中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：受可再生能源裝機(jī)比例持續(xù)增加、電網(wǎng)穩(wěn)定性需求不斷提升、政策支持力度加大等因素的驅(qū)動(dòng)，具備長(zhǎng)時(shí)屬性的重力儲(chǔ)能技術(shù)將迎來(lái)廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間。隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，重力儲(chǔ)能有望在未來(lái)的能源存儲(chǔ)市場(chǎng)中扮演重要角色。
但這項(xiàng)正在嶄露頭角的儲(chǔ)能技術(shù)仍面臨技術(shù)提升和更多的項(xiàng)目示范應(yīng)用等挑戰(zhàn)。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能賽道的“潛力股”
近年來(lái)，全球氣候變化以及國(guó)家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，使得我國(guó)的電源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)深刻的變化，以風(fēng)光發(fā)電為代表的新能源裝機(jī)規(guī)模占比逐年大幅上升，由此帶來(lái)的問(wèn)題是電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力不足，無(wú)法消納隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性強(qiáng)的風(fēng)光發(fā)電。
因此，建設(shè)儲(chǔ)能，特別是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能設(shè)施，能夠在更長(zhǎng)時(shí)間維度調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的電力、電量平衡和頻率穩(wěn)定，避免出現(xiàn)潮流擁堵、系統(tǒng)失穩(wěn)，提高風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)和消納能力，增加風(fēng)光綠電開(kāi)發(fā)消費(fèi)占比。
研究表明，在新能源裝機(jī)占比達(dá)到15-20%時(shí)，4小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求將成為剛需，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電占比達(dá)到50%-80%時(shí)，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)需要達(dá)到10小時(shí)以上。
2023年以來(lái)，國(guó)家和地方層面均加快了對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的支持力度。
2023年6月國(guó)家能源局發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》明確了2030～2045年，規(guī)?；L(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)取得重大突破，滿足日以上平衡調(diào)節(jié)需求。
各地對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的支持政策也在持續(xù)加碼，河北、西藏、內(nèi)蒙古、寧夏等10個(gè)多省份明確提出配置4小時(shí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，推動(dòng)4小時(shí)以上儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
在越來(lái)越火熱的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能賽道，包括液流電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能等技術(shù)路線在近兩年都取得了較快的發(fā)展，重力儲(chǔ)能技術(shù)憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是這個(gè)領(lǐng)域的“潛力股”。
重力儲(chǔ)能是一種借助山體、地下豎井、人工構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)，利用重力勢(shì)能來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量的技術(shù)，通常通過(guò)提升和下降重物來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。
不同于抽蓄使用液體作為介質(zhì)，重力儲(chǔ)能使用固體（重力塊）作為介質(zhì)，核心原理是利用地球重力場(chǎng)，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)將重物提升到較高的高度儲(chǔ)存能量，待需要時(shí)再通過(guò)重物下落的方式釋放儲(chǔ)存的能量，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。
目前，重力儲(chǔ)能主要分為塔式重力儲(chǔ)能、斜坡式重力儲(chǔ)能、豎井式重力儲(chǔ)能以及活塞式重力儲(chǔ)能。
這項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)具備多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，比如經(jīng)濟(jì)性較好，相比抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能，重力儲(chǔ)能的建設(shè)成本較低，在建的如東25MW/100MWh重力儲(chǔ)能全球首臺(tái)套示范項(xiàng)目，初步測(cè)算全生命周期度電平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本約0.3-0.4元，且進(jìn)一步降本空間較大。
