中國儲能網(wǎng)訊：重力儲能雖然聽起來很新穎，但實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，占了當前全球儲能總?cè)萘康?0%左右。但是通過搬磚、運砂石、吊重物儲能還是一種只有腦洞大開的人才能想到的場景，當前來看這種新型重力儲能的應用之光正在照入現(xiàn)實。 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)進行高度或壓力的升降來實現(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)電機的電流等參數(shù)進行控制以實現(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車和纜車兩種型式：
軌道機車儲能方案包括上下坡軌道、重裝機車等。儲電時，利用余電將推動高效電機將機車推至坡頂“車站”，電能儲存為重力勢能；發(fā)電時，釋放機車下坡，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86%。系統(tǒng)具備快速響應能力，最快5秒完成充電，25秒可完成放電，系統(tǒng)壽命達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、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，如此進行儲存和釋放電能。豎井儲能使用壽命在50年左右，響應速度快。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的概念，白天利用太陽輻射多余的能量使飛機向上爬升，晚上飛機利用無動力滑翔繼續(xù)飛行，通過對太陽能飛機的重力儲能和傳統(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的續(xù)航性能。
圖5 重力儲能式太陽能飛機示意圖
當前儲能的型式百花齊放，包括電化學、化學、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來對重力儲能電站和其他儲能電站進行指標橫向比較。
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儲能，在放電時長方面可實現(xiàn)與抽水蓄能相同的長時應用，平均壽命也達到30~35年的較高水平，重力儲能技術(shù)很有潛力，可以與當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械運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性方面。根據(jù)技術(shù)指標和項目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：
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適應性強，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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當然，作為一項仍在快速發(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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同樣大量機械設(shè)備的間歇性運行及機械運行影響了單體發(fā)電的穩(wěn)定性。
儲能作為一項剛剛完成蛻變落地不久的技術(shù)，當前已經(jīng)有了一定的應用，但無論從實驗數(shù)據(jù)還是項目運行上，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潮已經(jīng)刮起，抓住先機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
