中國儲能網(wǎng)訊：在“雙碳”目標背景下，中國能源正在轉(zhuǎn)型，能源結(jié)構(gòu)將以可再生能源為主力。而可再生能源具有天然的隨機性、間歇性與波動性，在新型電力系統(tǒng)中，往往存在著供應和需求的時間性和地域性差異。大規(guī)模儲能是解決可再生能源儲存利用的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)置儲能電站是提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性、提高能源利用率的有效途徑。按照儲能方式的不同，儲能可以劃分為機械類、電氣類、電化學、熱儲能和氫儲能。其中機械類儲能包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能等。
抽水蓄能是裝機規(guī)模最大的儲能技術(shù)[1]，目前發(fā)展最為成熟，成本最低。通常，除抽水蓄能外的其他儲能統(tǒng)稱為新型儲能技術(shù)。隨著鋰離子電池技術(shù)日趨成熟，電化學已成為應用范圍最為廣泛的儲能技術(shù)。以飛輪、壓縮空氣為代表的機械儲能技術(shù)也攻克了各方面的技術(shù)瓶頸，正在加快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。機械儲能中的重力儲能有較多的技術(shù)方向，均處于技術(shù)研發(fā)階段。
物料搬運儲能是重力儲能的研究方向之一，是通過帶式輸送機輸送散狀固體物料方式實現(xiàn)電能-重力勢能-電能相互轉(zhuǎn)化，以豐富機械儲能實現(xiàn)方式，為儲能技術(shù)廣闊應用提供新技術(shù)。
1 技術(shù)原理和系統(tǒng)構(gòu)成
物料搬運儲能技術(shù)是一種新型的儲能技術(shù)，借鑒了抽水儲能技術(shù)理念，同樣利用自然地形高差條件，不同在于采用上、下料場和連接料場的雙向運行的帶式輸送機組成封閉系統(tǒng)，并循環(huán)往復地在上、下料場之間搬運固體散狀物料，進行電能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)儲能和發(fā)電功能，屬于機械儲能的重力儲能分類。
這種新型物料搬運儲能技術(shù)不受水資源條件限制、也不受高寒、高海拔等環(huán)境因素的限制，選址范圍較廣。
物料搬運儲能技術(shù)利用自然落差大于300 m、自然坡度10°～30°左右的帶狀坡地，如圖1所示，在上、下料場之間通過雙向運行的帶式輸送機搬運固體散狀物料，來實現(xiàn)儲能和發(fā)電功能。
圖1 物料搬運儲能技術(shù)
物料搬運儲能技術(shù)通過主帶式輸送機，從下方低海拔處的下料場向上運輸至上方高海拔處的上料場。在這個過程中，如圖2所示，系統(tǒng)從電網(wǎng)取電，通過主帶式輸送機的運輸，將物料從下料場搬運到上料場儲存，此時，電能轉(zhuǎn)化為重力勢能Ep=MgH，并儲存起來。發(fā)電工況時，物料通過主帶式輸送機，從上料場下運至下料場。在這個過程中，主輸送機驅(qū)動裝置為發(fā)電機狀態(tài)，系統(tǒng)將重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，輸送給電網(wǎng)實現(xiàn)發(fā)電。
單元制物料搬運儲能系統(tǒng)的額定發(fā)電功率一般為10MW到26MW，根據(jù)需求和項目地理條件可以適當調(diào)整。
2 運行方式