安全性高、環(huán)境友好，由于其機(jī)械特性，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中幾乎不存在化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)的安全隱患，其提升模塊可利用粉煤灰、報(bào)廢的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等建造，在降低重力儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)成本的同時(shí)消納固廢垃圾，帶來(lái)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
選址無(wú)地域限制，不像抽水蓄能需要特定地理?xiàng)l件，重力儲(chǔ)能可以在更多樣化的地點(diǎn)部署。
長(zhǎng)壽命，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備主要由機(jī)械構(gòu)件和重力模塊構(gòu)成，項(xiàng)目耐久性好，技術(shù)系統(tǒng)壽命與建筑壽命一致，可達(dá)50年以上，接近甚至超過(guò)抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能。
能量轉(zhuǎn)換效率高，重力儲(chǔ)能與抽水蓄能的技術(shù)原理相近，目前已經(jīng)驗(yàn)證的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到75.3%，超過(guò)抽水蓄能，建設(shè)中的新型重力儲(chǔ)能技術(shù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到80%-85%。
響應(yīng)能力快，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供亞秒級(jí)的全功率響應(yīng)，對(duì)于電網(wǎng)的快速頻率響應(yīng)至關(guān)重要，尤其是在面對(duì)突發(fā)的電網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)。
大功率輸出，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供大功率輸出，這對(duì)于快速頻率響應(yīng)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗枰诙虝r(shí)間內(nèi)提供大量的能量來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)。
長(zhǎng)時(shí)性，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提供數(shù)小時(shí)至數(shù)天的儲(chǔ)能服務(wù)，這使得它在日間調(diào)節(jié)中可以存儲(chǔ)大量能量，以備不時(shí)之需。
基于以上優(yōu)點(diǎn)，重力儲(chǔ)能可以在清潔能源大基地、電網(wǎng)側(cè)調(diào)頻、分布式儲(chǔ)能、工商業(yè)儲(chǔ)能、退役火電機(jī)組替代、風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化、尾礦綜合治理等諸多場(chǎng)景中應(yīng)用。
圖為中國(guó)天楹江蘇如東100MWh重力儲(chǔ)能項(xiàng)目
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有項(xiàng)目共計(jì)8GWh
從政策力度、項(xiàng)目示范、國(guó)外應(yīng)用等方面看，近兩年，重力儲(chǔ)能正在多元化的儲(chǔ)能技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中嶄露頭角。
據(jù)CESA儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2024年10月底，國(guó)內(nèi)共28個(gè)重力儲(chǔ)能項(xiàng)目，總規(guī)劃達(dá)7.856GWh，計(jì)劃總投資超200億元。
其中，新增備案項(xiàng)目15個(gè)，達(dá)1.128GWh，占比14.36%；簽約/擬建項(xiàng)目9個(gè)，達(dá)6.06GWh，占比77.14%；開(kāi)工/在建項(xiàng)目4個(gè)，達(dá)668MWh，占比8.5%。
一個(gè)顯著的特點(diǎn)是，這28個(gè)項(xiàng)目中，容量百兆瓦時(shí)規(guī)模的共有17個(gè)，占比超過(guò)60%，國(guó)內(nèi)電力儲(chǔ)能領(lǐng)域代表企業(yè)中國(guó)天楹項(xiàng)目最多，共6個(gè)，規(guī)模超4.5GWh。
其中，計(jì)劃于今年年底并網(wǎng)的中國(guó)天楹江蘇如東100MWh重力儲(chǔ)能項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首個(gè)重力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用示范項(xiàng)目、全球首個(gè)百兆瓦級(jí)的重力儲(chǔ)能項(xiàng)目，項(xiàng)目采用重力儲(chǔ)能技術(shù)，建設(shè)一座長(zhǎng)120米、寬110米、高148米的儲(chǔ)能塔，利用重力塊做功發(fā)電。
中國(guó)天楹2022年和2024年還分別在內(nèi)蒙古烏拉特中旗和通遼市簽約了2個(gè)2GWh。
另外，由中電工程及所屬華北院建設(shè)的規(guī)模為360MW/1080MWh的河北張家口赤城縣重力儲(chǔ)能一體化項(xiàng)目在今年4月簽約落地，是全球首個(gè)豎井式重力儲(chǔ)能工程化應(yīng)用項(xiàng)目，在重力儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)單機(jī)功率世界第一、單模塊功率世界第一、單體項(xiàng)目裝機(jī)容量規(guī)模世界第一。
項(xiàng)目占地面積400畝，投資總額26億元，一期工程建設(shè)60MW/360MWh豎井式重力儲(chǔ)能，占地面積120畝，一期工程建成將成為規(guī)模最大的重力儲(chǔ)能電站。該項(xiàng)目已納入國(guó)家能源局新型儲(chǔ)能試點(diǎn)示范項(xiàng)目清單及全國(guó)新型儲(chǔ)能大數(shù)據(jù)平臺(tái)和國(guó)家有關(guān)重大工程項(xiàng)目庫(kù)。
政策層面看，對(duì)于重力儲(chǔ)能的支持方向愈發(fā)明確，力度也在加大。
