中國儲能網(wǎng)訊：重力儲能雖然聽起來很新穎，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，我們100多年來一直在使用重力來儲能，而且重力儲能還是人類主動儲能的最主要型式，占了當(dāng)前全球儲能總?cè)萘康?0%左右。但是通過搬磚、運(yùn)砂石、吊重物儲能還是一種只有腦洞大開的人才能想到的場景，當(dāng)前來看這種新型重力儲能的應(yīng)用之光正在照入現(xiàn)實(shí)。 按照傳統(tǒng)分類，重力儲能是一種物理儲能，通過對儲能介質(zhì)進(jìn)行高度或壓力的升降來實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。根據(jù)介質(zhì)不同，分為液體介質(zhì)儲能系統(tǒng)和固體介質(zhì)儲能系統(tǒng)。固體介質(zhì)儲能系統(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)儲能系統(tǒng)是基于高度差或壓力差，通過水閥、電動發(fā)電機(jī)的電流等參數(shù)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)充放電過程。
圖1 重力儲能能量轉(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)車儲能方案包括上下坡軌道、重裝機(jī)車等。儲電時，利用余電將推動高效電機(jī)將機(jī)車推至坡頂“車站”，電能儲存為重力勢能；發(fā)電時，釋放機(jī)車下坡，重力勢能轉(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)車儲能系統(tǒng)單站容量可在100-3000MW，儲能時長2-24小時，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 軌道重力儲能示意圖
纜車儲能解決方案最早在2019年提出，由陡峭山坡、起重機(jī)、儲存容器（可以裝砂石或水）、電纜等組成。儲電時利用余電驅(qū)動發(fā)動機(jī)將裝滿砂石的纜車從山坡底部移動到頂部，電能轉(zhuǎn)化為勢能。發(fā)電時將纜車從山坡頂部下降到底部，勢能轉(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存容器，可以實(shí)現(xiàn)長時儲能，連續(xù)存儲能量數(shù)月，有關(guān)公開數(shù)據(jù)顯示儲能容量可達(dá)到0.5-20MWh，發(fā)電功率500~5000kW。
圖3 纜車重力儲能示意圖
2016年業(yè)界提出豎井儲能解決方案，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，通過電動絞盤或其他傳動設(shè)備，先將重物拉到豎井上方，需要用電時再讓重物放下，如此進(jìn)行儲存和釋放電能。豎井儲能使用壽命在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?，儲能容量可自由配?-20MW，輸出持續(xù)時間15分鐘-8小時。 
圖4 豎井重力儲能示意圖
這種方案被形象的稱為“搬磚儲能”，采用人工構(gòu)筑物的高度差、利用提升傳動或電梯等提升設(shè)備來儲存和釋放電力?？稍偕茉窗l(fā)電高時，將磚塊重物“搬”到高處，將勢能存儲起來，當(dāng)需要電時控制磚塊下降，將動能釋放回電網(wǎng)。
重力儲能還包括海下儲能、活塞式儲能等型式。另外業(yè)內(nèi)還提出了一種重力儲能式太陽能飛機(jī)的概念，白天利用太陽輻射多余的能量使飛機(jī)向上爬升，晚上飛機(jī)利用無動力滑翔繼續(xù)飛行，通過對太陽能飛機(jī)的重力儲能和傳統(tǒng)電池儲能兩種儲能的等價性研究，結(jié)果表明在初始高度較低且太陽輻射時間較短的情況下，利用重力儲能技術(shù)能大大提高太陽能飛機(jī)的續(xù)航性能。
圖5 重力儲能式太陽能飛機(jī)示意圖
當(dāng)前儲能的型式百花齊放，包括電化學(xué)、化學(xué)、熱儲能、物理儲能、氫儲能等多種類型，每種儲能類型有多種型式，如物理儲能除了抽水蓄能外，還包括飛輪儲能、壓縮空氣等多種型式，那么新型重力儲能與其他儲能型式相比有什么優(yōu)勢和劣勢呢？下表為一個公開資料中從成本投入、度電成本和使用壽命等指標(biāo)來對重力儲能電站和其他儲能電站進(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，重力儲能的成本低于電化學(xué)儲能，在放電時長方面可實(shí)現(xiàn)與抽水蓄能相同的長時應(yīng)用，平均壽命也達(dá)到30~35年的較高水平，重力儲能技術(shù)很有潛力，可以與當(dāng)前成熟的各類儲能技術(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，重力儲能的優(yōu)勢總結(jié)起來主要是以下幾點(diǎn)：
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適應(yīng)性強(qiáng)，對建設(shè)環(huán)境要求不高。
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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。
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當(dāng)然，作為一項(xiàng)仍在快速發(fā)展中的技術(shù)，重力儲能也具有明顯的劣勢，主要有以下幾個方面：
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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技術(shù)成熟而改善。而目前隨著雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)對儲能的需求日益明確，很多國內(nèi)外企業(yè)對重力儲能都在關(guān)注或入場布局，新型重力儲能項(xiàng)目落地也將在不久后到來。新技術(shù)開拓者們都在不停地為這座大廈砌起塊塊磚石。重力儲能帶來的一股世界風(fēng)潮已經(jīng)刮起，抓住先機(jī)可能就意味著將贏得未來的儲能市場。
圖6 新型重力儲能研究示意圖
