中國儲能網訊：8月1日，重力儲能技術公司Energy Vault(下稱EV)宣布，江蘇如東重力儲能示范項目進入調試階段，預計于今年四季度并網。
該項目總投資10億元，建設規(guī)模100 MWh，發(fā)電功率25 MW，將成為全球首個電網級商用重力儲能電站。
項目由中國天楹(000035.SZ)的全資子公司江蘇能楹投資，EV提供重力儲能系統和技術。EV是一家總部位于瑞士的儲能公司，專門從事基于重力和動能的儲能產品。
綠色、環(huán)保、安全是實現儲能技術可持續(xù)發(fā)展的前提條件，布置靈活、場景適應性強有利于響應電力系統需求、提升產業(yè)價值。按照目前電力系統儲能發(fā)展趨勢，抽水蓄能電站將持續(xù)保持較高的占比。從長遠來看，規(guī)?；瘍δ芗夹g必將向多元化方向發(fā)展，以滿足不同應用場景的需要。重力儲能發(fā)電具備環(huán)境友好、布置靈活、安全度高、壽命長、無自放電等顯著優(yōu)勢，國外有相關資料和開發(fā)的報道，但國內缺少專門的研討。
重力儲能發(fā)電還處于探索階段，短時間內還難以實現技術成熟，達到規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)的水平。
重力儲能發(fā)電現狀
重力儲能發(fā)電的基本原理與抽水蓄能技術類似，儲能和發(fā)電的基本過程為：利用富裕電力提升重物，存儲勢能；在需要時通過釋放重物的勢能，經轉換帶動發(fā)電機發(fā)電。根據國外目前相關資料報道，主要有活塞式重力儲能、懸掛式重力儲能、混凝土砌塊儲能塔和山地重力儲能4種重力儲能發(fā)電技術。
美國加州Gravity Power公司[31]提出的活塞式重力儲能基于抽水蓄能機組，利用豎井內的重物活塞替代水體進行儲能，如圖1所示。電力富裕時，由水泵水輪機抽水加壓，提升重物活塞，存儲能量，即水體不直接蓄能；發(fā)電時，重物活塞下落，其勢能傳遞給水流，由水泵水輪機轉換為機械能帶動發(fā)電機工作。由于重物的密度比水大，在相同高差條件下可以提高發(fā)電水頭，增大能量密度；也就是說，與相同勢能的抽水蓄能電站相比，活塞式重力儲能發(fā)電技術可降低建設高度，減少對地理條件和水資源的依賴，便于電站選址和布置。該技術方案保留了抽水蓄能機組核心設備，抽水、發(fā)電的水泵水輪機技術成熟，效率較高，具有獨特優(yōu)勢。但重物活塞和豎井有些技術問題需要探討，如：技術經濟可行的尺寸規(guī)模，二者之間的密封方案等，有待關注后續(xù)研究進展。目前來看，活塞式重力儲能的容量有限，可能適合一些小型、短時的儲能。
圖 1 活塞式重力儲能[31]
Gravitricity公司[37-40]應用懸掛式重力儲能技術，計劃在愛丁堡利斯港建造一座250 kW的重力儲能先導電廠，存儲當地多余的電力能源。工程主要擬利用廢棄鉆井平臺和礦井，采用500～5 000 t重的鉆機作為重物，通過在150～1 500 m長的鉆井中重復吊起與放下鉆機，實現電能的存儲與釋放。電能富裕時，通過電動絞盤將鉆機拉到廢棄礦井上方，把電能存儲為重物勢能；需要發(fā)電時，通過讓鉆機落下驅動發(fā)電機發(fā)電，如圖2所示。
圖 2 Gravitricity公司重力儲能電廠[37]
Fig. 2 Gravity power plant by Gravitricity [37]
Gravitricity公司認為，先進的絞車和控制系統可使其具有足夠的靈活性，能在1 s之內快速響應，滿足電網調峰需求。Thomas等[41]介紹了利用懸掛重物進行儲能和發(fā)電的技術方案，并探討了應用該項技術對廢棄深礦井進行改造的潛力。由于一臺機組只用一個重物循環(huán)工作，相應的儲能總量、持續(xù)發(fā)電時間都很受限制。