2023年4月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委等11部門(mén)發(fā)布《碳達(dá)峰碳中和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》指出，儲(chǔ)能領(lǐng)域重點(diǎn)制修訂抽水蓄能標(biāo)準(zhǔn)，電化學(xué)、壓縮空氣、飛輪、重力、二氧化碳、熱（冷）、氫（氨）、超導(dǎo)等新型儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)安全管理與應(yīng)急處置標(biāo)準(zhǔn)。
2023年10月，國(guó)家能源局公布了第三批58個(gè)能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備（項(xiàng)目）名單，，其中儲(chǔ)能領(lǐng)域8個(gè)入選，涉及固態(tài)電池、飛輪儲(chǔ)能、液流電池、壓縮空氣、重力儲(chǔ)能以及3S融合新型儲(chǔ)能系統(tǒng)、高壓級(jí)聯(lián)直掛式儲(chǔ)能系統(tǒng)。
2023年12月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2024年本）》，新型電力系統(tǒng)技術(shù)及裝備包括電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、氫（氨）儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能等各類新型儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用。
2024年3月，國(guó)家發(fā)改委關(guān)于印發(fā)《綠色低碳先進(jìn)技術(shù)示范項(xiàng)目清單（第一批）》的通知，國(guó)能宿州熱電有限公司實(shí)施的100MWh重力儲(chǔ)能示范項(xiàng)目納入其中。
國(guó)外技術(shù)應(yīng)用方面，全球重力儲(chǔ)能領(lǐng)域領(lǐng)先的兩家公司，Energy Vault 和 Gravitricity 重力儲(chǔ)能項(xiàng)目于 2021 年率先落地商用。
今年以來(lái)，國(guó)際市場(chǎng)也迎來(lái)了GWh級(jí)別的重力儲(chǔ)能項(xiàng)目，前不久，澳大利亞重力儲(chǔ)能初創(chuàng)廠商Green Gravity公司啟動(dòng)在昆士蘭州西北部地區(qū)開(kāi)發(fā)2GWh重力儲(chǔ)能項(xiàng)目研究，11月初，該公司獲得了900萬(wàn)澳元資金，用于完成其基于重力儲(chǔ)能技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
規(guī)模應(yīng)用仍需克服多個(gè)挑戰(zhàn)
盡管重力儲(chǔ)能的前景光明，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究仍處于探索階段，項(xiàng)目應(yīng)用多處于在建、擬建階段，大規(guī)模應(yīng)用面臨不小挑戰(zhàn)。
今年8月，由深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)指導(dǎo)，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)與南方科技大學(xué)碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)與新型儲(chǔ)能技術(shù)青年科學(xué)家論壇在深圳召開(kāi)。
中國(guó)電力顧問(wèn)工程集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院重力儲(chǔ)能公司副總工程師史沁鵬以《重力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展與工程應(yīng)用》為題進(jìn)行了演講。
他認(rèn)為，在當(dāng)前新型電力系統(tǒng)建設(shè)的背景下，重力儲(chǔ)能作為一種長(zhǎng)時(shí)、大容量、安全性高、具有構(gòu)網(wǎng)特性的儲(chǔ)能形式，因地制宜建設(shè)，可為新型儲(chǔ)能發(fā)展開(kāi)辟新的方向，尤其適合為“沙戈荒”大基地可再生能源的大規(guī)模消納提供支撐。
他還認(rèn)為，規(guī)模化重力儲(chǔ)能電站最大的技術(shù)難點(diǎn)是能量密度低，能量密度和轉(zhuǎn)換效率都與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)低；另外，重力儲(chǔ)能是離散化的物理場(chǎng)景，和電力系統(tǒng)的大容量以及連續(xù)性的需求存在矛盾；作為一種機(jī)械系統(tǒng)，運(yùn)行本身具有不確定性，和電力系統(tǒng)要求的確定性是根本性的矛盾。
他表示，要解決上述矛盾，要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，從0到1建立對(duì)應(yīng)關(guān)系聚焦對(duì)象，搭建效率、投資水平等關(guān)鍵指標(biāo)的模型，從而優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工藝程度和損耗等指標(biāo)。
另外，目前，重力儲(chǔ)能沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈，要工程化落地的相關(guān)解決方案以及供應(yīng)鏈。
還有，在當(dāng)前沒(méi)有成型的設(shè)備和工程的情況下，為了降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，要?jiǎng)?chuàng)新一些新的設(shè)計(jì)手段，進(jìn)行仿真分析和虛擬調(diào)試，從而優(yōu)化技術(shù)方案，降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。
對(duì)于未來(lái)重力儲(chǔ)能的發(fā)展方向，史沁鵬認(rèn)為，首先是進(jìn)行工程化、商業(yè)化的運(yùn)行示范；其次是要針對(duì)新型電力系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的高轉(zhuǎn)換效率，高經(jīng)濟(jì)性和構(gòu)網(wǎng)要求，在大單機(jī)容量、大能量通道密度、超大落差構(gòu)建路徑和超大型配套裝備，以及系統(tǒng)集成方面進(jìn)行一些研究。
