新型重力储能技术研究现状与发展趋势

赫文豪，李懂文，杨东杰，张万松，林春丹，王晓慧

(中国石油大学(北京) 油气光学探测技术北京市重点实验室，北京 102249)

随着全球对低碳目标的不断探索，为改善能源结构和重塑能源格局，国内外正努力推动新一轮能源技术革命的快速发展，逐步减小化石能源在能源结构中的占比，以谋求构建新的安全高效、绿色低碳、清洁环保的能源体系[1-4]。由于我国能源供应和能源需求呈逆向分布，风能主要集中在华北、西北、东北地区，太阳能主要集中在西部高原地区，而绝大部分的能源需求集中在人口密集、工业集中的中、东部地区，清洁能源技术与储能产业的健康发展，对于提高能量利用效率、增加可再生能源利用比例、保障国家能源安全和推动能源技术革命具有重大战略意义[1,4-8]。在“双碳”目标提出后，我国能源产业政策持续出炉，目标集中在可再生能源并网和电网侧电力辅助服务等领域，政策红利明显[9-13]。2021年以来储能相关政策频发出台，如《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》、《关于加快推动新型储能发展的指导意见》、《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》、《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》等，“十四五”期间，储能领域将以应用为导向，突破现有技术发展瓶颈，以高安全、长寿命、高效率、低成本、大规模、可持续发展等衡量指标评价储能技术的先进性与适用性[7,12,14]。以储能技术配置可再生能源已经成为能源趋势，同时西藏、新疆、青海、内蒙古、江苏、安徽、浙江、湖南、山东等省份皆陆续出台了激励政策[9]。

众多储能方法中，应用比较广泛的储能技术主要有电化学储能(如铅酸电池和锂电池)和重力储能(如抽水蓄能)，但电化学储能技术多应用于中小型能量应用场景，不仅能量储存能力有限，易造成环境污染，且电池使用寿命通常在几年之内，充放电次数有限，其电池储能能力还会随着时间不断下降，电池性能的老化甚至会引起安全事故[1,8,14-18]。相较而言，虽然重力储能方法储存能量密度较低，但重力储能方法具有储存容量大、充放电次数不受限制、储能稳定性高等优势，且无化学原料泄露和污染环境的风险。

1 重力储能技术发展现状

重力储能系统是当电网中电力富余时，驱动电机将重物移至高处，当电网中需要电力时再将重物重力势能转化为动能驱动发电机发电，具有储能容量大、清洁环保、原理简单、转化效率高、相应迅速、高安全、高寿命等优势，能够用于大规模可再生能源并网、电网侧电力辅助服务等长时段能源管理[10,19,20]。与风电等间歇性能源耦合利用后，重力储能技术可以根据电网需要有效平稳风电场整体供电性能，实现电网对风电场的调度，解决大规模电力峰谷问题[19]。

众多重力储能方法中，抽水蓄能是目前应用最广泛、技术最成熟的一种重力储能方法，通过水势能和电能的互相转化实现能量存储与释放，具有储电容量大(100～3 000 MW)、效率高(65～85%)、寿命长(40～60年)、储能周期不受限制(分钟级响应)等优点[1,3,21]。自1882年瑞士建造了国际第一座抽水蓄能站后，截止2020年，抽水蓄能总装机容量已经占领了全球储能装机总量的99%[22]。截至2020年底，我国抽水蓄能电站总装机容量3149万kW,在建规模5373万kW，是我国能源电力的中流砥柱[7,22,23]。经过长时间的探索与实践，抽水蓄能技术目前正不断朝着更大容量、更高效率、更高水头和智能化方向发展[3]。但抽水蓄能电站的建设严重依赖地理条件，特别是需要依靠当地丰富的水资源和地理高度差建造特定规模水库和水坝(如著名的中国三峡水电站工程)，建设规模大，建设成本高，且项目的规划审批流程随着政策的收紧日渐繁琐，建设周期长，限制了抽水蓄能技术的进一步发展[3,8,16,17,24-27]。为降低对自然地理资源的过度占用，近两年也有学者提出利用煤矿废弃井巷抽水蓄能，通过利用现有废弃井巷和矿井水资源，理论上不仅可以大幅度降低占地面积，也能够实现废弃矿井资源的二次利用和可再生能源电力的高效储能，但该系列研究仍处于理论验证阶段[28,29]。

