网讯：8月1日，重力储能技术公司Energy Vault(下称EV)宣布，江苏如东重力储能示范项目进入调试阶段，预计于今年四季度并网。
该项目总投资10亿元，建设规模100 MWh，发电功率25 MW，将成为全球首个电网级商用重力储能电站。
项目由中国天楹(000035.SZ)的全资子公司江苏能楹投资，EV提供重力储能系统和技术。EV是一家总部位于瑞士的储能公司，专门从事基于重力和动能的储能产品。
绿色、环保、安全是实现储能技术可持续发展的前提条件，布置灵活、场景适应性强有利于响应电力系统需求、提升产业价值。按照目前电力系统储能发展趋势，抽水蓄能电站将持续保持较高的占比。从长远来看，规模化储能技术必将向多元化方向发展，以满足不同应用场景的需要。重力储能发电具备环境友好、布置灵活、安全度高、寿命长、无自放电等显著优势，国外有相关资料和开发的报道，但国内缺少专门的研讨。
重力储能发电还处于探索阶段，短时间内还难以实现技术成熟，达到规模化商业开发的水平。
重力储能发电现状
重力储能发电的基本原理与抽水蓄能技术类似，储能和发电的基本过程为：利用富裕电力提升重物，存储势能；在需要时通过释放重物的势能，经转换带动发电机发电。根据国外目前相关资料报道，主要有活塞式重力储能、悬挂式重力储能、混凝土砌块储能塔和山地重力储能4种重力储能发电技术。
美国加州Gravity Power公司[31]提出的活塞式重力储能基于抽水蓄能机组，利用竖井内的重物活塞替代水体进行储能，如图1所示。电力富裕时，由水泵水轮机抽水加压，提升重物活塞，存储能量，即水体不直接蓄能；发电时，重物活塞下落，其势能传递给水流，由水泵水轮机转换为机械能带动发电机工作。由于重物的密度比水大，在相同高差条件下可以提高发电水头，增大能量密度；也就是说，与相同势能的抽水蓄能电站相比，活塞式重力储能发电技术可降低建设高度，减少对地理条件和水资源的依赖，便于电站选址和布置。该技术方案保留了抽水蓄能机组核心设备，抽水、发电的水泵水轮机技术成熟，效率较高，具有独特优势。但重物活塞和竖井有些技术问题需要探讨，如：技术经济可行的尺寸规模，二者之间的密封方案等，有待关注后续研究进展。目前来看，活塞式重力储能的容量有限，可能适合一些小型、短时的储能。
图 1 活塞式重力储能[31]
Gravitricity公司[37-40]应用悬挂式重力储能技术，计划在爱丁堡利斯港建造一座250 kW的重力储能先导电厂，存储当地多余的电力能源。工程主要拟利用废弃钻井平台和矿井，采用500～5 000 t重的钻机作为重物，通过在150～1 500 m长的钻井中重复吊起与放下钻机，实现电能的存储与释放。电能富裕时，通过电动绞盘将钻机拉到废弃矿井上方，把电能存储为重物势能；需要发电时，通过让钻机落下驱动发电机发电，如图2所示。
图 2 Gravitricity公司重力储能电厂[37]
Fig. 2 Gravity power plant by Gravitricity [37]
Gravitricity公司认为，先进的绞车和控制系统可使其具有足够的灵活性，能在1 s之内快速响应，满足电网调峰需求。Thomas等[41]介绍了利用悬挂重物进行储能和发电的技术方案，并探讨了应用该项技术对废弃深矿井进行改造的潜力。由于一台机组只用一个重物循环工作，相应的储能总量、持续发电时间都很受限制。
Energy Vault公司[42-44]提出以混凝土砌块储能塔为基础的重力储能发电方案，如图3所示。
图 3 Energy Vault公司混凝土砌块储能塔[42,44]
Fig. 3 Energy storage tower with concrete block by Energy Vault[42,44]下载: 全尺寸图片
据称，该项目可运行长达30～40 a，成本将是现有电网规模电池储能解决方案成本的一半。电力充裕时，起重机将混凝土砌块从地上吊起，像积木一样往高处堆放，将能量转化为混凝土砌块塔的势能，也就是储能阶段；需要发电时，将混凝土砌块依次落下，释放重物势能，并转化为电能。混凝土砌块塔看起来是比较简单的储能方式，但主要存在以下问题：由于循环上下起吊重块，整个“塔”不是固定的，属于一种变动结构，其稳定性、可靠性、安全性等需要仔细设计；考虑到自身结构特征，单个混凝土储能塔的规模可能不大且储能容量受限。另外，从塔底到塔顶位置各个混凝土砌块存储的势能不同，关于如何设计吊运、堆放及能量转换，以及能否实现预想效果等问题，没有相关技术报道。Energy Vault公司表示，已与印度塔塔电力公司达成协议，部署容量为35 MW·h的储能系统，可在2.9 s内让系统发出电力，峰值功率4 MW，值得进一步关注后续开发进展。
