中國儲能網(wǎng)訊：作為平衡能源需求和供應的重要途徑，儲能技術開發(fā)受到各國市場的高度重視。目前儲能技術主要有機械儲能、電磁儲能和化學儲能三種類型。重力儲能屬于機械儲能方式，通過舉起與放下重物來儲存或釋放能量，是一種應用范圍廣泛、可持續(xù)性極高的儲能創(chuàng)新技術。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第7期刊發(fā)《重力儲能有望擴大規(guī)?！芬晃?，報道了儲能領域中的重力儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及在環(huán)保、儲能成本方面的優(yōu)勢，介紹了重力儲能的應用情況。文章提到，重力儲能系統(tǒng)不僅具有電池的響應速度，也具備抽水蓄能的優(yōu)點，面臨的挑戰(zhàn)是如何最大化質(zhì)量、高度，實現(xiàn)儲能最大化以及潛力發(fā)揮等。
圖片
可持續(xù)性極高的重力儲能創(chuàng)新技術（通過舉起與放下重物來儲存或釋放能量）現(xiàn)已步入全球視野。在與特殊目的收購公司Novus Capital Corporation II合并，并融資2.35億美元后，Energy Vault控股有限公司于2022年2月14日在紐約交易所上市。
Energy Vault公司旨在通過Energy Vault彈性中心（EVRC）推進“循環(huán)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和全世界使用可再生能源”。EVRC設計均為方形建筑，其3D網(wǎng)格型追蹤系統(tǒng)（圖1）內(nèi)含10 MW·h“EVx”儲能模塊，每個模塊重約130 030 t。Energy Vault公司還獲得了Leonardo DiCaprio等環(huán)保主義人士的大力支持。當發(fā)電量超過電力需求，或電價較低時，EVRC會通過電力將這些模塊抬至高樓上層，放置在支架上。當電力需求增加或電價上升時，這些模塊就會下降以產(chǎn)生電力。
圖1. （a）Energy Vault公司的每“EVx”重力儲能模塊，每塊模塊預計儲存10 MW·h能量。設計EVRC需要至少4塊并排模塊，并且最高抬升至120 m高；在該維度下，儲存100 MW·h能量大概需要9713 m2土地。在每個“EVx”模塊結(jié)構中，大概有1300個30 t左右的重物（藍色）被放置在支架上。當“充電”時，這些重物被抬起（黃色）并在建筑高層儲存；放電時則相反。（b）太陽能發(fā)電站與相鄰的EVRC，該EVRC有9塊方形“EVx”模塊。在發(fā)電量高時，EVRC將通過重力勢能“穩(wěn)固并形成”復合發(fā)電設施的能源，并在日落后再轉(zhuǎn)化為電力。來源：Energy Vault（經(jīng)許可)。
2021年10月，Energy Vault公司宣布與總部位于美國華盛頓特區(qū)的DG fuels公司達成交易，為該公司多個項目提供共1.6 GW·h的能源儲存，比如“結(jié)合光伏太陽能發(fā)電設施，提供綠色電力，同時根據(jù)DG Fuels公司綠氫發(fā)電載荷，穩(wěn)固并調(diào)整相應的可再生能源”。Energy Vault公司稱該項合作將帶來超過5億美元的收入。Energy Vault公司在美國加利福尼亞州西湖村以及瑞士盧加諾設立了辦公室，此外還與澳大利亞墨爾本的礦業(yè)巨頭必和必拓公司（Broken Hill Propriety Company, Ltd., BHP）、昆士蘭鋅精煉廠Sun Metals公司和沙特阿拉伯達蘭的石油天然氣公司沙特阿美公司（Saudi Aramco）達成交易。2022年年初，Energy Vault公司首席執(zhí)行官Robert Piconi稱，該公司將與中國天楹公司（China Tianying）攜手，在江蘇如東建設首個EVRC項目，容量達100 MW·h。Piconi說：“我們的項目在三月份開始動工，隨后也會在世界其他地方開始建設一些項目?！?
