哈查皮的一個試點項目中測試成功，其首個商業(yè)部署正在內(nèi)華達州帕倫普市開發(fā)，并將與加州電網(wǎng)連接。這個儲存系統(tǒng)將使用一個由210輛貨車組成的車隊，總重7.5萬噸，在10條長度9.3 km、平均坡度7%的軌道上，電動機帶動鏈條將這些貨車拖到山頂。當需要電力時，車輛被送回山下，當它們下落時，鏈條帶動發(fā)電機發(fā)電。ARES宣稱，這座儲能系統(tǒng)可以提供持續(xù)15 min 50 MW的電力，效率可達75%～86%。這種儲能系統(tǒng)利用了山地地形和軌道車輛，可以實現(xiàn)室外環(huán)境下大容量儲能，但平整山坡的土建成本較高，鏈條傳動平穩(wěn)性差易磨損，還需要進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
圖8 ARES公司軌道車輛儲能系統(tǒng)
奧地利IIASA研究所2019年在Energy雜志上發(fā)表了一種山地纜繩索道結(jié)構(gòu)(圖9)，纜繩吊起吊落重物進行儲能和釋能。該儲能系統(tǒng)MGES(mountain gravity energy storage)由兩個平臺連接而成，每一個平臺都由一個類似礦山的砂礫儲存站和一個正下方的加砂站組成。閥門將沙石填放入筐內(nèi)，然后通過起重機和電機電纜將其運送到高海拔平臺。當沙石被運回山下時，儲存的重力勢能被轉(zhuǎn)化為電能。與抽水蓄能電站等傳統(tǒng)的長期蓄水方法相比，MGES對環(huán)境的影響很小。該系統(tǒng)儲能容量設計為0.5～20 MWh，發(fā)電功率500～5000 kW，儲能平準化成本約為0.323～0.647元/kWh。這種儲能系統(tǒng)利用了天然山坡、使用砂礫作為儲能介質(zhì)可以減少建造成本，但纜車運載能力較低，室外環(huán)境對纜車運行影響較大，如何實現(xiàn)穩(wěn)定高效率的能量回收是此系統(tǒng)的研究難點。
圖9 MGES系統(tǒng)概念圖
2014年天津大學提出利用斜坡軌道和碼垛機進行重力勢能儲能的構(gòu)想(圖10)，使用絞盤拖拉纜繩帶動拖車，并使用電動發(fā)電一體機提高整體儲能效率。中科院電工研究所2017年提出了兩種重載車輛爬坡儲能方案(圖11)，一種是采用永磁直線同步電機輪軌支撐結(jié)構(gòu)，電動發(fā)電都通過直線電機完成；一種是利用多個電動絞盤拉拽車輛，分段儲能。中電普瑞電力工程有限公司2020年提出利用傳送鏈提升重物的方案，減少了能量的中間變換環(huán)節(jié)，可長時間連續(xù)工作。利用山體落差進行儲能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒有倒塌風險，可以實現(xiàn)更大規(guī)模的重力儲能。
圖10 天津大學斜坡軌道+碼垛機系統(tǒng)
Fig. 10 Ramp track + palletizer system, Tianjin University
圖11 中國科學院電工研究所重載車輛爬坡系統(tǒng)
2.4 基于地下豎井的重力儲能
與地上的重力儲能系統(tǒng)受天氣和自然環(huán)境影響不同，重力儲能系統(tǒng)向地下發(fā)展也是一種研究趨勢。
蘇格蘭Gravitricity公司提出了一種在廢棄鉆井平臺利用絞盤吊鉆機進行儲能的機構(gòu)(圖12)。Gravitricity利用廢棄鉆井平臺與礦井，在150～1500 m長的鉆井中重復吊起與放下16 m長、500～5000 t的鉆機，通過電動絞盤，在用電低谷時將鉆機拉升至廢棄礦井，用電高峰時再讓鉆機筆直落下，進而“釋放”存儲起來的能量，該系統(tǒng)可以控制重物下落速度改變發(fā)電時間和發(fā)電功率。該公司聲稱此系統(tǒng)可以在1 s之內(nèi)快速反應，使用壽命長達50 a，效率最高可達90%。儲能容量可自由配置1～20 MW，輸出持續(xù)時間為15 min～8 h。Gravitricity預計在屬于封閉式深水港的利斯港口打造示范工程，建設成本約100萬英鎊，目標建成4 MW級全尺寸重力儲能系統(tǒng)。這種儲能技術(shù)在封閉的礦井中工作，減少了自然環(huán)境的影響，安全系數(shù)較高。如何提高電動絞盤的工作穩(wěn)定性，減少重物的旋轉(zhuǎn)晃動以及固定等問題是研究的重點。
