赫文豪，李懂文，楊東杰，張萬(wàn)松，林春丹，王曉慧

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣光學(xué)探測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

隨著全球?qū)Φ吞寄繕?biāo)的不斷探索，為改善能源結(jié)構(gòu)和重塑能源格局，國(guó)內(nèi)外正努力推動(dòng)新一輪能源技術(shù)革命的快速發(fā)展，逐步減小化石能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比，以謀求構(gòu)建新的安全高效、綠色低碳、清潔環(huán)保的能源體系[1-4]。由于我國(guó)能源供應(yīng)和能源需求呈逆向分布，風(fēng)能主要集中在華北、西北、東北地區(qū)，太陽(yáng)能主要集中在西部高原地區(qū)，而絕大部分的能源需求集中在人口密集、工業(yè)集中的中、東部地區(qū)，清潔能源技術(shù)與儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，對(duì)于提高能量利用效率、增加可再生能源利用比例、保障國(guó)家能源安全和推動(dòng)能源技術(shù)革命具有重大戰(zhàn)略意義[1,4-8]。在“雙碳”目標(biāo)提出后，我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)政策持續(xù)出爐，目標(biāo)集中在可再生能源并網(wǎng)和電網(wǎng)側(cè)電力輔助服務(wù)等領(lǐng)域，政策紅利明顯[9-13]。2021年以來(lái)儲(chǔ)能相關(guān)政策頻發(fā)出臺(tái)，如《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》、《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《關(guān)于進(jìn)一步完善抽水蓄能價(jià)格形成機(jī)制的意見(jiàn)》、《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開(kāi)發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》等，“十四五”期間，儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)⒁詰?yīng)用為導(dǎo)向，突破現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展瓶頸，以高安全、長(zhǎng)壽命、高效率、低成本、大規(guī)模、可持續(xù)發(fā)展等衡量指標(biāo)評(píng)價(jià)儲(chǔ)能技術(shù)的先進(jìn)性與適用性[7,12,14]。以儲(chǔ)能技術(shù)配置可再生能源已經(jīng)成為能源趨勢(shì)，同時(shí)西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古、江蘇、安徽、浙江、湖南、山東等省份皆陸續(xù)出臺(tái)了激勵(lì)政策[9]。

眾多儲(chǔ)能方法中，應(yīng)用比較廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)主要有電化學(xué)儲(chǔ)能(如鉛酸電池和鋰電池)和重力儲(chǔ)能(如抽水蓄能)，但電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)多應(yīng)用于中小型能量應(yīng)用場(chǎng)景，不僅能量?jī)?chǔ)存能力有限，易造成環(huán)境污染，且電池使用壽命通常在幾年之內(nèi)，充放電次數(shù)有限，其電池儲(chǔ)能能力還會(huì)隨著時(shí)間不斷下降，電池性能的老化甚至?xí)鸢踩鹿蔥1,8,14-18]。相較而言，雖然重力儲(chǔ)能方法儲(chǔ)存能量密度較低，但重力儲(chǔ)能方法具有儲(chǔ)存容量大、充放電次數(shù)不受限制、儲(chǔ)能穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，且無(wú)化學(xué)原料泄露和污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

1 重力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

重力儲(chǔ)能系統(tǒng)是當(dāng)電網(wǎng)中電力富余時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將重物移至高處，當(dāng)電網(wǎng)中需要電力時(shí)再將重物重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，具有儲(chǔ)能容量大、清潔環(huán)保、原理簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化效率高、相應(yīng)迅速、高安全、高壽命等優(yōu)勢(shì)，能夠用于大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)電力輔助服務(wù)等長(zhǎng)時(shí)段能源管理[10,19,20]。與風(fēng)電等間歇性能源耦合利用后，重力儲(chǔ)能技術(shù)可以根據(jù)電網(wǎng)需要有效平穩(wěn)風(fēng)電場(chǎng)整體供電性能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度，解決大規(guī)模電力峰谷問(wèn)題[19]。