同樣在2021年，位于英國愛丁堡的重力儲能公司Gravitricity（規(guī)模相對較小）已完成了與電網(wǎng)互聯(lián)的250 kW示范項目。該項目采用兩個25 t重的重物，懸掛高度最高為15 m（圖2）。Gravitricity公司現(xiàn)在計劃在捷克共和國開始建設全尺寸重力儲能系統(tǒng)，通過在已關停的煤礦中升降單個1000 t重的重物，可使該系統(tǒng)功率達8 MW，儲能容量達2 MW·h。Gravitricity公司的項目開發(fā)經(jīng)理Chris Yendell說道：“將計劃在摩拉維亞-西里西亞州開展該項目。那里有數(shù)個荒廢的煤礦。在2021年與2022年初步觀察現(xiàn)場后，我們的下一步建設活動包括進一步細化可行性研究與前端工程設計?！痹谇岸斯こ淘O計方面，2022年2月，Gravitricity公司從英國政府處獲得了115萬美元撥款，用于研究如何在北英格蘭建設多重力儲能設施。
重力儲能的概念由來已久。與抽水蓄能水電站的工作原理相同，如今重力儲能技術已經(jīng)非常成熟。電力供應超過需求時，抽水蓄能水電站從低地勢水庫抽水，輸送至高地勢水庫。必要時，水電站將開閘放水，水流經(jīng)過渦輪發(fā)電。該充/放電的“往返”效率（round-trip ef?ciency）可達同效能尺度電池的80%。考慮到一天之內(nèi)電力需求和價格浮動，抽水蓄能在經(jīng)濟上具有可行性。Piconi稱，Energy Vault公司首個商業(yè)示范單元采用起重機方案，2020年7月于瑞士提契諾州完工（圖3），“來回”效率可達到75%。他預計公司下一代“EVx”的效率可達到80%~85%。
圖2. Gravitricity公司的250 kW重力儲能示范項目，已連接至電網(wǎng)。塔高15 m，利用兩個25 t重物存儲能量。來源：Gravitricity（已授權）。
圖3. Energy Vault公司早期技術商業(yè)示范單元的頂部（a）和基座（b）。該技術通過起重機抬升或放下35 t的重物來儲存/釋放能量。該項目位于瑞士提契諾州，于2020年完工，并已連接至國家電網(wǎng)。該公司后來決定更換項目為圖1中的封閉式、模塊化設計。來源：Energy Vault（經(jīng)許可）。
據(jù)估計，當前世界將近96%的能源儲備容量由抽水蓄能提供。2019年，抽水蓄能容量已經(jīng)達到1.3 TW。從歷史角度看，抽水蓄能與煤炭發(fā)電和核能發(fā)電結(jié)合得很好，后兩者運行效率高，輸出穩(wěn)定。但抽水蓄能與每天漲漲落落的電力需求不匹配。現(xiàn)在，針對氣候變化問題，世界各國正推進去碳化以及降低化石燃料消耗。據(jù)預測，在未來幾十年內(nèi)可再生能源發(fā)電，尤其是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電將迅速成為主流。但是，考慮到這些能源本質(zhì)上是易變的，預測儲能容量需求也會持續(xù)上漲。確實如此，部分專家警告稱，如果儲能容量不能實現(xiàn)持續(xù)增長，那么可再生能源發(fā)展也可能停滯。