为改进传统抽水蓄能技术对地理资源的严重依赖，一些学者提出了新型重力式储能方法，其基本原理是利用势能变化存储电能，以达到高效、低碳、经济和创造社会价值的目的[8,18,30-34]。同时，国外部分研究机构已经创新性地推出了多种新型重力储能技术，并取得了阶段性成果，例如瑞士Energy Vault公司设计的塔吊式重力储能电池、英国Gravitricity公司设计的矿井式重力储能电池、美国Ares公司设计的山地铁路式重力储能电池和美国Gravity Power公司设计的活塞式重力储能电池。相较于传统抽水蓄能技术，这些新型重力储能技术不仅可以完成10 s内放电响应，而且可以将能量转化效率提升至80～90%，并降低运营成本约30～60%[1,17,30]。

2 新型重力储能技术

2.1 重力活塞驱动式抽水蓄能技术

2019年前后，根据Heindl Energy重力储能模式，美国和德国等国家推出了重力活塞驱动式抽水蓄能技术，如美国加州Gravity Power公司和德国New Energy Let’s Go储能技术，皆是非高峰电力时通过提升活塞将水泵入活塞底部进行能量存储，当需要能量时松开重力活塞压迫水驱动电机工作释放能量[1,15-17,35]。

虽然该类型储能技术也是利用水力能量和涡轮机组来输送水和发电，但储能介质发生了本质性变化。传统抽水蓄能技术应用过程中，水作为储能介质，借由压力泵或涡轮机组完成水在水库间的运移，从而完成储能与释能；而重力活塞驱动式抽水蓄能技术则将重物块活塞作为主要储能物质，水体仅作为传输水力能量的载体推动重物块活塞上下移动却并不提供能量储存。Gravity Power型活塞式重力储能技术的储能量级因活塞尺寸和有效位移而异，按照预期设想可以提供40 MW～1.6 GW的电力，适用于大规模储能应用场景[36]。根据Berrada等学者的研究数据，尺寸越大，储能级别越高，其储能成本约为145美元/兆瓦时(123欧元/兆瓦时)，考虑到制作成本和密度差异，铁质材料可能是使得重力活塞质量最大且最经济的原材料，因此研究建议利用铁质重力活塞[34,37]。为进一步提高重力活塞储能容量，Emrani等学者提出牵引式重力活塞储能方法(图1)，利用绳索控制重物块的提升或者下降，模拟结果表明牵引绳的加入可以使得重力活塞式储能容量大幅度提升，计算结果可以达到原来容量的两倍，且平准化成本更低[18,38]。但相较于Energy Vault、Gravitricity等纯机械式重力储能技术，Gravity Power型存储卸载时间较长，约为330～368 s，且能量转化效率较低，约为80%[30,38]。

图1 重力活塞驱动式抽水蓄能技术原理示意图

由此可见，该类型储能技术可大幅度降低地理条件对抽水蓄能电站的限制，将同级别抽水蓄能规模占地面积缩减至1～2公顷土地[16]。但由于其系统本身的结构限制，其水力系统密封(如密封塞材质和密封塞形状)和活塞移动控制(活塞的稳定性和移动的平稳性)仍需要进一步研究[1,31,38]。另外，Gravity Power型重力储能初期可能需要大量投资，以挖取特定尺寸的竖井和水道，且密封套在竖井中的滑移摩擦会严重影响能量转换效率和运营效益[39]。其摩擦力的大小、牵引绳索(牵引式重力活塞储能)的材质、尺寸、安全系数对于系统的稳定运行具有重要意义[38]。