眾多重力儲(chǔ)能方法中，抽水蓄能是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的一種重力儲(chǔ)能方法，通過(guò)水勢(shì)能和電能的互相轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與釋放，具有儲(chǔ)電容量大(100～3 000 MW)、效率高(65～85%)、壽命長(zhǎng)(40～60年)、儲(chǔ)能周期不受限制(分鐘級(jí)響應(yīng))等優(yōu)點(diǎn)[1,3,21]。自1882年瑞士建造了國(guó)際第一座抽水蓄能站后，截止2020年，抽水蓄能總裝機(jī)容量已經(jīng)占領(lǐng)了全球儲(chǔ)能裝機(jī)總量的99%[22]。截至2020年底，我國(guó)抽水蓄能電站總裝機(jī)容量3149萬(wàn)kW,在建規(guī)模5373萬(wàn)kW，是我國(guó)能源電力的中流砥柱[7,22,23]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索與實(shí)踐，抽水蓄能技術(shù)目前正不斷朝著更大容量、更高效率、更高水頭和智能化方向發(fā)展[3]。但抽水蓄能電站的建設(shè)嚴(yán)重依賴地理?xiàng)l件，特別是需要依靠當(dāng)?shù)刎S富的水資源和地理高度差建造特定規(guī)模水庫(kù)和水壩(如著名的中國(guó)三峽水電站工程)，建設(shè)規(guī)模大，建設(shè)成本高，且項(xiàng)目的規(guī)劃審批流程隨著政策的收緊日漸繁瑣，建設(shè)周期長(zhǎng)，限制了抽水蓄能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[3,8,16,17,24-27]。為降低對(duì)自然地理資源的過(guò)度占用，近兩年也有學(xué)者提出利用煤礦廢棄井巷抽水蓄能，通過(guò)利用現(xiàn)有廢棄井巷和礦井水資源，理論上不僅可以大幅度降低占地面積，也能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄礦井資源的二次利用和可再生能源電力的高效儲(chǔ)能，但該系列研究仍處于理論驗(yàn)證階段[28,29]。

為改進(jìn)傳統(tǒng)抽水蓄能技術(shù)對(duì)地理資源的嚴(yán)重依賴，一些學(xué)者提出了新型重力式儲(chǔ)能方法，其基本原理是利用勢(shì)能變化存儲(chǔ)電能，以達(dá)到高效、低碳、經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)造社會(huì)價(jià)值的目的[8,18,30-34]。同時(shí)，國(guó)外部分研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)創(chuàng)新性地推出了多種新型重力儲(chǔ)能技術(shù)，并取得了階段性成果，例如瑞士Energy Vault公司設(shè)計(jì)的塔吊式重力儲(chǔ)能電池、英國(guó)Gravitricity公司設(shè)計(jì)的礦井式重力儲(chǔ)能電池、美國(guó)Ares公司設(shè)計(jì)的山地鐵路式重力儲(chǔ)能電池和美國(guó)Gravity Power公司設(shè)計(jì)的活塞式重力儲(chǔ)能電池。相較于傳統(tǒng)抽水蓄能技術(shù)，這些新型重力儲(chǔ)能技術(shù)不僅可以完成10 s內(nèi)放電響應(yīng)，而且可以將能量轉(zhuǎn)化效率提升至80～90%，并降低運(yùn)營(yíng)成本約30～60%[1,17,30]。

2 新型重力儲(chǔ)能技術(shù)

2.1 重力活塞驅(qū)動(dòng)式抽水蓄能技術(shù)

2019年前后，根據(jù)Heindl Energy重力儲(chǔ)能模式，美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家推出了重力活塞驅(qū)動(dòng)式抽水蓄能技術(shù)，如美國(guó)加州Gravity Power公司和德國(guó)New Energy Let’s Go儲(chǔ)能技術(shù)，皆是非高峰電力時(shí)通過(guò)提升活塞將水泵入活塞底部進(jìn)行能量存儲(chǔ)，當(dāng)需要能量時(shí)松開(kāi)重力活塞壓迫水驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作釋放能量[1,15-17,35]。