Energy Vault公司[42-44]提出以混凝土砌塊儲能塔為基礎的重力儲能發(fā)電方案，如圖3所示。
圖 3 Energy Vault公司混凝土砌塊儲能塔[42,44]
Fig. 3 Energy storage tower with concrete block by Energy Vault[42,44]下載: 全尺寸圖片
據稱，該項目可運行長達30～40 a，成本將是現有電網規(guī)模電池儲能解決方案成本的一半。電力充裕時，起重機將混凝土砌塊從地上吊起，像積木一樣往高處堆放，將能量轉化為混凝土砌塊塔的勢能，也就是儲能階段；需要發(fā)電時，將混凝土砌塊依次落下，釋放重物勢能，并轉化為電能?；炷疗鰤K塔看起來是比較簡單的儲能方式，但主要存在以下問題：由于循環(huán)上下起吊重塊，整個“塔”不是固定的，屬于一種變動結構，其穩(wěn)定性、可靠性、安全性等需要仔細設計；考慮到自身結構特征，單個混凝土儲能塔的規(guī)?？赡懿淮笄覂δ苋萘渴芟?。另外，從塔底到塔頂位置各個混凝土砌塊存儲的勢能不同，關于如何設計吊運、堆放及能量轉換，以及能否實現預想效果等問題，沒有相關技術報道。Energy Vault公司表示，已與印度塔塔電力公司達成協議，部署容量為35 MW·h的儲能系統，可在2.9 s內讓系統發(fā)出電力，峰值功率4 MW，值得進一步關注后續(xù)開發(fā)進展。
IIASA研究所[45-46]提出的山地重力儲能（MGES），主要利用陡峭山區(qū)的地勢，通過砂石的勢能儲能，如圖4所示。電力富裕時，應用類似于滑雪纜車的電動系統將裝滿砂石的容器提升到山頂存放；用電高峰時，依靠重力將砂石從上頂運回地面，通過釋放砂石勢能發(fā)電。該研究所認為，山地重力儲能系統是一種比鋰電池儲能系統持續(xù)時間更長、規(guī)模更大的儲能方式。山地重力儲能看似簡單、易行，但所應用的纜車系統效率不易提高，儲能發(fā)電系統的綜合效益可能不理想，相關技術方案還有待發(fā)展。
圖 4 山地重力儲能[46]
Fig. 4 Mountain gravity energy storage[46]
重力儲能發(fā)電技術
類比抽水蓄能技術，本文構想的重力儲能發(fā)電方案見圖5。把流體“水”替換成固體“重物”，上下“庫”改換為上下“倉”，“抽水蓄能機組”變?yōu)椤爸亓δ軝C組”。當電網低谷、電力過剩時，由輸送系統（吊車、傳送設備等），把下倉重物提升至位置較高的上倉，將富余電能轉化為重物的勢能存儲待用；用電高峰及電力供給不足時，重物依次落下，把上倉重物勢能轉換為機械能及電能，即通過“電能→機械能→重物勢能→機械能→電能”，實現電量存儲和循環(huán)利用。
圖 5 重力儲能發(fā)電構想方案
Fig. 5 Conceptual scheme of gravity energy storage
重力發(fā)電理論容量
對比抽水蓄能與重力輪機的出力公式，分析如下：
1）目前，抽水蓄能最大的單機容量在美國巴斯縣抽水蓄能電站，為500 MW，發(fā)電設計水頭329 m，引用流量約200 m3/s。當前，大中型抽水蓄能機組水頭都比較高，單機發(fā)電引用流量一般為每秒幾十立方米，對應的質量流量為每秒幾十噸。重物容重比水大，如：一般混凝土密度約為2400 kg/m3，配鋼筋、石塊等材料后，可達水容重的2.5倍左右；若單個標準重物按1 m3設計，重量約2.5 t?？紤]每秒輸送幾個標準重物發(fā)電，即每秒投入十多噸重物運行在理論上可行，技術上應能夠實現。初略推算，認為重物質量流量達不到抽水蓄能機組引用流量的量級。
2）大型抽水蓄能電站水頭集中在200～800 m，浙江長龍山抽水蓄能電站最大發(fā)電水頭756 m，目前為中國第一、世界第二。綜合考慮存放重物的上下倉布置形式、結構設計、工程建設及場地布置，結合起吊設備、輸送系統等因素，初步構想：重力儲能電站技術可行的、經濟合理的凈高差 ΔZΔ ，一般情況下可按100 m左右設計，也就是說，重力儲能發(fā)電的應用高差小于抽水蓄能電站的發(fā)電水頭。