2.2 Ares型山地铁路式重力储能技术

2013年，美国先进铁路储能企业Ares公司创新性利用退役铁路设计出了一种基于铁路的山地牵引式重力储能技术，类似于抽水蓄能技术，其依托两个地势高度差显著的重物储集库实现重力势能的相互转化，只是山地铁路式重力储能是利用有轨电车实现山地间的重物输送，通过火车载着重物在不同高度的储能厂之间往返穿梭，从而实现高效重力储能(图2)[24,30,40,41]。

图2 Ares型山地铁路式重力储能技术原理示意图

为了证明该类型技术的可行性和运营效益，Ares公司首先在美国加州Tehachapi市设计并修建了一个山地铁路式重力储能示范性试验系统。该系统中，每个重物块质量约为45～64 t，设计坡度为9%，铁路线路长约为16 km，项目没有自放电存储损耗，但能量转化效率约为78%～80%，设计寿命约为40年[42]。当有轨电车将重物移送至山地高处储集库时，该过程称作充电过程，系统从电网获取能量并将其转化为重物的重力势能进行存储；而当有轨电车将重物移送至山地地处储集库时，该过程称作放电过程，系统中重物的重力势能将逐步转化为电能对电网进行释放能量。由于其试验效果良好，Ares目前正在美国内达华州Pahrump城市建立其第一个50兆瓦储能级别商业化的山地铁路式重力储能项目，设计轨道坡度为7～8%，地势高差约为610 m；该系统由6列火车组成，每列火车由2个火车头和7节重达1 550 t的车厢组成，设计铁路线长约9 km，储能容量将达到12.5 MWh，预期储电效率为80～85%[40,41]。根据山地铁路式重力储能技术作业原理，该类型重力储能技术直接有效保证了可再生能源(如风能和太阳能)电力市场的长期稳定电力供应，资本成本约是同等电力供应规模传统抽水蓄能的一半，且其建设规模可视具体山地或丘陵地势而定，对环境影响较小或没有影响[41]。根据澳大利亚国际应用系统分析研究所和丹麦可持续能源所联合研究数据，山地铁路式重力储能技术发电成本约为50～100美元，且地势高度差越大，发电成本越低，适用于长期储能，尤其是对于较为偏远地区或额定功率小于20 MW的小量级电网[33]。

针对Ares型山地铁路式重力储能技术，轨道需要依山而建，山体轮廓的平整性和轨道的摩擦系数均对储能效率造成影响，尤其是当没有退役铁路可以使用时需要很大的初始建设成本[17]。同时，铁路轨道的坡度对山地铁路式重力储能技术具有显著影响，目前很多现有废弃铁路的轨道坡度无法用于再生制动系统发电[24]。虽然Ares对地形有着较为严格的限制，类似于抽水蓄能技术严重依赖于地形的高度差，但它摆脱了对水力资源的依赖，是一种纯机械储能方式，且可有效利用退役的铁路线资源进行再社会价值的创造，是大规模储能技术的替代方案，也可应用于小岛或偏远地区[24,33,40,43]。

2.3 Energy Vault型塔吊式重力储能技术

2019年，瑞士能源库公司Energy Vault创新设计并推出了一种电网级塔吊式重力储能电池，利用混凝土砌块和塔吊的互相配合，在电力过剩时提升混凝土砌块进行储能，需要电力时再将势能转化为混凝土砌块动能，最终实现完成势能与电能的相互转化(图3)[16,44-46]。

