网讯：重力储能虽然听起来很新颖，但实际上是人类的老朋友。从1882年诞生于瑞士苏黎世的全球第一座抽水蓄能电站算来，我们100多年来一直在使用重力来储能，而且重力储能还是人类主动储能的最主要型式，占了当前全球储能总容量的90%左右。但是通过搬砖、运砂石、吊重物储能还是一种只有脑洞大开的人才能想到的场景，当前来看这种新型重力储能的应用之光正在照入现实。
按照传统分类，重力储能是一种物理储能，通过对储能介质进行高度或压力的升降来实现储能系统的充放电过程。根据介质不同，分为液体介质储能系统和固体介质储能系统。固体介质储能系统是基于高度落差，升降主要借助山体、竖井、构筑物等，重物一般选择密度较高的金属、水泥、砂石等材质。液体介质储能系统是基于高度差或压力差，通过水阀、电动发电机的电流等参数进行控制以实现充放电过程。
图1 重力储能能量转换路径示意图
除了利用介质不同外，随着技术的进步，新型重力储能根据发电形式不同可以有多种脑洞大开的“重力电池”型式。具体可分为基于山地、基于竖井、基于构筑物和新型抽水蓄能等型式。 基于山地的重力储能目前主要包括轨道机车和缆车两种型式： 轨道机车储能方案包括上下坡轨道、重装机车等。储电时，利用余电将推动高效电机将机车推至坡顶“车站”，电能储存为重力势能；发电时，释放机车下坡，重力势能转化为电能，开始发电。据有关公司公开数据，轨道机车储能系统单站容量可在100-3000MW，储能时长2-24小时，转换效率高达86%。系统具备快速响应能力，最快5秒完成充电，25秒可完成放电，系统寿命达40年以上。
图2 轨道重力储能示意图
缆车储能解决方案最早在2019年提出，由陡峭山坡、起重机、储存容器（可以装砂石或水）、电缆等组成。储电时利用余电驱动发动机将装满砂石的缆车从山坡底部移动到顶部，电能转化为势能。发电时将缆车从山坡顶部下降到底部，势能转化为电能。还可与水力发电相结合，在用电高峰期用水填充储存容器，可以实现长时储能，连续存储能量数月，有关公开数据显示储能容量可达到0.5-20MWh，发电功率500~5000kW。
图3 缆车重力储能示意图
2016年业界提出竖井储能解决方案，2021年首次完成了250kW示范项目。利用废弃钻井平台与矿坑、人工竖井，在深度超300米的竖井中重复吊起与放下重物，通过电动绞盘或其他传动设备，先将重物拉到竖井上方，需要用电时再让重物放下，如此进行储存和释放电能。竖井储能使用寿命在50年左右，响应速度快。据公开数据，重物可超过500吨，电能转换效率高达80%，能在不到1秒内从零功率变为全功率，储能容量可自由配置1-20MW，输出持续时间15分钟-8小时。 
图4 竖井重力储能示意图
这种方案被形象的称为“搬砖储能”，采用人工构筑物的高度差、利用提升传动或电梯等提升设备来储存和释放电力。可再生能源发电高时，将砖块重物“搬”到高处，将势能存储起来，当需要电时控制砖块下降，将动能释放回电网。
重力储能还包括海下储能、活塞式储能等型式。另外业内还提出了一种重力储能式太阳能飞机的概念，白天利用太阳辐射多余的能量使飞机向上爬升，晚上飞机利用无动力滑翔继续飞行，通过对太阳能飞机的重力储能和传统电池储能两种储能的等价性研究，结果表明在初始高度较低且太阳辐射时间较短的情况下，利用重力储能技术能大大提高太阳能飞机的续航性能。
图5 重力储能式太阳能飞机示意图
当前储能的型式百花齐放，包括电化学、化学、热储能、物理储能、氢储能等多种类型，每种储能类型有多种型式，如物理储能除了抽水蓄能外，还包括飞轮储能、压缩空气等多种型式，那么新型重力储能与其他储能型式相比有什么优势和劣势呢？下表为一个公开资料中从成本投入、度电成本和使用寿命等指标来对重力储能电站和其他储能电站进行指标横向比较。 
虽然上述比较的结论是在一定的前提条件下得到的，但是从表中可以看到，重力储能的成本低于电化学储能，在放电时长方面可实现与抽水蓄能相同的长时应用，平均寿命也达到30~35年的较高水平，重力储能技术很有潜力，可以与当前成熟的各类储能技术一较高下。其不足之处主要在于其单体功率和其机械运行的连续性和稳定性方面。根据技术指标和项目ESG综合分析，重力储能的优势总结起来主要是以下几点：
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- 电站可利用废弃矿井，重物也可利用混凝土块等可再生材料为主，在循环利用方面具有很大优势。
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当然，作为一项仍在快速发展中的技术，重力储能也具有明显的劣势，主要有以下几个方面： - 限于重物能量密度及其他技术的制约，单体容量规模相对小。
- 同样大量机械设备的间歇性运行及机械运行影响了单体发电的稳定性。
储能作为一项刚刚完成蜕变落地不久的技术，当前已经有了一定的应用，但无论从实验数据还是项目运行上，能够得到的有限数据还不足以全面去论证一门技术。现有的技术指标中的不足也很有希望随着未来技术成熟而改善。而目前随着双碳战略目标对储能的需求日益明确，很多国内外企业对重力储能都在关注或入场布局，新型重力储能项目落地也将在不久后到来。新技术开拓者们都在不停地为这座大厦砌起块块砖石。重力储能带来的一股世界风潮已经刮起，抓住先机可能就意味着将赢得未来的储能市场。
图6 新型重力储能研究示意图
