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重力储能的原理与抽水蓄能电站的原理相似。它主要依靠重力产生势能来储存能量。这是最简单的储能方法。本文将为您介绍重力储能的原理、分类及应用场景。

 

重力储能原理

重力储能属于机械储能，其储能介质主要为固体物质和水。重力储能的基本原理是根据高度差升降储能介质，从而完成储能系统的充放电过程。

● 当水用作重力储能介质时，储能系统可以使用具有更好密封性能的管道、竖井和其他结构。水介质最大的局限性是其灵活性和储能能力将受到水源和地形的极大限制；

● 当使用固体材料作为介质时，固体重材料需要选择密度更高的材料，如金属、水泥、石砂等，以达到相对较高的能量密度。新的重力储能将通过多种途径实现。

19世纪末，出现了抽水蓄能电站；重力储能在中国的应用相对较晚，1968年建成了第一座小型混合式抽水蓄能电站。目前，根据储能介质和落差路径的不同，有各种重力储能方案：基于抽水蓄能、基于结构高差、基于山体落差、基于地下竖井。

 

 

重力储能技术分类

重力储能技术主要包括活塞式重力储能、悬浮式重力储能量、混凝土块储能塔、山地重力储能等重力储能发电技术。

 

活塞重力储能

加州重力发电公司提出的活塞式重力储能是以抽水蓄能机组为基础，利用轴内的重型活塞代替水体进行储能。当功率充足时，水泵和涡轮机将水抽压，以提升重物的活塞来储存能量，即水体不直接储存能量；

发电时，重量活塞下降，其势能转移到水流中，由水泵水轮机转化为机械能，驱动发电机工作。与同等势能的抽水蓄能电站相比，活塞式重力储能发电技术可以降低施工高度，减少对地理条件和水资源的依赖，便于电站选址和布局。

 

 

悬浮式重力储能

苏格兰Gravitricity公司提出了一种利用废弃钻井平台和绞盘钻机进行能量储存的机制。他们使用废弃的钻井平台和矿井，在150-1500米长的井中反复升降16米长、500-5000吨的钻机。

通过电动绞车，在功耗较低时将钻机拉到废弃矿井，在功耗达到峰值时将钻机直线下降，从而“释放”储存的能量，系统可以控制重物的下降速度来改变发电时间和发电量。该公司声称，该系统可以在一秒钟内做出反应，使用寿命长达50年，效率高达90%。

 

 

混凝土砌块储能塔

Gravitricity认为，先进的绞车和控制系统可以使其足够灵活，在1秒内快速响应，以满足电网峰值需求。Energy Vault提出了一种基于混凝土块储能塔的重力储能发电方案。据说该项目将运行30至40年，成本将是现有电网规模电池存储解决方案成本的一半。

当电力充足时，起重机将混凝土砌块从地面吊起，像积木一样堆放起来，将能量转化为混凝土砌块塔的势能，即储能阶段；当需要发电时，混凝土块按顺序下落，以释放重物的势能并将其转化为电能。

 

 

山地重力储能

IIASA Research提出的山地重力储能（MGES）主要利用陡峭山区的地形，通过砂石的势能储能。当电力充足时，使用类似滑雪升降机的电力系统，将装满沙子和砾石的集装箱提升到山顶储存；

在用电高峰期，砂石通过重力从顶部输送到地面，并释放砂石的势能来发电。该研究所认为，与最好的可充电电池锂电池储能系统相比，山地重力储能系统是一种持续时间更长、规模更大的储能方法。

山地重力储能看似简单易行，但所使用的缆车系统的效率不易提高，储能发电系统的综合效益可能并不理想，需要开发相关的技术解决方案。

 

重力储能的优点和缺点

 

优点

● 原理简单，技术门槛低；同时，由于采用物理介质储能，其储能效率高达90%，输出功率从0提高到100%仅需2.9秒，使用寿命超过30年；

● 而且不需要像抽水蓄能电站那样对选址提出更高的要求，所以它的建设成本只有抽水蓄能的三分之一，每千瓦时的成本只有抽水蓄电的三分之二。

● 纯物理储能，安全性高，环境友好。

重力储能在重物运输、势能储存、机械能发电等工作过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。

 

 

● 环境适应性强，适合“分布式”储能。

对重物的储存、运输和发电没有特殊的条件和要求。因此，重力储能电站基本不存在选址、天气限制等外部条件。

应用非常灵活，可以根据电力系统的需要在电网侧和供电侧实现灵活布局。

● 发电循环寿命长，成本低。

重物主要由混凝土或当地材料制成，或使用其他可回收材料，可回收数十年，运行过程中重物损失较小。如果材料使用得当，重物的成本可以大大降低。

● 时间长，无自放电问题。

重力储能电站的上下仓库相对容易扩建，在储存重物势能的过程中不会有损失。它具有长期储能的便利性和固有优势。

 

缺点

能源密度低，建设规模过大。重力储能所需的平均高塔超过100米，其输出功率仅相当于同等高度的风力涡轮机；此外，这项技术对塔式起重机的精度要求非常高。一根几十米长的电缆需要制作5000块砖，每块砖的位置误差小于几毫米；

每座塔需要数千个水泥块，而浇筑水泥块需要排放大量二氧化碳。

 

 

重力储能技术应用场景

●退役火电厂选址

重力储能技术中重物的垂直提升占地面积小，位置选择灵活，由于其电力基础设施，退役的火力发电厂可能是其首选位置之一。

●压缩空气储能+电化学储能协同效应

重力储能作为长期储能，与压缩空气储能技术、电化学储能（如三元锂电池、磷酸铁锂电池）等短期储能具有良好的互补性和协同性。

●尾矿综合治理

利用尾矿渣制造重力模块，可以解决尾矿渣处理和重力储能（单元模块）原料问题，降低建设成本，同时取得明显的经济效益和社会效益。

●风力涡轮机叶片的再利用

预计到2025年，我国退役风机叶片数量将达到8112吨。报废浪潮和处理退化的新工艺的需要使退役风电场的回收成为当务之急。

●零碳城市无人农业概念

重力储能楼高约30层，中间9-22层多为闲置空间。利用这些空间，可以建造无人农业和智能蔬菜工厂，以及松茸、苜蓿和其他高附加值作物，以实现经济效益的最大化。

●数据中心概念

同样，在重力储能建筑的空置楼层上建造数据中心，可以解决数据中心高功耗的清洁电源问题，为实现“双碳”目标提供新思路。

 

 

●风能和太阳能储氢与氨的集成

以重力储能为核心，将风电和光伏发电转化为稳定的能源，用于生产绿色氢气，通过氢气制氨进一步解决氢气的储存和运输问题。

为该地区带来可持续、稳定和不断增长的经济社会效益，实现资源价值最大化。

●CO2储存

重力储能装置可以利用其长寿命和广泛的重力模块材料来源，为二氧化碳封存提供有利条件。利用碳封存技术可以实现长期甚至永久的二氧化碳封存。

 

重力储能的未来

尽管刚刚完成的重力储能技术具有许多诱人的商业前景，但其实用性仍有待数据证明。

今后还需要改变和改进现有技术指标中的不足。随着传统能源逐渐退出历史舞台，中国决心实现“双碳”目标，重力储能可能成为下一个风口。