雖然該類型儲(chǔ)能技術(shù)也是利用水力能量和渦輪機(jī)組來(lái)輸送水和發(fā)電，但儲(chǔ)能介質(zhì)發(fā)生了本質(zhì)性變化。傳統(tǒng)抽水蓄能技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，水作為儲(chǔ)能介質(zhì)，借由壓力泵或渦輪機(jī)組完成水在水庫(kù)間的運(yùn)移，從而完成儲(chǔ)能與釋能；而重力活塞驅(qū)動(dòng)式抽水蓄能技術(shù)則將重物塊活塞作為主要儲(chǔ)能物質(zhì)，水體僅作為傳輸水力能量的載體推動(dòng)重物塊活塞上下移動(dòng)卻并不提供能量?jī)?chǔ)存。Gravity Power型活塞式重力儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能量級(jí)因活塞尺寸和有效位移而異，按照預(yù)期設(shè)想可以提供40 MW～1.6 GW的電力，適用于大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景[36]。根據(jù)Berrada等學(xué)者的研究數(shù)據(jù)，尺寸越大，儲(chǔ)能級(jí)別越高，其儲(chǔ)能成本約為145美元/兆瓦時(shí)(123歐元/兆瓦時(shí))，考慮到制作成本和密度差異，鐵質(zhì)材料可能是使得重力活塞質(zhì)量最大且最經(jīng)濟(jì)的原材料，因此研究建議利用鐵質(zhì)重力活塞[34,37]。為進(jìn)一步提高重力活塞儲(chǔ)能容量，Emrani等學(xué)者提出牽引式重力活塞儲(chǔ)能方法(圖1)，利用繩索控制重物塊的提升或者下降，模擬結(jié)果表明牽引繩的加入可以使得重力活塞式儲(chǔ)能容量大幅度提升，計(jì)算結(jié)果可以達(dá)到原來(lái)容量的兩倍，且平準(zhǔn)化成本更低[18,38]。但相較于Energy Vault、Gravitricity等純機(jī)械式重力儲(chǔ)能技術(shù)，Gravity Power型存儲(chǔ)卸載時(shí)間較長(zhǎng)，約為330～368 s，且能量轉(zhuǎn)化效率較低，約為80%[30,38]。

圖1 重力活塞驅(qū)動(dòng)式抽水蓄能技術(shù)原理示意圖

由此可見(jiàn)，該類型儲(chǔ)能技術(shù)可大幅度降低地理?xiàng)l件對(duì)抽水蓄能電站的限制，將同級(jí)別抽水蓄能規(guī)模占地面積縮減至1～2公頃土地[16]。但由于其系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)限制，其水力系統(tǒng)密封(如密封塞材質(zhì)和密封塞形狀)和活塞移動(dòng)控制(活塞的穩(wěn)定性和移動(dòng)的平穩(wěn)性)仍需要進(jìn)一步研究[1,31,38]。另外，Gravity Power型重力儲(chǔ)能初期可能需要大量投資，以挖取特定尺寸的豎井和水道，且密封套在豎井中的滑移摩擦?xí)?yán)重影響能量轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)營(yíng)效益[39]。其摩擦力的大小、牽引繩索(牽引式重力活塞儲(chǔ)能)的材質(zhì)、尺寸、安全系數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[38]。

2.2 Ares型山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)

2013年，美國(guó)先進(jìn)鐵路儲(chǔ)能企業(yè)Ares公司創(chuàng)新性利用退役鐵路設(shè)計(jì)出了一種基于鐵路的山地牽引式重力儲(chǔ)能技術(shù)，類似于抽水蓄能技術(shù)，其依托兩個(gè)地勢(shì)高度差顯著的重物儲(chǔ)集庫(kù)實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，只是山地鐵路式重力儲(chǔ)能是利用有軌電車實(shí)現(xiàn)山地間的重物輸送，通過(guò)火車載著重物在不同高度的儲(chǔ)能廠之間往返穿梭，從而實(shí)現(xiàn)高效重力儲(chǔ)能(圖2)[24,30,40,41]。