IIASA研究所[45-46]提出的山地重力储能（MGES），主要利用陡峭山区的地势，通过砂石的势能储能，如图4所示。电力富裕时，应用类似于滑雪缆车的电动系统将装满砂石的容器提升到山顶存放；用电高峰时，依靠重力将砂石从上顶运回地面，通过释放砂石势能发电。该研究所认为，山地重力储能系统是一种比锂电池储能系统持续时间更长、规模更大的储能方式。山地重力储能看似简单、易行，但所应用的缆车系统效率不易提高，储能发电系统的综合效益可能不理想，相关技术方案还有待发展。
图 4 山地重力储能[46]
Fig. 4 Mountain gravity energy storage[46]
重力储能发电技术
类比抽水蓄能技术，本文构想的重力储能发电方案见图5。把流体“水”替换成固体“重物”，上下“库”改换为上下“仓”，“抽水蓄能机组”变为“重力储能机组”。当电网低谷、电力过剩时，由输送系统（吊车、传送设备等），把下仓重物提升至位置较高的上仓，将富余电能转化为重物的势能存储待用；用电高峰及电力供给不足时，重物依次落下，把上仓重物势能转换为机械能及电能，即通过“电能→机械能→重物势能→机械能→电能”，实现电量存储和循环利用。
图 5 重力储能发电构想方案
Fig. 5 Conceptual scheme of gravity energy storage
重力发电理论容量
对比抽水蓄能与重力轮机的出力公式，分析如下：
1）目前，抽水蓄能最大的单机容量在美国巴斯县抽水蓄能电站，为500 MW，发电设计水头329 m，引用流量约200 m3/s。当前，大中型抽水蓄能机组水头都比较高，单机发电引用流量一般为每秒几十立方米，对应的质量流量为每秒几十吨。重物容重比水大，如：一般混凝土密度约为2400 kg/m3，配钢筋、石块等材料后，可达水容重的2.5倍左右；若单个标准重物按1 m3设计，重量约2.5 t。考虑每秒输送几个标准重物发电，即每秒投入十多吨重物运行在理论上可行，技术上应能够实现。初略推算，认为重物质量流量达不到抽水蓄能机组引用流量的量级。
2）大型抽水蓄能电站水头集中在200～800 m，浙江长龙山抽水蓄能电站最大发电水头756 m，目前为中国第一、世界第二。综合考虑存放重物的上下仓布置形式、结构设计、工程建设及场地布置，结合起吊设备、输送系统等因素，初步构想：重力储能电站技术可行的、经济合理的净高差 ΔZΔ ，一般情况下可按100 m左右设计，也就是说，重力储能发电的应用高差小于抽水蓄能电站的发电水头。
3）由于水泵水轮机水力设计成熟，效率较高，而重力轮机仅为技术构想，最高效率按照80%预估。直接应用成熟的发电机技术，发电机的效率应该相当。因此，重力储能发电的总效率预计比抽水蓄能机组低。
通过上述理论、技术上的大致对比，表明重力储能电站单机容量量级低于抽水蓄能，估计最大单机容量10 MW可行，二者发电工况对比见表1。
表 1 重力储能与抽水蓄能发电工况对比
目前，仅从现有技术条件考虑，提供重力储能电站单机量级大致可能的水平。考虑到重力储能受选址条件的限制小，也就是说，重力储能发电单机容量不大，但“总量”空间较大。
技术构想及关键问题
重力储能发电原理简单，如果不考虑效率指标、调节性能等，仅为小型重物发电是容易实现的。但要实现规模化、产业化开发重力储能电站，可以预见面临的技术难题还很多，目前，还没有看到商业运行的工程案例。结合现有技术条件水平，对重力储能发电提出技术构想和关键问题。
1）重力轮机
研制重物势能转化为机械能的设备是重力储能发电的核心技术。开发电网储能级别的重力储能电站需要一定的容量规模，如：持续每秒投运数吨以上的重物，且势能转化为机械能过程中保持较高效率（80%以上）。因此，如何稳定、高效运行是需要解决的关键技术和难题。
本文提出重力轮机的技术构想，源于两个方面的考虑：一方面，重物势能首先转化为机械能，且宜为旋转机械能，以方便利用成熟的发电机技术设备；另一方面，作为储能电站需要响应快、调节灵敏。因此，结合机械原理，借鉴水泵水轮机，提出重力轮机概念应是一个可行的思路。可进一步考虑：可否采用齿轮传动、皮带轮传动、钢缆传动等，实现持续把重物势能转换为旋转机械能。另外，应考虑上仓重物投入运行时间间隔可控，也即可根据需要，灵活调节发电出力；与上仓投运相对应，重物脱离重力轮机，运回下仓，需要控制平稳、有序，该调控过程需要结合重力轮机的方案设计统一研究。上述各方面涉及机械工程应用领域，还需要进一步细化方案、攻关技术。
此外，还有与发电机的连接问题。设计重力轮机输出适宜转速的旋转机械能，这样可以方便利用现有的发电机设备。与水电站等发电站类似，二者可以通过轴系或其他传动方式连接，这方面技术成熟，不难实现。