图3 Energy Vault型塔吊式重力储能技术示意图

塔吊式重力储能电池试验系统位于瑞士Ticino市，外观是一座混凝土砌块塔，高约110～120 m，由六臂起重机和混凝土砌块等模块组成。当电力充裕时，塔吊起重机可以依序将单个重达35吨的混凝土砌块从地面提起，规律地堆放在砌块塔高处，使得中心混凝土砌块塔规模不断变大，使得电能逐渐转化为混凝土砌块势能。当需要能量时，塔吊起重机可将特定数量的混凝土砌块从砌块塔放回至地面，将砌块的势能转化为下降过程中的动能，再带动发电机工作转化为电能。根据Energy Vault工程师研究数据，该塔吊式重力储能电池可将放电时间缩短至2.9 s，系统的能源转化效率高达90%，理论上储电量可以达到35 MWh，峰值工作功率约4 MW，且第一个35 MWh级别的塔吊式重力储能商业系统已在印度开建[44]。由于混凝土砌块塔的模块化设计，Energy Vault型塔吊式重力储能技术可通过提升混凝土砌块塔建筑规模的方法来提高储能容量，混凝土砌块式储能模块相较于化学储能技术具有安全、高效等优势，不会因化学反应造成系统材料降解或能量泄露等环保问题，使用寿命约为30～40年，且充放电次数不受限制；同时，混凝土砌块由混凝土碎块等建筑废料制成，其原材料可重新用于新的混凝土砌块的制作，运营成本约为同储能级别的电化学储能电池的一半，且相较于电化学储能更为经济、节能、绿色、环保[16,44]。

但混凝土砌块在空气中的磨损问题、力学稳定性与重物块完整性问题、不同地区的选址问题和系统每千瓦时的发电成本仍需要进一步研究[17,44]。由于建设规模大，初期建设成本较高，且空间需求大，对地震、滑坡、地层塌陷等风险应急管控机制尚不明晰[8]。同时，重物举升控制系统应当具备高标准的稳定工作性能，以及时调整因特定风力、电缆强度、重物块钟摆效应和起重机在升降重物块过程中的偏转等问题。为了保证能量的稳定输出，六臂塔吊必须协调合作运行，当一个重物块在加速时，另一个对称的重物块就需要减速[16]。

2.4 Gravitricity型矿井式重力储能技术

2021年，英国重力电池初创公司Gravitricity公司依据重力机械储能原理设计并推出了一种矿井式重力储能电池，利用绞车和重物块的互相配合，将电网过余电能储存在地下千米深矿井中悬挂着的重物块势能中，以备能量稀缺时放下重物块释放能量[15,16,47]。其基本设计思路与能源库Energy Vault型塔吊式重力储能电池类似但又有所不同，二者都是利用悬挂着的重物块实现电能与势能的互相转化，但Gravitricity公司提出利用地下矿井代替高塔，不仅占地面积小，而且能够有效利用现有废弃矿井资源，通过在地下竖井中提升和下放重物块进行能量储存与利用。

矿井式重力储能电池试验系统位于英国苏格兰爱丁堡Leith港口，其外形是一座地面电梯井，高约12 m，主要由绞车、电机、钢缆和电梯井架组成。试验系统中所用的重物块是一个重达50 t的铁块，其储能容量约为250 kW，按照设计方案，该重物块可以实现对电网能量的秒级响应并完成放电，能够有效储存过余的太阳能与风能[15]。根据Ruoso等学者研究数据，对于深12 m的矿井，一个高5 m、直径4 m的重物块就可以存储11 kWh的电量，其能量转化效率理论上可以达到90%，使用寿命也可达到50年[30]。基于Gravitricity公司一个为期25年的项目测算，该类型重力储能电池发电成本约为171美元/兆瓦时，而传统的商业锂电池发电成本为377美元/兆瓦时，现有电网级大型液体电解质型流体电池发电成本约为274美元/兆瓦时，由此可见，Gravitricity发电成本要远低于电化学储能发电成本，具有广阔的发展前景[15]。