圖2 Ares型山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)原理示意圖

為了證明該類型技術(shù)的可行性和運(yùn)營(yíng)效益，Ares公司首先在美國(guó)加州Tehachapi市設(shè)計(jì)并修建了一個(gè)山地鐵路式重力儲(chǔ)能示范性試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，每個(gè)重物塊質(zhì)量約為45～64 t，設(shè)計(jì)坡度為9%，鐵路線路長(zhǎng)約為16 km，項(xiàng)目沒(méi)有自放電存儲(chǔ)損耗，但能量轉(zhuǎn)化效率約為78%～80%，設(shè)計(jì)壽命約為40年[42]。當(dāng)有軌電車將重物移送至山地高處儲(chǔ)集庫(kù)時(shí)，該過(guò)程稱作充電過(guò)程，系統(tǒng)從電網(wǎng)獲取能量并將其轉(zhuǎn)化為重物的重力勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)；而當(dāng)有軌電車將重物移送至山地地處儲(chǔ)集庫(kù)時(shí)，該過(guò)程稱作放電過(guò)程，系統(tǒng)中重物的重力勢(shì)能將逐步轉(zhuǎn)化為電能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行釋放能量。由于其試驗(yàn)效果良好，Ares目前正在美國(guó)內(nèi)達(dá)華州Pahrump城市建立其第一個(gè)50兆瓦儲(chǔ)能級(jí)別商業(yè)化的山地鐵路式重力儲(chǔ)能項(xiàng)目，設(shè)計(jì)軌道坡度為7～8%，地勢(shì)高差約為610 m；該系統(tǒng)由6列火車組成，每列火車由2個(gè)火車頭和7節(jié)重達(dá)1 550 t的車廂組成，設(shè)計(jì)鐵路線長(zhǎng)約9 km，儲(chǔ)能容量將達(dá)到12.5 MWh，預(yù)期儲(chǔ)電效率為80～85%[40,41]。根據(jù)山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)作業(yè)原理，該類型重力儲(chǔ)能技術(shù)直接有效保證了可再生能源(如風(fēng)能和太陽(yáng)能)電力市場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定電力供應(yīng)，資本成本約是同等電力供應(yīng)規(guī)模傳統(tǒng)抽水蓄能的一半，且其建設(shè)規(guī)?？梢暰唧w山地或丘陵地勢(shì)而定，對(duì)環(huán)境影響較小或沒(méi)有影響[41]。根據(jù)澳大利亞國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所和丹麥可持續(xù)能源所聯(lián)合研究數(shù)據(jù)，山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)電成本約為50～100美元，且地勢(shì)高度差越大，發(fā)電成本越低，適用于長(zhǎng)期儲(chǔ)能，尤其是對(duì)于較為偏遠(yuǎn)地區(qū)或額定功率小于20 MW的小量級(jí)電網(wǎng)[33]。

針對(duì)Ares型山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)，軌道需要依山而建，山體輪廓的平整性和軌道的摩擦系數(shù)均對(duì)儲(chǔ)能效率造成影響，尤其是當(dāng)沒(méi)有退役鐵路可以使用時(shí)需要很大的初始建設(shè)成本[17]。同時(shí)，鐵路軌道的坡度對(duì)山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)具有顯著影響，目前很多現(xiàn)有廢棄鐵路的軌道坡度無(wú)法用于再生制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)電[24]。雖然Ares對(duì)地形有著較為嚴(yán)格的限制，類似于抽水蓄能技術(shù)嚴(yán)重依賴于地形的高度差，但它擺脫了對(duì)水力資源的依賴，是一種純機(jī)械儲(chǔ)能方式，且可有效利用退役的鐵路線資源進(jìn)行再社會(huì)價(jià)值的創(chuàng)造，是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的替代方案，也可應(yīng)用于小島或偏遠(yuǎn)地區(qū)[24,33,40,43]。

2.3 Energy Vault型塔吊式重力儲(chǔ)能技術(shù)

2019年，瑞士能源庫(kù)公司Energy Vault創(chuàng)新設(shè)計(jì)并推出了一種電網(wǎng)級(jí)塔吊式重力儲(chǔ)能電池，利用混凝土砌塊和塔吊的互相配合，在電力過(guò)剩時(shí)提升混凝土砌塊進(jìn)行儲(chǔ)能，需要電力時(shí)再將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為混凝土砌塊動(dòng)能，最終實(shí)現(xiàn)完成勢(shì)能與電能的相互轉(zhuǎn)化(圖3)[16,44-46]。

