中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：作為平衡能源需求和供應(yīng)的重要途徑，儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)受到各國市場的高度重視。目前儲(chǔ)能技術(shù)主要有機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能三種類型。重力儲(chǔ)能屬于機(jī)械儲(chǔ)能方式，通過舉起與放下重物來儲(chǔ)存或釋放能量，是一種應(yīng)用范圍廣泛、可持續(xù)性極高的儲(chǔ)能創(chuàng)新技術(shù)。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第7期刊發(fā)《重力儲(chǔ)能有望擴(kuò)大規(guī)?！芬晃模瑘?bào)道了儲(chǔ)能領(lǐng)域中的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及在環(huán)保、儲(chǔ)能成本方面的優(yōu)勢，介紹了重力儲(chǔ)能的應(yīng)用情況。文章提到，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅具有電池的響應(yīng)速度，也具備抽水蓄能的優(yōu)點(diǎn)，面臨的挑戰(zhàn)是如何最大化質(zhì)量、高度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能最大化以及潛力發(fā)揮等。
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可持續(xù)性極高的重力儲(chǔ)能創(chuàng)新技術(shù)（通過舉起與放下重物來儲(chǔ)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(jìn)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和全世界使用可再生能源”。EVRC設(shè)計(jì)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(chǔ)能模塊，每個(gè)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(dāng)發(fā)電量超過電力需求，或電價(jià)較低時(shí)，EVRC會(huì)通過電力將這些模塊抬至高樓上層，放置在支架上。當(dāng)電力需求增加或電價(jià)上升時(shí)，這些模塊就會(huì)下降以產(chǎn)生電力。
圖1. （a）Energy Vault公司的每“EVx”重力儲(chǔ)能模塊，每塊模塊預(yù)計(jì)儲(chǔ)存10 MW·h能量。設(shè)計(jì)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(chǔ)存100 MW·h能量大概需要9713 m2土地。在每個(gè)“EVx”模塊結(jié)構(gòu)中，大概有1300個(gè)30 t左右的重物（藍(lán)色）被放置在支架上。當(dāng)“充電”時(shí)，這些重物被抬起（黃色）并在建筑高層儲(chǔ)存；放電時(shí)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(shí)，EVRC將通過重力勢能“穩(wěn)固并形成”復(fù)合發(fā)電設(shè)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(dá)成交易，為該公司多個(gè)項(xiàng)目提供共1.6 GW·h的能源儲(chǔ)存，比如“結(jié)合光伏太陽能發(fā)電設(shè)施，提供綠色電力，同時(shí)根據(jù)DG Fuels公司綠氫發(fā)電載荷，穩(wěn)固并調(diào)整相應(yīng)的可再生能源”。Energy Vault公司稱該項(xiàng)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(shè)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(dá)蘭的石油天然氣公司沙特阿美公司（Saudi Aramco）達(dá)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(shè)首個(gè)EVRC項(xiàng)目，容量達(dá)100 MW·h。Piconi說：“我們的項(xiàng)目在三月份開始動(dòng)工，隨后也會(huì)在世界其他地方開始建設(shè)一些項(xiàng)目。”
同樣在2021年，位于英國愛丁堡的重力儲(chǔ)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(xiàng)目。該項(xiàng)目采用兩個(gè)25 t重的重物，懸掛高度最高為15 m（圖2）。Gravitricity公司現(xiàn)在計(jì)劃在捷克共和國開始建設(shè)全尺寸重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過在已關(guān)停的煤礦中升降單個(gè)1000 t重的重物，可使該系統(tǒng)功率達(dá)8 MW，儲(chǔ)能容量達(dá)2 MW·h。Gravitricity公司的項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)理Chris Yendell說道：“將計(jì)劃在摩拉維亞-西里西亞州開展該項(xiàng)目。那里有數(shù)個(gè)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(shè)活動(dòng)包括進(jìn)一步細(xì)化可行性研究與前端工程設(shè)計(jì)?！痹谇岸斯こ淘O(shè)計(jì)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(shè)多重力儲(chǔ)能設(shè)施。
