中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：重力儲(chǔ)能雖然聽起來(lái)很新穎，但實(shí)際上是人類的老朋友。從1882年誕生于瑞士蘇黎世的全球第一座抽水蓄能電站算來(lái)，我們100多年來(lái)一直在使用重力來(lái)儲(chǔ)能，而且重力儲(chǔ)能還是人類主動(dòng)儲(chǔ)能的最主要型式，占了當(dāng)前全球儲(chǔ)能總?cè)萘康?0%左右。但是通過(guò)搬磚、運(yùn)砂石、吊重物儲(chǔ)能還是一種只有腦洞大開的人才能想到的場(chǎng)景，當(dāng)前來(lái)看這種新型重力儲(chǔ)能的應(yīng)用之光正在照入現(xiàn)實(shí)。 按照傳統(tǒng)分類，重力儲(chǔ)能是一種物理儲(chǔ)能，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行高度或壓力的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程。根據(jù)介質(zhì)不同，分為液體介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)和固體介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)。固體介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于高度落差，升降主要借助山體、豎井、構(gòu)筑物等，重物一般選擇密度較高的金屬、水泥、砂石等材質(zhì)。液體介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于高度差或壓力差，通過(guò)水閥、電動(dòng)發(fā)電機(jī)的電流等參數(shù)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程。
圖1 重力儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換路徑示意圖
除了利用介質(zhì)不同外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型重力儲(chǔ)能根據(jù)發(fā)電形式不同可以有多種腦洞大開的“重力電池”型式。具體可分為基于山地、基于豎井、基于構(gòu)筑物和新型抽水蓄能等型式。 基于山地的重力儲(chǔ)能目前主要包括軌道機(jī)車和纜車兩種型式：
軌道機(jī)車儲(chǔ)能方案包括上下坡軌道、重裝機(jī)車等。儲(chǔ)電時(shí)，利用余電將推動(dòng)高效電機(jī)將機(jī)車推至坡頂“車站”，電能儲(chǔ)存為重力勢(shì)能；發(fā)電時(shí)，釋放機(jī)車下坡，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，開始發(fā)電。據(jù)有關(guān)公司公開數(shù)據(jù)，軌道機(jī)車儲(chǔ)能系統(tǒng)單站容量可在100-3000MW，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)2-24小時(shí)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)86%。系統(tǒng)具備快速響應(yīng)能力，最快5秒完成充電，25秒可完成放電，系統(tǒng)壽命達(dá)40年以上。
圖2 軌道重力儲(chǔ)能示意圖
纜車儲(chǔ)能解決方案最早在2019年提出，由陡峭山坡、起重機(jī)、儲(chǔ)存容器（可以裝砂石或水）、電纜等組成。儲(chǔ)電時(shí)利用余電驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)將裝滿砂石的纜車從山坡底部移動(dòng)到頂部，電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。發(fā)電時(shí)將纜車從山坡頂部下降到底部，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。還可與水力發(fā)電相結(jié)合，在用電高峰期用水填充儲(chǔ)存容器，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，連續(xù)存儲(chǔ)能量數(shù)月，有關(guān)公開數(shù)據(jù)顯示儲(chǔ)能容量可達(dá)到0.5-20MWh，發(fā)電功率500~5000kW。
圖3 纜車重力儲(chǔ)能示意圖
2016年業(yè)界提出豎井儲(chǔ)能解決方案，2021年首次完成了250kW示范項(xiàng)目。利用廢棄鉆井平臺(tái)與礦坑、人工豎井，在深度超300米的豎井中重復(fù)吊起與放下重物，通過(guò)電動(dòng)絞盤或其他傳動(dòng)設(shè)備，先將重物拉到豎井上方，需要用電時(shí)再讓重物放下，如此進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放電能。豎井儲(chǔ)能使用壽命在50年左右，響應(yīng)速度快。據(jù)公開數(shù)據(jù)，重物可超過(guò)500噸，電能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%，能在不到1秒內(nèi)從零功率變?yōu)槿β?，?chǔ)能容量可自由配置1-20MW，輸出持續(xù)時(shí)間15分鐘-8小時(shí)。 
圖4 豎井重力儲(chǔ)能示意圖
這種方案被形象的稱為“搬磚儲(chǔ)能”，采用人工構(gòu)筑物的高度差、利用提升傳動(dòng)或電梯等提升設(shè)備來(lái)儲(chǔ)存和釋放電力。可再生能源發(fā)電高時(shí)，將磚塊重物“搬”到高處，將勢(shì)能存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)需要電時(shí)控制磚塊下降，將動(dòng)能釋放回電網(wǎng)。