圖3 Energy Vault型塔吊式重力儲(chǔ)能技術(shù)示意圖

塔吊式重力儲(chǔ)能電池試驗(yàn)系統(tǒng)位于瑞士Ticino市，外觀是一座混凝土砌塊塔，高約110～120 m，由六臂起重機(jī)和混凝土砌塊等模塊組成。當(dāng)電力充裕時(shí)，塔吊起重機(jī)可以依序?qū)蝹€(gè)重達(dá)35噸的混凝土砌塊從地面提起，規(guī)律地堆放在砌塊塔高處，使得中心混凝土砌塊塔規(guī)模不斷變大，使得電能逐漸轉(zhuǎn)化為混凝土砌塊勢(shì)能。當(dāng)需要能量時(shí)，塔吊起重機(jī)可將特定數(shù)量的混凝土砌塊從砌塊塔放回至地面，將砌塊的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為下降過(guò)程中的動(dòng)能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)Energy Vault工程師研究數(shù)據(jù)，該塔吊式重力儲(chǔ)能電池可將放電時(shí)間縮短至2.9 s，系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%，理論上儲(chǔ)電量可以達(dá)到35 MWh，峰值工作功率約4 MW，且第一個(gè)35 MWh級(jí)別的塔吊式重力儲(chǔ)能商業(yè)系統(tǒng)已在印度開(kāi)建[44]。由于混凝土砌塊塔的模塊化設(shè)計(jì)，Energy Vault型塔吊式重力儲(chǔ)能技術(shù)可通過(guò)提升混凝土砌塊塔建筑規(guī)模的方法來(lái)提高儲(chǔ)能容量，混凝土砌塊式儲(chǔ)能模塊相較于化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有安全、高效等優(yōu)勢(shì)，不會(huì)因化學(xué)反應(yīng)造成系統(tǒng)材料降解或能量泄露等環(huán)保問(wèn)題，使用壽命約為30～40年，且充放電次數(shù)不受限制；同時(shí)，混凝土砌塊由混凝土碎塊等建筑廢料制成，其原材料可重新用于新的混凝土砌塊的制作，運(yùn)營(yíng)成本約為同儲(chǔ)能級(jí)別的電化學(xué)儲(chǔ)能電池的一半，且相較于電化學(xué)儲(chǔ)能更為經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、綠色、環(huán)保[16,44]。

但混凝土砌塊在空氣中的磨損問(wèn)題、力學(xué)穩(wěn)定性與重物塊完整性問(wèn)題、不同地區(qū)的選址問(wèn)題和系統(tǒng)每千瓦時(shí)的發(fā)電成本仍需要進(jìn)一步研究[17,44]。由于建設(shè)規(guī)模大，初期建設(shè)成本較高，且空間需求大，對(duì)地震、滑坡、地層塌陷等風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管控機(jī)制尚不明晰[8]。同時(shí)，重物舉升控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備高標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定工作性能，以及時(shí)調(diào)整因特定風(fēng)力、電纜強(qiáng)度、重物塊鐘擺效應(yīng)和起重機(jī)在升降重物塊過(guò)程中的偏轉(zhuǎn)等問(wèn)題。為了保證能量的穩(wěn)定輸出，六臂塔吊必須協(xié)調(diào)合作運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)重物塊在加速時(shí)，另一個(gè)對(duì)稱的重物塊就需要減速[16]。

2.4 Gravitricity型礦井式重力儲(chǔ)能技術(shù)

2021年，英國(guó)重力電池初創(chuàng)公司Gravitricity公司依據(jù)重力機(jī)械儲(chǔ)能原理設(shè)計(jì)并推出了一種礦井式重力儲(chǔ)能電池，利用絞車和重物塊的互相配合，將電網(wǎng)過(guò)余電能儲(chǔ)存在地下千米深礦井中懸掛著的重物塊勢(shì)能中，以備能量稀缺時(shí)放下重物塊釋放能量[15,16,47]。其基本設(shè)計(jì)思路與能源庫(kù)Energy Vault型塔吊式重力儲(chǔ)能電池類似但又有所不同，二者都是利用懸掛著的重物塊實(shí)現(xiàn)電能與勢(shì)能的互相轉(zhuǎn)化，但Gravitricity公司提出利用地下礦井代替高塔，不僅占地面積小，而且能夠有效利用現(xiàn)有廢棄礦井資源，通過(guò)在地下豎井中提升和下放重物塊進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與利用。