目前，该类型重力储能技术尚处于演示试验阶段，上述试验系统仅为商业展示及测试用途。按照Gravitricity公司设想，为增大储能容量，预期2023年完成重力储能电池全尺寸设计，储能使用重物块质量将达到500吨，重物块将会被置于约1000m深的地下竖井或基于现有废弃矿井改造的储能矿井中，以生产达到4兆瓦的峰值功率，项目团队正在捷克共和国、波兰和南非等国考察矿井选址[15]。根据矿井式重力储能技术数学建模分析数据，Morstyn等学者研究结果显示仅英国政府煤炭管理局收录的3 234口废弃矿井中就有340口矿井可用于安装1 MWh级别以上的重力储能系统，并建议重物块由铁矿石建造，其质量应控制在3 000 t以内[32]。另外，Botha和Kamper学者的研究数据表明，Gravitricity重力储能技术因受到重物块质量和重物块提升高度限制，实际能量密度可能较低，放电时间较短，较高的功率密度使其更适合高功率分布式发电服务[48]。若要储存更多的能量或面对长时间的电力输出，可以参考Energy Vault型塔吊式重力储能电池模块化设计模式，将质量为500～5 000 t的重物块叠加使用[16]。

图4 Gravitricity型矿井式重力储能技术原理示意图

3 结 语

近年来，中国电力行业发展迅猛，始终走在世界前列，中国有着深厚的电力工业基础，但目前仍然是以煤炭发电为主。为减缓CO2对气候变化的影响，发展清洁可再生能源与储能技术对于重塑能源格局具有重要意义。在我国提出“碳达峰-碳中和”碳排放目标后，以风能和太阳能为代表的可再生能源爆发式增长的态势已经不可逆，储能作为发展低碳或零碳电力系统的重要支撑，在未来能源体系中扮演重要角色。其中，重力储能的实际建设规模和应用场景对重力储能发电经济效益具有很重要的影响，其额定功率与储能容量的分离性使得它们可以匹配不同的应用场景，针对快速响应、较长的使用寿命、较低的商业价格等不同场景要求，可以匹配不同的重力储能技术和不同的重力储能建设规模[32]。虽然重力储能技术得到了新的技术突破与商业探索，但仍受到相关政策和经济发展的大幅度制约[15,16]。电力市场价格、初期成本和资本利率的波动，会直接影响重力储能技术运营成本，而建造时间和使用寿命则会间接影响重力储能技术的长期利润[18]。

可以看出，新型重力储能技术相较于传统电化学储能方法具有安全、储能容量大、对环境影响较小等优势，相较于传统抽水蓄能重力储能方法则显著降低了对地理条件和水资源的依赖。工作方式上，传统的抽水蓄能技术和改进后的重力活塞驱动式抽水蓄能技术都是通过水力能量实现储能，而Energy Vault型塔吊式重力储能技术、Gravitricity型矿井式重力储能技术、Ares型山地铁路式重力储能技术则是直接通过机械运动方式控制能量的储存与释放。按照新型重力储能电池设计原理，上述四种新型重力储能技术应用过程中，均是重物块质量和其有效位移越大，储能级别和容量越高，但随之而来的工程风险也越来越高，如绳索悬重强度、地基及基坑稳定性、塔吊和绞车工作性能(如牵引力、牵引速度等)和重物块在牵引过程中力学完整性等[15,22,32,38]。按照具体重力储能技术储能方法的不同，重力储能技术均受到储能设备建造规模的影响。Ares型重力储能技术大幅度受到山体坡度和现有轨道影响，适用于摩擦系数小、坡度较大的退役式山地轨道；Gravitricity型和Gravity Power型重力储能技术受到岩土力学和井壁完整性的影响，适用于较坚硬的、压实紧密的土层(如风化沉积的岩土层)；Energy Vault的建造规模则受到塔宽限制，塔宽越大，建筑占地面积越大，能量密度就越低，特定地基条件下存在最佳建筑半径[17,24]。

总而言之，随着不同机械储能方法的提出，重力储能技术在原有抽水蓄能的基础上得到了显著发展，新型重力储能技术大幅度降低了对地理条件的依赖，具有储能容量大、能量转化率高和运营成本低等优点，对于储能行业具有广阔的应用前景，但大幅度受到当地政策及市场等因素影响。低碳/无碳能源政策的及时制定与落实，将切实推动重力储能及其他储能技术的快速发展，以平衡或逐步降低目前廉价煤炭、石油、天然气市场在能源格局中所占比例。