圖12 Gravitricity公司廢棄鉆井儲能
葛洲壩中科儲能技術(shù)公司2018年提出了利用廢棄礦井和纜繩提升重物的方案(圖13)，解決了廢棄礦井長時間不使用的風險和浪費問題，也降低了重力儲能系統(tǒng)的建設成本。但深井吊機的載重能力有限，重物和機組受井口尺寸限制，長繩索提升重物的形變、旋轉(zhuǎn)擺動問題仍待優(yōu)化，廢棄礦井資源有限，選址不夠靈活，還有瓦斯泄漏等安全隱患。
圖13 葛洲壩中科儲能廢棄礦井+纜繩系統(tǒng)
2.5 綜合儲能系統(tǒng)
重力勢能儲能還可與其他儲能系統(tǒng)結(jié)合形成一種綜合式的儲能系統(tǒng)。華能集團2020年提出了一種重力壓縮空氣儲能系統(tǒng)(圖14)，兼具了壓縮空氣儲能能量密度高和重力儲能布置靈活的優(yōu)點。西安熱工研究院2021年提出了一種新能源發(fā)電結(jié)合電池及重力儲能的系統(tǒng)(圖15)，新能源可直接充電至重力儲能系統(tǒng)減小電力傳輸損耗，避免了單個重力儲能模塊的頻繁啟停對系統(tǒng)運行的影響。
圖14 華能集團重力壓縮空氣儲能系統(tǒng)
圖15 西安熱工研究院新能源發(fā)電結(jié)合電池及重力儲能系統(tǒng)
重力儲能作為一種能量型儲能方式，啟動時間較慢，難以提供電網(wǎng)慣性，但其儲能容量大、出力時間長、單位能量成本低，可以精確跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令，提升電網(wǎng)二次調(diào)頻容量。重力勢能儲能聯(lián)合其他功率型儲能形式(如飛輪儲能、超級電容器儲能)可以有效解決新能源并網(wǎng)帶來的頻率、電壓不穩(wěn)定問題，也可以削峰填谷，解決新能源發(fā)電出力和需求不匹配的問題。
表1是上文所提幾種新型重力儲能技術(shù)理論參數(shù)對比，目前均處于研發(fā)階段，還未有工程示范實驗數(shù)據(jù)。
表1 多種新型重力勢能儲能技術(shù)對比
3 展望和建議
表1對以上幾種重力儲能技術(shù)進行了比較。從表中可以看出，水介質(zhì)型重力儲能系統(tǒng)在功率和儲能容量方面不及傳統(tǒng)的抽水蓄能，但響應時間短、選址更靈活，海下儲能系統(tǒng)可以合理利用海洋空間，活塞水泵系統(tǒng)可以為城市提供儲能服務，儲能成本和效率也與抽水蓄能相當。固體重物型重力儲能系統(tǒng)的儲能容量和功率由大到小排為：基于山體落差系統(tǒng)>基于地下豎井系統(tǒng)>基于構(gòu)筑物系統(tǒng)。固體重物型儲能系統(tǒng)由于不需要水泵、水輪機結(jié)構(gòu)，理論上可以實現(xiàn)比抽水蓄能更高的儲能效率，響應時間也更短，可以根據(jù)不同地形和需求靈活選擇不同儲能結(jié)構(gòu)。
由上述研究可見，重力勢能儲能方案結(jié)構(gòu)眾多，各有優(yōu)劣，宜根據(jù)不同地形和儲能需求來設計重力儲能系統(tǒng)。其中基于山體落差和地下豎井的重力儲能相較而言更具發(fā)展前景，而與之相關的電動/發(fā)電機技術(shù)、吊裝技術(shù)和重物/電機群控技術(shù)將成為研究重點。重力勢能系統(tǒng)的功率和容量與被提升物的質(zhì)量和抬升高度有關，比較適合于建設中等功率和容量的儲能系統(tǒng)，但通過建設多個重力儲能系統(tǒng)集群，可以獲得更大容量和功率，從而實現(xiàn)其規(guī)?；?。今后的重點研究課題主要包括大功率電動/發(fā)電機及其運行控制、重力儲能系統(tǒng)集群運行與控制、重力儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全天候適應性等。