重力儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)非常成熟。電力供應(yīng)超過需求時(shí)，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(shí)，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(dá)同效能尺度電池的80%?？紤]到一天之內(nèi)電力需求和價(jià)格浮動(dòng)，抽水蓄能在經(jīng)濟(jì)上具有可行性。Piconi稱，Energy Vault公司首個(gè)商業(yè)示范單元采用起重機(jī)方案，2020年7月于瑞士提契諾州完工（圖3），“來回”效率可達(dá)到75%。他預(yù)計(jì)公司下一代“EVx”的效率可達(dá)到80%~85%。
圖2. Gravitricity公司的250 kW重力儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，已連接至電網(wǎng)。塔高15 m，利用兩個(gè)25 t重物存儲(chǔ)能量。來源：Gravitricity（已授權(quán)）。
圖3. Energy Vault公司早期技術(shù)商業(yè)示范單元的頂部（a）和基座（b）。該技術(shù)通過起重機(jī)抬升或放下35 t的重物來儲(chǔ)存/釋放能量。該項(xiàng)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(xiàng)目為圖1中的封閉式、模塊化設(shè)計(jì)。來源：Energy Vault（經(jīng)許可）。
據(jù)估計(jì)，當(dāng)前世界將近96%的能源儲(chǔ)備容量由抽水蓄能提供。2019年，抽水蓄能容量已經(jīng)達(dá)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(yùn)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?，F(xiàn)在，針對氣候變化問題，世界各國正推進(jìn)去碳化以及降低化石燃料消耗。據(jù)預(yù)測，在未來幾十年內(nèi)可再生能源發(fā)電，尤其是風(fēng)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(yù)測儲(chǔ)能容量需求也會(huì)持續(xù)上漲。確實(shí)如此，部分專家警告稱，如果儲(chǔ)能容量不能實(shí)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(huì)（International Energy Association）預(yù)測，雖然抽水蓄能項(xiàng)目成本高昂，還依賴特定地理?xiàng)l件，但在儲(chǔ)能需求的驅(qū)動(dòng)下，抽水蓄能項(xiàng)目在未來10年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄增長。針對預(yù)計(jì)儲(chǔ)能需求，工業(yè)也在大力發(fā)展化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)能項(xiàng)目將達(dá)到公用事業(yè)規(guī)模。彭博新能源財(cái)經(jīng)（Bloomberg New Energy Finance）預(yù)測全球儲(chǔ)能（排除抽水蓄能）容量在2030年將達(dá)到1 TW·h，是2020年可用容量的20多倍（圖4）。該目標(biāo)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(rèn)為鋰離子電池儲(chǔ)能方案仍存在缺陷?！颁囯x子電池很適合手機(jī)和電動(dòng)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(shè)施?！?
圖4. 全球累計(jì)儲(chǔ)能部署（排除抽水蓄能），以GW顯示，預(yù)計(jì)在未來數(shù)十年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)飛躍，部分原因是公共事業(yè)規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能成本預(yù)計(jì)將下降。來源：Bloomberg New Energy Finance（經(jīng)授權(quán)）。
部分人支持重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，理由是該系統(tǒng)不僅具備電池的響應(yīng)速度，也具備抽水蓄能的優(yōu)點(diǎn)。此外，該系統(tǒng)并不需要巨額的資本支出或特定地理?xiàng)l件。工作原理也很簡單：儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)最大化。Energy Vault公司的策略為將多個(gè)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(chǔ)能設(shè)施（圖5），Gravitricity公司選擇用單個(gè)或兩個(gè)重1000 t的重物（鋼結(jié)構(gòu)并內(nèi)置高密度壓載物）進(jìn)行儲(chǔ)能?！艾F(xiàn)有豎井改建項(xiàng)目具有明顯效益，因?yàn)楝F(xiàn)有豎井已經(jīng)建好，而我們不需要再花錢挖一個(gè)新豎井了?！?
