重力儲能的原理與抽水蓄能電站的原理相似。它主要依靠重力產(chǎn)生勢能來儲存能量。這是最簡單的儲能方法。本文將為您介紹重力儲能的原理、分類及應用場景。

 

重力儲能原理

重力儲能屬于機械儲能，其儲能介質主要為固體物質和水。重力儲能的基本原理是根據(jù)高度差升降儲能介質，從而完成儲能系統(tǒng)的充放電過程。

● 當水用作重力儲能介質時，儲能系統(tǒng)可以使用具有更好密封性能的管道、豎井和其他結構。水介質最大的局限性是其靈活性和儲能能力將受到水源和地形的極大限制；

● 當使用固體材料作為介質時，固體重材料需要選擇密度更高的材料，如金屬、水泥、石砂等，以達到相對較高的能量密度。新的重力儲能將通過多種途徑實現(xiàn)。

19世紀末，出現(xiàn)了抽水蓄能電站；重力儲能在中國的應用相對較晚，1968年建成了第一座小型混合式抽水蓄能電站。目前，根據(jù)儲能介質和落差路徑的不同，有各種重力儲能方案：基于抽水蓄能、基于結構高差、基于山體落差、基于地下豎井。

 

 

重力儲能技術分類

重力儲能技術主要包括活塞式重力儲能、懸浮式重力儲能量、混凝土塊儲能塔、山地重力儲能等重力儲能發(fā)電技術。

 

活塞重力儲能

加州重力發(fā)電公司提出的活塞式重力儲能是以抽水蓄能機組為基礎，利用軸內的重型活塞代替水體進行儲能。當功率充足時，水泵和渦輪機將水抽壓，以提升重物的活塞來儲存能量，即水體不直接儲存能量；

發(fā)電時，重量活塞下降，其勢能轉移到水流中，由水泵水輪機轉化為機械能，驅動發(fā)電機工作。與同等勢能的抽水蓄能電站相比，活塞式重力儲能發(fā)電技術可以降低施工高度，減少對地理條件和水資源的依賴，便于電站選址和布局。

 

 

懸浮式重力儲能

蘇格蘭Gravitricity公司提出了一種利用廢棄鉆井平臺和絞盤鉆機進行能量儲存的機制。他們使用廢棄的鉆井平臺和礦井，在150-1500米長的井中反復升降16米長、500-5000噸的鉆機。

通過電動絞車，在功耗較低時將鉆機拉到廢棄礦井，在功耗達到峰值時將鉆機直線下降，從而“釋放”儲存的能量，系統(tǒng)可以控制重物的下降速度來改變發(fā)電時間和發(fā)電量。該公司聲稱，該系統(tǒng)可以在一秒鐘內做出反應，使用壽命長達50年，效率高達90%。

 

 

混凝土砌塊儲能塔

Gravitricity認為，先進的絞車和控制系統(tǒng)可以使其足夠靈活，在1秒內快速響應，以滿足電網(wǎng)峰值需求。Energy Vault提出了一種基于混凝土塊儲能塔的重力儲能發(fā)電方案。據(jù)說該項目將運行30至40年，成本將是現(xiàn)有電網(wǎng)規(guī)模電池存儲解決方案成本的一半。

當電力充足時，起重機將混凝土砌塊從地面吊起，像積木一樣堆放起來，將能量轉化為混凝土砌塊塔的勢能，即儲能階段；當需要發(fā)電時，混凝土塊按順序下落，以釋放重物的勢能并將其轉化為電能。

 

 

山地重力儲能

IIASA Research提出的山地重力儲能（MGES）主要利用陡峭山區(qū)的地形，通過砂石的勢能儲能。當電力充足時，使用類似滑雪升降機的電力系統(tǒng)，將裝滿沙子和礫石的集裝箱提升到山頂儲存；

在用電高峰期，砂石通過重力從頂部輸送到地面，并釋放砂石的勢能來發(fā)電。該研究所認為，與最好的可充電電池鋰電池儲能系統(tǒng)相比，山地重力儲能系統(tǒng)是一種持續(xù)時間更長、規(guī)模更大的儲能方法。

山地重力儲能看似簡單易行，但所使用的纜車系統(tǒng)的效率不易提高，儲能發(fā)電系統(tǒng)的綜合效益可能并不理想，需要開發(fā)相關的技術解決方案。