3）由于水泵水輪機水力設計成熟，效率較高，而重力輪機僅為技術構想，最高效率按照80%預估。直接應用成熟的發(fā)電機技術，發(fā)電機的效率應該相當。因此，重力儲能發(fā)電的總效率預計比抽水蓄能機組低。
通過上述理論、技術上的大致對比，表明重力儲能電站單機容量量級低于抽水蓄能，估計最大單機容量10 MW可行，二者發(fā)電工況對比見表1。
表 1 重力儲能與抽水蓄能發(fā)電工況對比
目前，僅從現有技術條件考慮，提供重力儲能電站單機量級大致可能的水平?？紤]到重力儲能受選址條件的限制小，也就是說，重力儲能發(fā)電單機容量不大，但“總量”空間較大。
技術構想及關鍵問題
重力儲能發(fā)電原理簡單，如果不考慮效率指標、調節(jié)性能等，僅為小型重物發(fā)電是容易實現的。但要實現規(guī)?；?、產業(yè)化開發(fā)重力儲能電站，可以預見面臨的技術難題還很多，目前，還沒有看到商業(yè)運行的工程案例。結合現有技術條件水平，對重力儲能發(fā)電提出技術構想和關鍵問題。
1）重力輪機
研制重物勢能轉化為機械能的設備是重力儲能發(fā)電的核心技術。開發(fā)電網儲能級別的重力儲能電站需要一定的容量規(guī)模，如：持續(xù)每秒投運數噸以上的重物，且勢能轉化為機械能過程中保持較高效率（80%以上）。因此，如何穩(wěn)定、高效運行是需要解決的關鍵技術和難題。
本文提出重力輪機的技術構想，源于兩個方面的考慮：一方面，重物勢能首先轉化為機械能，且宜為旋轉機械能，以方便利用成熟的發(fā)電機技術設備；另一方面，作為儲能電站需要響應快、調節(jié)靈敏。因此，結合機械原理，借鑒水泵水輪機，提出重力輪機概念應是一個可行的思路?？蛇M一步考慮：可否采用齒輪傳動、皮帶輪傳動、鋼纜傳動等，實現持續(xù)把重物勢能轉換為旋轉機械能。另外，應考慮上倉重物投入運行時間間隔可控，也即可根據需要，靈活調節(jié)發(fā)電出力；與上倉投運相對應，重物脫離重力輪機，運回下倉，需要控制平穩(wěn)、有序，該調控過程需要結合重力輪機的方案設計統一研究。上述各方面涉及機械工程應用領域，還需要進一步細化方案、攻關技術。
此外，還有與發(fā)電機的連接問題。設計重力輪機輸出適宜轉速的旋轉機械能，這樣可以方便利用現有的發(fā)電機設備。與水電站等發(fā)電站類似，二者可以通過軸系或其他傳動方式連接，這方面技術成熟，不難實現。
2）上下倉布置形式
上下倉布置形式直接影響重力儲能電站的土地占用、空間利用等情況，需重點研究、規(guī)劃方案。重力儲能電站上倉、下倉布置形式可以參考抽水蓄能電站的上庫、下庫分別布置在高、低位置，同時還需要研究其他布置方式。按照前述估算分析，對于10 MW機組需每秒投入十多噸重物，總體積約幾立方米；若持續(xù)滿額發(fā)電時間按1 h考慮，上下倉分別需要的理論存放空間約為一萬多立方米。另外，倉內重物輸送系統還需占用空間，實際需要空間必然更大。也就是說，重力儲能電站上下倉分別高位、低位獨立布置使得占地較大，可能在一些山地區(qū)域較適合。由于重物存放較為靈活，針對充分利用上下倉之間的空間的問題，Energy Vault公司設計的混凝土儲能塔為上下倉一體形式，能夠節(jié)省占地面積，但需要解決吊運準確、結構可靠等問題，可以作為進一步研究的參考方案。
重力儲能電站選址靈活，設計經濟合理的上下倉布置形式，需要結合實際情況，設計適宜地理條件的方案。另外，上下倉布置形式會影響重力輪機及輸送系統的研發(fā)方向，可以統籌研討、論證。
3）重物輸送系統