圖5. Gravitricity公司的重力儲(chǔ)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(gè)重物以儲(chǔ)能，或下降以釋放能量。來源：Gravitricity（已授權(quán)）。
作為平衡能源需求和供應(yīng)的重要方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)施能幫助“調(diào)峰”，即讓儲(chǔ)能運(yùn)營商在低能源需求時(shí)可以低價(jià)購電，將所購能源作為重力勢能進(jìn)行存儲(chǔ)，并在電價(jià)峰值時(shí)釋放能源。Franklin說，Gravitricity公司的示范項(xiàng)目顯示該儲(chǔ)能設(shè)施能在1 s內(nèi)達(dá)到全額電力輸出?！霸趷鄱”な痉俄?xiàng)目中，重物下落速度峰值為0.62 mps（mps代表米每秒）。我們實(shí)現(xiàn)的加速度讓其電力輸出能迅速達(dá)到峰值。”這種水平的反應(yīng)速度意味著，此類重力儲(chǔ)能設(shè)施能為更大的電網(wǎng)系統(tǒng)提供短期電網(wǎng)平衡服務(wù)，在能源需求大于發(fā)電時(shí)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(shù)官Jim Fiske的說法，Gravitricity公司和Energy Vault公司研發(fā)的重力儲(chǔ)能技術(shù)不足以滿足預(yù)期的巨大儲(chǔ)能需求。Fiske說道：“重力儲(chǔ)能的真正需求并非調(diào)峰這種輔助作用，而是大量儲(chǔ)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(shè)計(jì)了一套儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中升降的重物是一個(gè)柱塞，由加固巖體制作而成，在封閉、灌滿水的豎井中進(jìn)行上下移動(dòng)以存儲(chǔ)/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(shù)與抽水儲(chǔ)能相同。當(dāng)需要電力時(shí)，柱塞下沉，將水推入渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電（圖6）。Fiske稱：“其本質(zhì)上還是抽水蓄能——?jiǎng)恿υ磁c抽水蓄能相同，而且液壓技術(shù)已經(jīng)非常成熟了。”Fiske預(yù)想，全尺寸柱塞應(yīng)有500 m高且直徑為50 m。他認(rèn)為：“一個(gè)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(jì)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(chǔ)能系統(tǒng)概念所用的技術(shù)與抽水蓄能相似。一個(gè)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(gè)灌滿水的密閉系統(tǒng)（圖像不按比例繪制）中。當(dāng)儲(chǔ)存能量時(shí)，電力被消耗，將水泵入底部艙室，抬升柱塞。放電時(shí)，柱塞下落，將水沖入渦輪發(fā)電機(jī)。來源：Gravity Power（已授權(quán)）。
南非獨(dú)立研究員兼工程師Christoff Botha，在看過一系列重力儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對重力發(fā)電公司的方案評價(jià)道：“人們一般都認(rèn)為重力儲(chǔ)能系統(tǒng)‘是個(gè)好主意’。但是當(dāng)你告訴他們需要多大的重量才能運(yùn)行時(shí)，人們突然又會(huì)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?yàn)橄到y(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(xiàng)技術(shù)的人稱，所有類型的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)都有兩大賣點(diǎn)，第一是環(huán)保。重力儲(chǔ)能系統(tǒng)原則上可持續(xù)性極高，不排放溫室氣體，同時(shí)重物不會(huì)分解。不過，尚不清楚Energy Vault公司在制造大型地上設(shè)施和大量重物中產(chǎn)生的碳排放會(huì)對整體可持續(xù)性造成多大的影響。
第二個(gè)賣點(diǎn)是低平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本，即使用壽命中必須支付的建設(shè)和運(yùn)維成本除以存儲(chǔ)/釋放能源單位得出的價(jià)格。重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程難度較低，比如Gravitricity公司的方案，意味著設(shè)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(zhǔn)化儲(chǔ)能成本的關(guān)鍵因素不在于低資本支出。事實(shí)上，首日成本預(yù)計(jì)將不低于鋰離子電池。關(guān)鍵因素在于重力儲(chǔ)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(shè)的使用壽命?！备鶕?jù)比較，鋰離子電池的儲(chǔ)能與放電會(huì)導(dǎo)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(rèn)證和潛在的長期收益，重力儲(chǔ)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(chǔ)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(jìn)軍該行業(yè)，但是他們沒有一個(gè)能成功獲取創(chuàng)業(yè)基金?？沙掷m(xù)、經(jīng)濟(jì)地解決這個(gè)問題很難?！?
鋰離子電池和流動(dòng)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(bǔ)。英國愛丁堡大學(xué)電力電子學(xué)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(chǔ)能技術(shù)可行并具有潛在價(jià)值的原因很多，然而其中只有一部分是純技術(shù)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(chǔ)能商業(yè)模型。我們是現(xiàn)在需要重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，還是當(dāng)可再生能源普及之后才需要重力儲(chǔ)能系統(tǒng)？”