重力儲(chǔ)能還包括海下儲(chǔ)能、活塞式儲(chǔ)能等型式。另外業(yè)內(nèi)還提出了一種重力儲(chǔ)能式太陽(yáng)能飛機(jī)的概念，白天利用太陽(yáng)輻射多余的能量使飛機(jī)向上爬升，晚上飛機(jī)利用無(wú)動(dòng)力滑翔繼續(xù)飛行，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)的重力儲(chǔ)能和傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能兩種儲(chǔ)能的等價(jià)性研究，結(jié)果表明在初始高度較低且太陽(yáng)輻射時(shí)間較短的情況下，利用重力儲(chǔ)能技術(shù)能大大提高太陽(yáng)能飛機(jī)的續(xù)航性能。
圖5 重力儲(chǔ)能式太陽(yáng)能飛機(jī)示意圖
03、重力儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)
當(dāng)前儲(chǔ)能的型式百花齊放，包括電化學(xué)、化學(xué)、熱儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等多種類型，每種儲(chǔ)能類型有多種型式，如物理儲(chǔ)能除了抽水蓄能外，還包括飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣等多種型式，那么新型重力儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能型式相比有什么優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)呢？下表為一個(gè)公開資料中從成本投入、度電成本和使用壽命等指標(biāo)來(lái)對(duì)重力儲(chǔ)能電站和其他儲(chǔ)能電站進(jìn)行指標(biāo)橫向比較。
雖然上述比較的結(jié)論是在一定的前提條件下得到的，但是從表中可以看到，重力儲(chǔ)能的成本低于電化學(xué)儲(chǔ)能，在放電時(shí)長(zhǎng)方面可實(shí)現(xiàn)與抽水蓄能相同的長(zhǎng)時(shí)應(yīng)用，平均壽命也達(dá)到30~35年的較高水平，重力儲(chǔ)能技術(shù)很有潛力，可以與當(dāng)前成熟的各類儲(chǔ)能技術(shù)一較高下。其不足之處主要在于其單體功率和其機(jī)械運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性方面。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和項(xiàng)目ESG綜合分析，重力儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)總結(jié)起來(lái)主要是以下幾點(diǎn)：
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適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)建設(shè)環(huán)境要求不高。
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平均壽命在30~35年左右，壽命長(zhǎng)。
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電站可利用廢棄礦井，重物也可利用混凝土塊等可再生材料為主，在循環(huán)利用方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
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當(dāng)然，作為一項(xiàng)仍在快速發(fā)展中的技術(shù)，重力儲(chǔ)能也具有明顯的劣勢(shì)，主要有以下幾個(gè)方面：
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限于重物能量密度及其他技術(shù)的制約，單體容量規(guī)模相對(duì)小。
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同樣大量機(jī)械設(shè)備的間歇性運(yùn)行及機(jī)械運(yùn)行影響了單體發(fā)電的穩(wěn)定性。
儲(chǔ)能作為一項(xiàng)剛剛完成蛻變落地不久的技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，但無(wú)論從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是項(xiàng)目運(yùn)行上，能夠得到的有限數(shù)據(jù)還不足以全面去論證一門技術(shù)?，F(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)中的不足也很有希望隨著未來(lái)技術(shù)成熟而改善。而目前隨著雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能的需求日益明確，很多國(guó)內(nèi)外企業(yè)對(duì)重力儲(chǔ)能都在關(guān)注或入場(chǎng)布局，新型重力儲(chǔ)能項(xiàng)目落地也將在不久后到來(lái)。新技術(shù)開拓者們都在不停地為這座大廈砌起塊塊磚石。重力儲(chǔ)能帶來(lái)的一股世界風(fēng)潮已經(jīng)刮起，抓住先機(jī)可能就意味著將贏得未來(lái)的儲(chǔ)能市場(chǎng)。
圖6 新型重力儲(chǔ)能研究示意圖