國際能源協(xié)會（International Energy Association）預測，雖然抽水蓄能項目成本高昂，還依賴特定地理條件，但在儲能需求的驅(qū)動下，抽水蓄能項目在未來10年內(nèi)將實現(xiàn)創(chuàng)紀錄增長。針對預計儲能需求，工業(yè)也在大力發(fā)展化學儲能。而其中，鋰離子電池將在發(fā)展中扮演重要角色，比如特斯拉公司的Megapack儲能項目將達到公用事業(yè)規(guī)模。彭博新能源財經(jīng)（Bloomberg New Energy Finance）預測全球儲能（排除抽水蓄能）容量在2030年將達到1 TW·h，是2020年可用容量的20多倍（圖4）。該目標大部分將由鋰離子電池完成，不過新型公用事業(yè)規(guī)模的“液體電池”也在開發(fā)中。但Gravitricity公司首席工程師Miles Franklin認為鋰離子電池儲能方案仍存在缺陷?！颁囯x子電池很適合手機和電動車，但是不適合靜態(tài)、與電網(wǎng)互聯(lián)且不要求高能量密度的設施。”
圖4. 全球累計儲能部署（排除抽水蓄能），以GW顯示，預計在未來數(shù)十年內(nèi)將實現(xiàn)飛躍，部分原因是公共事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲能成本預計將下降。來源：Bloomberg New Energy Finance（經(jīng)授權）。
部分人支持重力儲能系統(tǒng)，理由是該系統(tǒng)不僅具備電池的響應速度，也具備抽水蓄能的優(yōu)點。此外，該系統(tǒng)并不需要巨額的資本支出或特定地理條件。工作原理也很簡單：儲存的能源=質(zhì)量×抬升高度×重力。重力為常量，問題在于如何最大化質(zhì)量或高度，最好兩者均能實現(xiàn)最大化。Energy Vault公司的策略為將多個30 t重的重物從120 m高或以下高度放下。相較之下，F(xiàn)ranklin表示，通過將使用壽命到期的煤礦豎井重新翻修為儲能設施（圖5），Gravitricity公司選擇用單個或兩個重1000 t的重物（鋼結(jié)構并內(nèi)置高密度壓載物）進行儲能。“現(xiàn)有豎井改建項目具有明顯效益，因為現(xiàn)有豎井已經(jīng)建好，而我們不需要再花錢挖一個新豎井了?！?
圖5. Gravitricity公司的重力儲能系統(tǒng)，利用現(xiàn)存礦井或?qū)ｉT豎井修建。在豎井內(nèi)抬升重約1000 t的單個重物以儲能，或下降以釋放能量。來源：Gravitricity（已授權）。
作為平衡能源需求和供應的重要方面，儲能系統(tǒng)設施能幫助“調(diào)峰”，即讓儲能運營商在低能源需求時可以低價購電，將所購能源作為重力勢能進行存儲，并在電價峰值時釋放能源。Franklin說，Gravitricity公司的示范項目顯示該儲能設施能在1 s內(nèi)達到全額電力輸出?！霸趷鄱”な痉俄椖恐?，重物下落速度峰值為0.62 mps（mps代表米每秒）。我們實現(xiàn)的加速度讓其電力輸出能迅速達到峰值?！边@種水平的反應速度意味著，此類重力儲能設施能為更大的電網(wǎng)系統(tǒng)提供短期電網(wǎng)平衡服務，在能源需求大于發(fā)電時或相反的情況下保持電網(wǎng)處于最佳狀態(tài)。
但是，根據(jù)美國加利福尼亞州圣芭芭拉重力發(fā)電公司（Gravity Power）首席技術官Jim Fiske的說法，Gravitricity公司和Energy Vault公司研發(fā)的重力儲能技術不足以滿足預期的巨大儲能需求。Fiske說道：“重力儲能的真正需求并非調(diào)峰這種輔助作用，而是大量儲能。用液壓，你能舉起幾百萬噸的重物?！?