若上下倉分別高位、低位獨立布置，重物輸送系統涉及下倉吊運至上倉，以及上倉和下倉內的輸運。若上下倉設計為一體化，低位到高位吊運可統一歸入倉內輸送系統。
目前，單純重物吊運技術成熟，各類起吊、傳送設備可供選用，可以直接利用現有裝備進行專門設計。儲能電站需要在電力過?；螂娋W低負荷時，及時、高效存儲合適的能量。抽水蓄能電站需要設計匹配的抽水能力，類似地，重力儲能電站吊運設備的輸送能力也需要匹配設計。目前，抽水蓄能電站多采用抽水/發(fā)電雙向運行的可逆式機組，可減小工程布置規(guī)模，節(jié)省投資，降低成本，因此，重力儲能電站能否采用該技術思路也可以參考借鑒。
按照目前技術水平，單純倉內輸送并不困難，每秒運輸十多噸重物的系統設計（如軌道、滑道等）應該可以實現；但運輸能耗情況、能達到的水平，值得仔細考察。輸送能耗是影響系統綜合效率的主要因素，直接關系重力儲能發(fā)電的商業(yè)價值。如何實現高效輸送，盡量減少耗電，還需要開展系統深入的研究。
重物輸送系統可以借鑒工業(yè)、工程領域相關設計思路和應用技術，開展廣泛的技術研討，探尋安全、高效、切實可行的方案。
4）重物
重力儲能電站的重物數量較大，涉及以下主要問題需要探討、論證：一是，重物材料及來源。綜合考慮各因素，認為采用混凝土為主材較為合適。專門為重力儲能電站大量新加工混凝土不經濟，也不環(huán)保。應該盡量利用已有廢棄材料或就地取材，如建筑垃圾、砂石等，以降低對環(huán)境的不利影響，還能大幅降低成本。另外，在風力發(fā)電站附近，將現場處理、加工廢棄的風機作為重物，也是一種可選擇的方式。二是，從方便重物輸送系統設計、提高效率的角度，重物采用規(guī)格相同的標準件較為合理，同時加工也最為方便，有利于降低重物成本。三是，重物的結構強度。在能量存儲、轉化的整個輸送過程中，重物處于運動狀態(tài)，結構可靠性將直接影響機組運行和電力生產安全。另外，重物可循環(huán)使用，保證足夠的結構強度，可減小磨損、延長壽命，降低重物維護費用。
重力儲能發(fā)電的優(yōu)勢
與其他儲能技術相比，重力儲能發(fā)電具備下述顯著優(yōu)勢：
1）純物理儲能、安全性高、環(huán)境友好。在重物輸送、勢能儲存、機械能發(fā)電等工作流程中，不涉及化學反應，運行安全可靠。重力儲能發(fā)電清潔低碳，對自然環(huán)境影響小。當然，需注意：嚴格控制重物加工過程對環(huán)境的影響，解決好加工工藝及材料問題，比如，盡量利用建筑垃圾等再生材料，或者就地取材，符合可持續(xù)、綠色發(fā)展理念。
2）強環(huán)境適應性，可以根據需要靈活布置，適宜“分布式”儲能。重物的存儲、輸送及發(fā)電過程沒有特殊條件和要求，因此，重力儲能電站基本無選址、天氣等外部條件限制，應用很靈活。除了用電負荷集中的區(qū)域，在風能、太陽能及核能等發(fā)電站附近也可以配置重力儲能電站，可以實現按電力系統的需求在電網側、電源側靈活布局。抽水蓄能站點規(guī)劃需要有適宜的地理條件和水資源為基礎，充分利用重力儲能電站布置便利的優(yōu)勢可以形成互補，以支撐大規(guī)模分布式、波動性電源的接入，保障電網運行穩(wěn)定、安全，也有利于提升電力系統的整體效益。
3）儲能發(fā)電循環(huán)壽命長、成本低。重物以混凝土或當地材料為主材，或者利用其他再生材料，能循環(huán)使用數十年，運行過程中重物損耗小。若取材利用合適，重物成本可以大大降低?？梢灶A見，技術發(fā)展成熟后，重力儲能發(fā)電的成本有望處于相對較低的水平。
4）儲能時間長且無自放電問題。重力儲能電站上下倉擴展相對容易，重物勢能儲存期間不會有損失，具備長時間儲能的便利條件和先天優(yōu)勢。
綜上可知，重力儲能發(fā)電有潛力成為電力系統“理想”的新型儲能方式，有較好的研發(fā)價值，應用前景廣闊。