礦井式重力儲(chǔ)能電池試驗(yàn)系統(tǒng)位于英國(guó)蘇格蘭愛(ài)丁堡Leith港口，其外形是一座地面電梯井，高約12 m，主要由絞車、電機(jī)、鋼纜和電梯井架組成。試驗(yàn)系統(tǒng)中所用的重物塊是一個(gè)重達(dá)50 t的鐵塊，其儲(chǔ)能容量約為250 kW，按照設(shè)計(jì)方案，該重物塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)能量的秒級(jí)響應(yīng)并完成放電，能夠有效儲(chǔ)存過(guò)余的太陽(yáng)能與風(fēng)能[15]。根據(jù)Ruoso等學(xué)者研究數(shù)據(jù)，對(duì)于深12 m的礦井，一個(gè)高5 m、直徑4 m的重物塊就可以存儲(chǔ)11 kWh的電量，其能量轉(zhuǎn)化效率理論上可以達(dá)到90%，使用壽命也可達(dá)到50年[30]?；贕ravitricity公司一個(gè)為期25年的項(xiàng)目測(cè)算，該類型重力儲(chǔ)能電池發(fā)電成本約為171美元/兆瓦時(shí)，而傳統(tǒng)的商業(yè)鋰電池發(fā)電成本為377美元/兆瓦時(shí)，現(xiàn)有電網(wǎng)級(jí)大型液體電解質(zhì)型流體電池發(fā)電成本約為274美元/兆瓦時(shí)，由此可見(jiàn)，Gravitricity發(fā)電成本要遠(yuǎn)低于電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)電成本，具有廣闊的發(fā)展前景[15]。

目前，該類型重力儲(chǔ)能技術(shù)尚處于演示試驗(yàn)階段，上述試驗(yàn)系統(tǒng)僅為商業(yè)展示及測(cè)試用途。按照Gravitricity公司設(shè)想，為增大儲(chǔ)能容量，預(yù)期2023年完成重力儲(chǔ)能電池全尺寸設(shè)計(jì)，儲(chǔ)能使用重物塊質(zhì)量將達(dá)到500噸，重物塊將會(huì)被置于約1000m深的地下豎井或基于現(xiàn)有廢棄礦井改造的儲(chǔ)能礦井中，以生產(chǎn)達(dá)到4兆瓦的峰值功率，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在捷克共和國(guó)、波蘭和南非等國(guó)考察礦井選址[15]。根據(jù)礦井式重力儲(chǔ)能技術(shù)數(shù)學(xué)建模分析數(shù)據(jù)，Morstyn等學(xué)者研究結(jié)果顯示僅英國(guó)政府煤炭管理局收錄的3 234口廢棄礦井中就有340口礦井可用于安裝1 MWh級(jí)別以上的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，并建議重物塊由鐵礦石建造，其質(zhì)量應(yīng)控制在3 000 t以內(nèi)[32]。另外，Botha和Kamper學(xué)者的研究數(shù)據(jù)表明，Gravitricity重力儲(chǔ)能技術(shù)因受到重物塊質(zhì)量和重物塊提升高度限制，實(shí)際能量密度可能較低，放電時(shí)間較短，較高的功率密度使其更適合高功率分布式發(fā)電服務(wù)[48]。若要儲(chǔ)存更多的能量或面對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的電力輸出，可以參考Energy Vault型塔吊式重力儲(chǔ)能電池模塊化設(shè)計(jì)模式，將質(zhì)量為500～5 000 t的重物塊疊加使用[16]。