重力發(fā)電公司已經(jīng)設計了一套儲能系統(tǒng)，其中升降的重物是一個柱塞，由加固巖體制作而成，在封閉、灌滿水的豎井中進行上下移動以存儲/釋放能量。該豎井高度為柱塞高度的兩倍。柱塞由豎井底部抽水抬升，所用技術與抽水儲能相同。當需要電力時，柱塞下沉，將水推入渦輪機進行發(fā)電（圖6）。Fiske稱：“其本質(zhì)上還是抽水蓄能——動力源與抽水蓄能相同，而且液壓技術已經(jīng)非常成熟了?！盕iske預想，全尺寸柱塞應有500 m高且直徑為50 m。他認為：“一個大型系統(tǒng)能連續(xù)8 h甚至16 h將功率維持在400 MW?！辈贿^，該概念依然停留在計劃階段，重力發(fā)電公司還需要商業(yè)合作伙伴和投資。
圖6. 重力發(fā)電公司的重力儲能系統(tǒng)概念所用的技術與抽水蓄能相似。一個由加固巖體制成的大型柱塞，高約為500 m，直徑為50 m，垂直放置在一個灌滿水的密閉系統(tǒng)（圖像不按比例繪制）中。當儲存能量時，電力被消耗，將水泵入底部艙室，抬升柱塞。放電時，柱塞下落，將水沖入渦輪發(fā)電機。來源：Gravity Power（已授權）。
南非獨立研究員兼工程師Christoff Botha，在看過一系列重力儲能系統(tǒng)設計后，對重力發(fā)電公司的方案評價道：“人們一般都認為重力儲能系統(tǒng)‘是個好主意’。但是當你告訴他們需要多大的重量才能運行時，人們突然又會說‘那也太重了，這肯定行不通?！亓Πl(fā)電公司的模型很誘人，這是因為系統(tǒng)不僅不需要纜繩，而且無論重量多大，水都能抬起重物?！?
支持這項技術的人稱，所有類型的重力儲能系統(tǒng)都有兩大賣點，第一是環(huán)保。重力儲能系統(tǒng)原則上可持續(xù)性極高，不排放溫室氣體，同時重物不會分解。不過，尚不清楚Energy Vault公司在制造大型地上設施和大量重物中產(chǎn)生的碳排放會對整體可持續(xù)性造成多大的影響。
第二個賣點是低平準化儲能成本，即使用壽命中必須支付的建設和運維成本除以存儲/釋放能源單位得出的價格。重力儲能系統(tǒng)的工程難度較低，比如Gravitricity公司的方案，意味著設施具有長期生產(chǎn)力，而維修保養(yǎng)需求較少。Franklin說：“降低平準化儲能成本的關鍵因素不在于低資本支出。事實上，首日成本預計將不低于鋰離子電池。關鍵因素在于重力儲能系統(tǒng)的使用壽命，即便不超過使用壽命，也不能少于現(xiàn)有電網(wǎng)基本建設的使用壽命。”根據(jù)比較，鋰離子電池的儲能與放電會導致電池性能退化，從而使其使用壽命縮短至10~15年，或3000次循環(huán)，更不用提鋰離子電池所需元素的開采與循環(huán)使用中的環(huán)境問題。
除了綠色認證和潛在的長期收益，重力儲能行業(yè)尚在襁褓中，未來前景尚不清晰。除了Energy Vault公司，投資重力儲能系統(tǒng)的公司依然相對較少。Piconi說道：“除了Energy Vault公司以外，還有4?5家公司打算進軍該行業(yè)，但是他們沒有一個能成功獲取創(chuàng)業(yè)基金。可持續(xù)、經(jīng)濟地解決這個問題很難。”
鋰離子電池和流動電池的成本不斷下降，市場份額不斷上升。但是這也于事無補。英國愛丁堡大學電力電子學和智能電網(wǎng)專業(yè)（Power Electronics and Smart Grids at the University of Edinburgh, UK）講師Thomas Morstyn稱：“特定儲能技術可行并具有潛在價值的原因很多，然而其中只有一部分是純技術原因。直到最近部分國家才研發(fā)出了基于電網(wǎng)的清潔電池儲能商業(yè)模型。我們是現(xiàn)在需要重力儲能系統(tǒng)，還是當可再生能源普及之后才需要重力儲能系統(tǒng)？”