2）上下仓布置形式
上下仓布置形式直接影响重力储能电站的土地占用、空间利用等情况，需重点研究、规划方案。重力储能电站上仓、下仓布置形式可以参考抽水蓄能电站的上库、下库分别布置在高、低位置，同时还需要研究其他布置方式。按照前述估算分析，对于10 MW机组需每秒投入十多吨重物，总体积约几立方米；若持续满额发电时间按1 h考虑，上下仓分别需要的理论存放空间约为一万多立方米。另外，仓内重物输送系统还需占用空间，实际需要空间必然更大。也就是说，重力储能电站上下仓分别高位、低位独立布置使得占地较大，可能在一些山地区域较适合。由于重物存放较为灵活，针对充分利用上下仓之间的空间的问题，Energy Vault公司设计的混凝土储能塔为上下仓一体形式，能够节省占地面积，但需要解决吊运准确、结构可靠等问题，可以作为进一步研究的参考方案。
重力储能电站选址灵活，设计经济合理的上下仓布置形式，需要结合实际情况，设计适宜地理条件的方案。另外，上下仓布置形式会影响重力轮机及输送系统的研发方向，可以统筹研讨、论证。
3）重物输送系统
若上下仓分别高位、低位独立布置，重物输送系统涉及下仓吊运至上仓，以及上仓和下仓内的输运。若上下仓设计为一体化，低位到高位吊运可统一归入仓内输送系统。
目前，单纯重物吊运技术成熟，各类起吊、传送设备可供选用，可以直接利用现有装备进行专门设计。储能电站需要在电力过剩或电网低负荷时，及时、高效存储合适的能量。抽水蓄能电站需要设计匹配的抽水能力，类似地，重力储能电站吊运设备的输送能力也需要匹配设计。目前，抽水蓄能电站多采用抽水/发电双向运行的可逆式机组，可减小工程布置规模，节省投资，降低成本，因此，重力储能电站能否采用该技术思路也可以参考借鉴。
按照目前技术水平，单纯仓内输送并不困难，每秒运输十多吨重物的系统设计（如轨道、滑道等）应该可以实现；但运输能耗情况、能达到的水平，值得仔细考察。输送能耗是影响系统综合效率的主要因素，直接关系重力储能发电的商业价值。如何实现高效输送，尽量减少耗电，还需要开展系统深入的研究。
重物输送系统可以借鉴工业、工程领域相关设计思路和应用技术，开展广泛的技术研讨，探寻安全、高效、切实可行的方案。
4）重物
重力储能电站的重物数量较大，涉及以下主要问题需要探讨、论证：一是，重物材料及来源。综合考虑各因素，认为采用混凝土为主材较为合适。专门为重力储能电站大量新加工混凝土不经济，也不环保。应该尽量利用已有废弃材料或就地取材，如建筑垃圾、砂石等，以降低对环境的不利影响，还能大幅降低成本。另外，在风力发电站附近，将现场处理、加工废弃的风机作为重物，也是一种可选择的方式。二是，从方便重物输送系统设计、提高效率的角度，重物采用规格相同的标准件较为合理，同时加工也最为方便，有利于降低重物成本。三是，重物的结构强度。在能量存储、转化的整个输送过程中，重物处于运动状态，结构可靠性将直接影响机组运行和电力生产安全。另外，重物可循环使用，保证足够的结构强度，可减小磨损、延长寿命，降低重物维护费用。
重力储能发电的优势
与其他储能技术相比，重力储能发电具备下述显著优势：
1）纯物理储能、安全性高、环境友好。在重物输送、势能储存、机械能发电等工作流程中，不涉及化学反应，运行安全可靠。重力储能发电清洁低碳，对自然环境影响小。当然，需注意：严格控制重物加工过程对环境的影响，解决好加工工艺及材料问题，比如，尽量利用建筑垃圾等再生材料，或者就地取材，符合可持续、绿色发展理念。
2）强环境适应性，可以根据需要灵活布置，适宜“分布式”储能。重物的存储、输送及发电过程没有特殊条件和要求，因此，重力储能电站基本无选址、天气等外部条件限制，应用很灵活。除了用电负荷集中的区域，在风能、太阳能及核能等发电站附近也可以配置重力储能电站，可以实现按电力系统的需求在电网侧、电源侧灵活布局。抽水蓄能站点规划需要有适宜的地理条件和水资源为基础，充分利用重力储能电站布置便利的优势可以形成互补，以支撑大规模分布式、波动性电源的接入，保障电网运行稳定、安全，也有利于提升电力系统的整体效益。
3）储能发电循环寿命长、成本低。重物以混凝土或当地材料为主材，或者利用其他再生材料，能循环使用数十年，运行过程中重物损耗小。若取材利用合适，重物成本可以大大降低。可以预见，技术发展成熟后，重力储能发电的成本有望处于相对较低的水平。
4）储能时间长且无自放电问题。重力储能电站上下仓扩展相对容易，重物势能储存期间不会有损失，具备长时间储能的便利条件和先天优势。
综上可知，重力储能发电有潜力成为电力系统“理想”的新型储能方式，有较好的研发价值，应用前景广阔。