目前，我國各地普遍按日劃分峰、平、谷時段，即將一天24 h劃分為用電高峰、用電平段、用電低谷三個時段，執(zhí)行峰谷分時電價。各地比較普遍的分時段劃分情況為：峰、平、谷時段每個時段均為8h。
2021年7月26日，國家發(fā)展改革委發(fā)改價格〔2021〕1093號《國家發(fā)展改革委關(guān)于進一步完善分時電價機制的通知》[2]，通知要求完善峰谷電價機制、建立尖峰電價機制，健全季節(jié)性電價機制?！昂侠泶_定峰谷電價價差，上年或當年預計最大系統(tǒng)峰谷差率超過40%的地方，峰谷電價價差原則上不低于4∶1；其他地方原則上不低于3∶1”。
根據(jù)通知要求，各省正逐步出臺配套政策。大多數(shù)省份峰段電價以平段電價為基礎(chǔ)上浮50%，谷段電價以平段電價為基礎(chǔ)下浮50%；尖峰電價在高峰時段電價基礎(chǔ)上上浮10%～25%。物料搬運儲能技術(shù)的工程應用可按以下運行方式：每日低谷時段從電網(wǎng)取電進行儲能運行，每日高峰時段發(fā)電運行回饋電網(wǎng)。
3 儲能轉(zhuǎn)化效率
儲能系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過程中存在能量損失，儲能轉(zhuǎn)化效率體現(xiàn)了從電網(wǎng)取電的利用程度，反映了儲能搬運系統(tǒng)的能量損失情況，是儲能系統(tǒng)中衡量電量轉(zhuǎn)化效率的一個重要指標，也是評價一種儲能技術(shù)的關(guān)鍵指標，如圖3所示。
物料儲能搬運系統(tǒng)的上、下料場均需要有輔助的料場設(shè)備，將物料從料場轉(zhuǎn)運到主帶式輸送機上，或從主輸送機轉(zhuǎn)運到料場，以及將物料在料場進行堆料和取料，整個料場搬運的工藝過程均會消耗能量，降低轉(zhuǎn)化效率。
物料搬運儲能系統(tǒng)的儲能轉(zhuǎn)化效率是指完成一次充放電循環(huán)后，主帶式輸送機實際發(fā)電功率與系統(tǒng)充電消耗功率的比值。
主帶式輸送機實際發(fā)電功率是指主輸送機發(fā)電功率扣除下運發(fā)電工況時輔助系統(tǒng)設(shè)備消耗功率后的凈輸出功率；系統(tǒng)充電消耗功率是指上運儲能運行(充電)工況下主輸送機和全部輔助系統(tǒng)設(shè)備消耗功率總和。
物料搬運儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率計算式如下：
式中：ηs為系統(tǒng)儲能轉(zhuǎn)化效率；PD為下運主輸送機發(fā)電功率，kW；PDC為下運輔助系統(tǒng)耗電功率，kW；PU為上運主輸送機耗電功率，kW；PUC為上運輔助系統(tǒng)耗電功率，kW；T1為下運發(fā)電總運行時間，h；T2為上運儲能總運行時間，h。
上式可知，物料搬運儲能系統(tǒng)的儲能轉(zhuǎn)化效率主要由主帶式輸送機轉(zhuǎn)化效率和輔機消耗功率決定。提高主帶式輸送機轉(zhuǎn)化效率、降低輔助系統(tǒng)設(shè)備的能量消耗將提高整個系統(tǒng)的儲能轉(zhuǎn)化率。
在整個物料儲能搬運系統(tǒng)中，電能轉(zhuǎn)化為重力勢能Ep=MgH，并儲存起來，其中g(shù)為重力加速度是一個定值。在搬運物料的質(zhì)量M和提升高度H對儲能轉(zhuǎn)化效率均具有重要影響。在當前的工業(yè)水平和技術(shù)條件下，M的增加會更加顯著地增加投資。而質(zhì)量M一定時，增大提升高度H將大大提高儲能轉(zhuǎn)化效率。主帶式輸送機的膠帶采用扯斷強度ST10000的膠帶時，上、下料場高差極限約為400 m。當提升高度H超出400 m時，可采用2條主帶式輸送機接力運輸?shù)姆绞剑嵘叨菻可加大到800 m左右，這將大大提高儲能轉(zhuǎn)化效率。