圖4 Gravitricity型礦井式重力儲(chǔ)能技術(shù)原理示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，中國(guó)電力行業(yè)發(fā)展迅猛，始終走在世界前列，中國(guó)有著深厚的電力工業(yè)基礎(chǔ)，但目前仍然是以煤炭發(fā)電為主。為減緩CO2對(duì)氣候變化的影響，發(fā)展清潔可再生能源與儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于重塑能源格局具有重要意義。在我國(guó)提出“碳達(dá)峰-碳中和”碳排放目標(biāo)后，以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的可再生能源爆發(fā)式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)已經(jīng)不可逆，儲(chǔ)能作為發(fā)展低碳或零碳電力系統(tǒng)的重要支撐，在未來(lái)能源體系中扮演重要角色。其中，重力儲(chǔ)能的實(shí)際建設(shè)規(guī)模和應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)重力儲(chǔ)能發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益具有很重要的影響，其額定功率與儲(chǔ)能容量的分離性使得它們可以匹配不同的應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)快速響應(yīng)、較長(zhǎng)的使用壽命、較低的商業(yè)價(jià)格等不同場(chǎng)景要求，可以匹配不同的重力儲(chǔ)能技術(shù)和不同的重力儲(chǔ)能建設(shè)規(guī)模[32]。雖然重力儲(chǔ)能技術(shù)得到了新的技術(shù)突破與商業(yè)探索，但仍受到相關(guān)政策和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大幅度制約[15,16]。電力市場(chǎng)價(jià)格、初期成本和資本利率的波動(dòng)，會(huì)直接影響重力儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)營(yíng)成本，而建造時(shí)間和使用壽命則會(huì)間接影響重力儲(chǔ)能技術(shù)的長(zhǎng)期利潤(rùn)[18]。

可以看出，新型重力儲(chǔ)能技術(shù)相較于傳統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能方法具有安全、儲(chǔ)能容量大、對(duì)環(huán)境影響較小等優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)抽水蓄能重力儲(chǔ)能方法則顯著降低了對(duì)地理?xiàng)l件和水資源的依賴。工作方式上，傳統(tǒng)的抽水蓄能技術(shù)和改進(jìn)后的重力活塞驅(qū)動(dòng)式抽水蓄能技術(shù)都是通過(guò)水力能量實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，而Energy Vault型塔吊式重力儲(chǔ)能技術(shù)、Gravitricity型礦井式重力儲(chǔ)能技術(shù)、Ares型山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)則是直接通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式控制能量的儲(chǔ)存與釋放。按照新型重力儲(chǔ)能電池設(shè)計(jì)原理，上述四種新型重力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，均是重物塊質(zhì)量和其有效位移越大，儲(chǔ)能級(jí)別和容量越高，但隨之而來(lái)的工程風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越高，如繩索懸重強(qiáng)度、地基及基坑穩(wěn)定性、塔吊和絞車工作性能(如牽引力、牽引速度等)和重物塊在牽引過(guò)程中力學(xué)完整性等[15,22,32,38]。按照具體重力儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)能方法的不同，重力儲(chǔ)能技術(shù)均受到儲(chǔ)能設(shè)備建造規(guī)模的影響。Ares型重力儲(chǔ)能技術(shù)大幅度受到山體坡度和現(xiàn)有軌道影響，適用于摩擦系數(shù)小、坡度較大的退役式山地軌道；Gravitricity型和Gravity Power型重力儲(chǔ)能技術(shù)受到巖土力學(xué)和井壁完整性的影響，適用于較堅(jiān)硬的、壓實(shí)緊密的土層(如風(fēng)化沉積的巖土層)；Energy Vault的建造規(guī)模則受到塔寬限制，塔寬越大，建筑占地面積越大，能量密度就越低，特定地基條件下存在最佳建筑半徑[17,24]。

總而言之，隨著不同機(jī)械儲(chǔ)能方法的提出，重力儲(chǔ)能技術(shù)在原有抽水蓄能的基礎(chǔ)上得到了顯著發(fā)展，新型重力儲(chǔ)能技術(shù)大幅度降低了對(duì)地理?xiàng)l件的依賴，具有儲(chǔ)能容量大、能量轉(zhuǎn)化率高和運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于儲(chǔ)能行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，但大幅度受到當(dāng)?shù)卣呒笆袌?chǎng)等因素影響。低碳/無(wú)碳能源政策的及時(shí)制定與落實(shí)，將切實(shí)推動(dòng)重力儲(chǔ)能及其他儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，以平衡或逐步降低目前廉價(jià)煤炭、石油、天然氣市場(chǎng)在能源格局中所占比例。