 

重力儲能的優(yōu)點和缺點

 

優(yōu)點

● 原理簡單，技術門檻低；同時，由于采用物理介質儲能，其儲能效率高達90%，輸出功率從0提高到100%僅需2.9秒，使用壽命超過30年；

● 而且不需要像抽水蓄能電站那樣對選址提出更高的要求，所以它的建設成本只有抽水蓄能的三分之一，每千瓦時的成本只有抽水蓄電的三分之二。

● 純物理儲能，安全性高，環(huán)境友好。

重力儲能在重物運輸、勢能儲存、機械能發(fā)電等工作過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。

 

 

● 環(huán)境適應性強，適合“分布式”儲能。

對重物的儲存、運輸和發(fā)電沒有特殊的條件和要求。因此，重力儲能電站基本不存在選址、天氣限制等外部條件。

應用非常靈活，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要在電網(wǎng)側和供電側實現(xiàn)靈活布局。

● 發(fā)電循環(huán)壽命長，成本低。

重物主要由混凝土或當?shù)夭牧现瞥?，或使用其他可回收材料，可回收?shù)十年，運行過程中重物損失較小。如果材料使用得當，重物的成本可以大大降低。

● 時間長，無自放電問題。

重力儲能電站的上下倉庫相對容易擴建，在儲存重物勢能的過程中不會有損失。它具有長期儲能的便利性和固有優(yōu)勢。

 

缺點

能源密度低，建設規(guī)模過大。重力儲能所需的平均高塔超過100米，其輸出功率僅相當于同等高度的風力渦輪機；此外，這項技術對塔式起重機的精度要求非常高。一根幾十米長的電纜需要制作5000塊磚，每塊磚的位置誤差小于幾毫米；

每座塔需要數(shù)千個水泥塊，而澆筑水泥塊需要排放大量二氧化碳。

 

 

重力儲能技術應用場景

●退役火電廠選址

重力儲能技術中重物的垂直提升占地面積小，位置選擇靈活，由于其電力基礎設施，退役的火力發(fā)電廠可能是其首選位置之一。

●壓縮空氣儲能+電化學儲能協(xié)同效應

重力儲能作為長期儲能，與壓縮空氣儲能技術、電化學儲能（如三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池）等短期儲能具有良好的互補性和協(xié)同性。

●尾礦綜合治理

利用尾礦渣制造重力模塊，可以解決尾礦渣處理和重力儲能（單元模塊）原料問題，降低建設成本，同時取得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

●風力渦輪機葉片的再利用

預計到2025年，我國退役風機葉片數(shù)量將達到8112噸。報廢浪潮和處理退化的新工藝的需要使退役風電場的回收成為當務之急。

●零碳城市無人農業(yè)概念

重力儲能樓高約30層，中間9-22層多為閑置空間。利用這些空間，可以建造無人農業(yè)和智能蔬菜工廠，以及松茸、苜蓿和其他高附加值作物，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。

●數(shù)據(jù)中心概念

同樣，在重力儲能建筑的空置樓層上建造數(shù)據(jù)中心，可以解決數(shù)據(jù)中心高功耗的清潔電源問題，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供新思路。

 

 

●風能和太陽能儲氫與氨的集成

以重力儲能為核心，將風電和光伏發(fā)電轉化為穩(wěn)定的能源，用于生產(chǎn)綠色氫氣，通過氫氣制氨進一步解決氫氣的儲存和運輸問題。

為該地區(qū)帶來可持續(xù)、穩(wěn)定和不斷增長的經(jīng)濟社會效益，實現(xiàn)資源價值最大化。

●CO2儲存

重力儲能裝置可以利用其長壽命和廣泛的重力模塊材料來源，為二氧化碳封存提供有利條件。利用碳封存技術可以實現(xiàn)長期甚至永久的二氧化碳封存。

 

重力儲能的未來

盡管剛剛完成的重力儲能技術具有許多誘人的商業(yè)前景，但其實用性仍有待數(shù)據(jù)證明。

今后還需要改變和改進現(xiàn)有技術指標中的不足。隨著傳統(tǒng)能源逐漸退出歷史舞臺，中國決心實現(xiàn)“雙碳”目標，重力儲能可能成為下一個風口。