當?shù)貏莺０慰偢叨炔钶^大時，采用2條主輸送機接力運輸時(二段接力)，以及采用3條主輸送機接力運輸時(三段接力)，儲能轉(zhuǎn)化效率曲線圖如圖4所示。
由圖4可知，隨提升高度H增加，儲能搬運系統(tǒng)的儲能轉(zhuǎn)化效率增加較為顯著。無論采用二段接力運輸，還是采用三段接力運輸，由于料場系統(tǒng)是不變的，即料場功率損耗的絕對值是固定，因此，儲能轉(zhuǎn)化效率將越來越趨近于主帶式輸送機設(shè)備本體的轉(zhuǎn)化效率。
4 工程應用
4.1 單元發(fā)電機組模塊
物料搬運儲能電站按13 MW級儲能發(fā)電機組容量設(shè)置單元制發(fā)電機組。工程應用中，可根據(jù)電網(wǎng)的實際需求和可再生能源發(fā)電的實際情況，在單元制發(fā)電機組中進行選擇和組合，構(gòu)建最優(yōu)化的物料搬運儲能電站。
發(fā)電主帶式輸送機采用ST10000的膠帶時，相應的發(fā)電機組模塊化配套設(shè)置如圖5所示。
模塊1單主機1×13 MW級儲能發(fā)電機組單元，采用1臺主帶式輸送機，提升高度H(上、下料場高差)400 m。1臺主帶式輸送機雙向可逆運行，每日低谷時段上運儲能運行8 h，每日高峰時段下運發(fā)電運行6.4 h，儲能容量83.2 MWh。
模塊2雙主機2×13 MW的儲能發(fā)電機組單元，在模塊1的基礎(chǔ)上，采用2臺主帶式輸送機接力運輸?shù)姆绞?，總提升高?上、下料場高差)約800 m。每臺主輸送機均為雙向可逆運行，每日低谷時段上運儲能運行8 h，每日高峰時段下運發(fā)電運行6.4 h，雙主機同時運行，儲能容量166.4 MWh。經(jīng)研究，單套發(fā)電功率為13～26 MW的物料搬運儲能電站，其儲能轉(zhuǎn)化效率達到59.0%～66.4%，度電成本為0.29～0.46元。當采用4×13 MW配置時，儲能轉(zhuǎn)化效率最高可達69.7%。
4.2 儲能電站應用站址
物料搬運儲能技術(shù)選址條件受限較小。和抽水蓄能選址條件苛刻，壓縮空氣儲能需要依靠天然鹽穴儲氣才能降低成本相比，物料搬運儲能技術(shù)只要求有高差的地理條件即可，對地質(zhì)和氣象條件沒有特殊的要求，基本上山區(qū)地形均可滿足，對高海拔、高寒、干旱的地理環(huán)境適應性強。同時，物料搬運儲能技術(shù)的運行對周邊環(huán)境和小氣候基本無影響。
4.2.1 有高差的山區(qū)坡地
物料搬運儲能技術(shù)適應于落差＞300 m，自然坡度約10°～20°左右的山區(qū)坡地，用地為帶狀且面積不大。我國地形類型復雜多樣，山區(qū)廣泛分布，面積廣大，山地眾多，能夠滿足物料搬運儲能技術(shù)需要的適宜場地很容易獲得。
選址可因地制宜，合理利用地形和地質(zhì)條件，主帶式輸送機采用沿山脊布置或沿側(cè)坡布置的方式。
4.2.2 依托山區(qū)風力和光伏發(fā)電站
各地利用山地大量建設(shè)山區(qū)風力、光伏發(fā)電站，為物料搬運儲能技術(shù)的選址應用提供了良好的條件，本技術(shù)可依托風力、光伏發(fā)電站選址建設(shè)。新能源配套建設(shè)儲能項目也是未來能源建設(shè)的趨勢之一。
4.2.3 利用廢棄礦坑
