重力儲(chǔ)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(shì)能來(lái)儲(chǔ)存能量。這是最簡(jiǎn)單的儲(chǔ)能方法。本文將為您介紹重力儲(chǔ)能的原理、分類及應(yīng)用場(chǎng)景。

 

重力儲(chǔ)能原理

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

● 當(dāng)水用作重力儲(chǔ)能介質(zhì)時(shí)，儲(chǔ)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(jié)構(gòu)。水介質(zhì)最大的局限性是其靈活性和儲(chǔ)能能力將受到水源和地形的極大限制；

● 當(dāng)使用固體材料作為介質(zhì)時(shí)，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(dá)到相對(duì)較高的能量密度。新的重力儲(chǔ)能將通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)。

19世紀(jì)末，出現(xiàn)了抽水蓄能電站；重力儲(chǔ)能在中國(guó)的應(yīng)用相對(duì)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(chǔ)能介質(zhì)和落差路徑的不同，有各種重力儲(chǔ)能方案：基于抽水蓄能、基于結(jié)構(gòu)高差、基于山體落差、基于地下豎井。

 

 

重力儲(chǔ)能技術(shù)分類

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

 

活塞重力儲(chǔ)能

加州重力發(fā)電公司提出的活塞式重力儲(chǔ)能是以抽水蓄能機(jī)組為基礎(chǔ)，利用軸內(nèi)的重型活塞代替水體進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)功率充足時(shí)，水泵和渦輪機(jī)將水抽壓，以提升重物的活塞來(lái)儲(chǔ)存能量，即水體不直接儲(chǔ)存能量；

發(fā)電時(shí)，重量活塞下降，其勢(shì)能轉(zhuǎn)移到水流中，由水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。與同等勢(shì)能的抽水蓄能電站相比，活塞式重力儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)可以降低施工高度，減少對(duì)地理?xiàng)l件和水資源的依賴，便于電站選址和布局。

 

 

懸浮式重力儲(chǔ)能

蘇格蘭Gravitricity公司提出了一種利用廢棄鉆井平臺(tái)和絞盤鉆機(jī)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存的機(jī)制。他們使用廢棄的鉆井平臺(tái)和礦井，在150-1500米長(zhǎng)的井中反復(fù)升降16米長(zhǎng)、500-5000噸的鉆機(jī)。

通過(guò)電動(dòng)絞車，在功耗較低時(shí)將鉆機(jī)拉到廢棄礦井，在功耗達(dá)到峰值時(shí)將鉆機(jī)直線下降，從而“釋放”儲(chǔ)存的能量，系統(tǒng)可以控制重物的下降速度來(lái)改變發(fā)電時(shí)間和發(fā)電量。該公司聲稱，該系統(tǒng)可以在一秒鐘內(nèi)做出反應(yīng)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)50年，效率高達(dá)90%。

 

 

混凝土砌塊儲(chǔ)能塔

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

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

 

 

山地重力儲(chǔ)能

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

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

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

 

重力儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

 

優(yōu)點(diǎn)

● 原理簡(jiǎn)單，技術(shù)門檻低；同時(shí)，由于采用物理介質(zhì)儲(chǔ)能，其儲(chǔ)能效率高達(dá)90%，輸出功率從0提高到100%僅需2.9秒，使用壽命超過(guò)30年；

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

● 純物理儲(chǔ)能，安全性高，環(huán)境友好。

重力儲(chǔ)能在重物運(yùn)輸、勢(shì)能儲(chǔ)存、機(jī)械能發(fā)電等工作過(guò)程中不涉及化學(xué)反應(yīng)，運(yùn)行安全可靠。重力儲(chǔ)能發(fā)電清潔低碳，對(duì)自然環(huán)境影響小。

 

 

● 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合“分布式”儲(chǔ)能。

對(duì)重物的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和發(fā)電沒(méi)有特殊的條件和要求。因此，重力儲(chǔ)能電站基本不存在選址、天氣限制等外部條件。

應(yīng)用非常靈活，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要在電網(wǎng)側(cè)和供電側(cè)實(shí)現(xiàn)靈活布局。

● 發(fā)電循環(huán)壽命長(zhǎng)，成本低。

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

● 時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)自放電問(wèn)題。

重力儲(chǔ)能電站的上下倉(cāng)庫(kù)相對(duì)容易擴(kuò)建，在儲(chǔ)存重物勢(shì)能的過(guò)程中不會(huì)有損失。它具有長(zhǎng)期儲(chǔ)能的便利性和固有優(yōu)勢(shì)。

 

缺點(diǎn)

能源密度低，建設(shè)規(guī)模過(guò)大。重力儲(chǔ)能所需的平均高塔超過(guò)100米，其輸出功率僅相當(dāng)于同等高度的風(fēng)力渦輪機(jī)；此外，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)塔式起重機(jī)的精度要求非常高。一根幾十米長(zhǎng)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(gè)水泥塊，而澆筑水泥塊需要排放大量二氧化碳。

 

 

重力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

●退役火電廠選址

重力儲(chǔ)能技術(shù)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(chǔ)設(shè)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(chǔ)能+電化學(xué)儲(chǔ)能協(xié)同效應(yīng)

重力儲(chǔ)能作為長(zhǎng)期儲(chǔ)能，與壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、電化學(xué)儲(chǔ)能（如三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池）等短期儲(chǔ)能具有良好的互補(bǔ)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(chǔ)能（單元模塊）原料問(wèn)題，降低建設(shè)成本，同時(shí)取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

●風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的再利用

預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)退役風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量將達(dá)到8112噸。報(bào)廢浪潮和處理退化的新工藝的需要使退役風(fēng)電場(chǎng)的回收成為當(dāng)務(wù)之急。

●零碳城市無(wú)人農(nóng)業(yè)概念

重力儲(chǔ)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(wú)人農(nóng)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

●數(shù)據(jù)中心概念

同樣，在重力儲(chǔ)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(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供新思路。

 

 

●風(fēng)能和太陽(yáng)能儲(chǔ)氫與氨的集成

以重力儲(chǔ)能為核心，將風(fēng)電和光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的能源，用于生產(chǎn)綠色氫氣，通過(guò)氫氣制氨進(jìn)一步解決氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題。

為該地區(qū)帶來(lái)可持續(xù)、穩(wěn)定和不斷增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)資源價(jià)值最大化。

●CO2儲(chǔ)存

重力儲(chǔ)能裝置可以利用其長(zhǎng)壽命和廣泛的重力模塊材料來(lái)源，為二氧化碳封存提供有利條件。利用碳封存技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期甚至永久的二氧化碳封存。

 

重力儲(chǔ)能的未來(lái)

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

今后還需要改變和改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)中的不足。隨著傳統(tǒng)能源逐漸退出歷史舞臺(tái)，中國(guó)決心實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，重力儲(chǔ)能可能成為下一個(gè)風(fēng)口。