我國是世界第三大礦業(yè)大國，全國擁有各類型礦山約15萬多座，礦產(chǎn)種類包括煤炭、鉆石、鐵、銅、鎢、云母、高嶺土、湖鹽、巴林石、大理石等等。這些礦山隨著19世紀和20世紀工業(yè)時代的大量開采，以逐步進入成熟期或衰退期，因資源枯竭而被廢棄的礦坑也越來越多。大多數(shù)礦坑經(jīng)過多年的挖掘，形成露天凹陷的大坑或深陷的盆地。
廢棄的礦坑不僅產(chǎn)生環(huán)境污染，還容易導致地質(zhì)災害，產(chǎn)生安全隱患。國土資發(fā)[2008]154號《關(guān)于加強廢棄礦井治理工作的通知》，要求各地行政主管部門組織開展本地區(qū)廢棄礦井治理規(guī)劃的編制，推進廢棄礦井治理工作，建立廢棄礦井治理的長效機制，健全并落實礦山環(huán)境治理和生態(tài)恢復的責任機制。目前各地均有實施廢棄礦坑治理、地質(zhì)環(huán)境恢復、廢棄礦坑整合利用等多種類型的廢棄礦井治理工程。物料搬運儲能技術(shù)的上下料場可利用廢棄礦坑進行堆料。從礦坑底部加載物料后延隧道輸送到主帶式輸送機上。這種廢棄的露天礦坑在開采石料、石灰石的半山或山頂比較常見。
5 與同類技術(shù)對比分析
物料搬運儲能作為一種利用重力勢能的全新儲能型式，與抽水蓄能和壓縮空氣儲能均屬于機械儲能。目前應用較多的電儲能方式主要集中在以抽水蓄能、壓縮空氣儲能為代表的機械儲能和以鋰電池為代表的電化學儲能。各類儲能均具有獨特屬性，適用于不同的應用場景。
1)物料搬運儲能有較長儲能放電時間4～6.4 h，和壓縮空氣儲能、抽水蓄能相當，適合長時儲能，高于電化學儲能的2～4 h。
2)物料搬運儲能電站的單體容量13～26 MW，較為適中，可靈活配置。而抽水蓄能電站裝機容量大，一般在100 MW以上。
3)物料搬運儲能壽命長(超過30 a)，長期儲能能力基本不變，不會衰減。電化學儲能壽命較短，為2 000～10 000次充放電。
4)選址條件受限較小，對地質(zhì)和氣象條件沒有特殊要求。抽水蓄能選址條件苛刻，受水資源和氣象條件限制；壓縮空氣儲能受鹽穴和人工硐室選址條件的限制；而物料搬運儲能基本上只要求有高差的地理條件即可，國內(nèi)山區(qū)地形均可滿足要求。
5)物料搬運儲能安全性高，易維護。
6)作為儲能介質(zhì)的固體散料可就地取材，適應性強；儲能介質(zhì)基本不會損耗，特別適合長時儲能。
7)建設(shè)周期短12個月，和電化學儲能相當，低于壓縮空氣儲能和抽水蓄能。同時其占地較少、對生態(tài)影響較小。
8)物料搬運儲能的轉(zhuǎn)化效率59%～66.4%和壓縮空氣儲能相當，略低于抽水蓄能和電化學儲能。
9)電化學儲能的初投資優(yōu)勢明顯，其單位功率成本遠低于其他幾個儲能型式。由于電化學儲能壽命短，放電時間短，其度電成本依然略高于其他幾個儲能型式。物料搬運儲能的度電成本0.29～0.46元略高于抽水蓄能，低于電化學和壓縮空氣儲能。
6 結(jié)語
物料搬運儲能技術(shù)作為一種全新的儲能技術(shù)，目前尚處于孵化和應用試點落地階段，相對于其他主流的儲能型式，有其獨特的應用場景，具備技術(shù)優(yōu)勢和規(guī)?；l(fā)展?jié)摿?，結(jié)合峰谷電價、電量套利空間及各項政策支持，在適宜的建設(shè)場景和商業(yè)模式下，具備盈利和技術(shù)升級空間。隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，該技術(shù)形成規(guī)模效應后，其各項指標和競爭力有望得到逐步提高，并在新型儲能應用場景中占有一席之地。
