索比光伏网
我要投稿
重力势能储能的工作原理和储能结构
新型重力储能研究综述摘 要
随着可再生能源的不断发展，电网对各种储能技术的需求日益增长。重力储能是一种环保性和经济性均具有竞争力的物理储能，近年来受到了越来越广泛的关注。本文介绍了重力势能储能这一物理储能方式的工作原理和储能结构，详细分析了新型抽水储能、基于构筑物高度差、基于山体落差、基于地下竖井的重力储能系统及综合储能系统，介绍了国内外重力储能的研究现状及示范工程，总结并分析了各种储能结构的优势和不足，最后展望了重力储能的发展前景，并提出了发展建议。
关键词 物理储能；重力势能；水介质；固体介质
为了解决传统化石能源的匮乏和环境污染问题，可再生能源近年来发展迅猛。而可再生能源具有随机性、波动性和间歇性的特点，电网中的可再生能源发电占比逐渐提高，会对电网安全稳定运行带来越来越严峻的挑战。发展各种储能技术，是解决高比例可再生能源电网安全稳定运行的重要举措，也是平移电能必不可少的手段。随着光伏、风电发电成本的逐年下降，以及各省市陆续发布的关于开展储能示范的实施意见，储能技术的发展日益成为新能源和新型电力系统发展的热点和重点。
目前的储能方式大致分为化学电池储能、物理储能及电转燃料储能3种主要形式。电化学储能的储能成本较低，但在大规模储能应用时其安全性和环保性仍是人们重点关注的问题；电转燃料储能发展迅猛，适合超长时间的能量转移；物理储能则适合电网调峰和实现电能昼夜转移。物理储能主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、电磁储能等。重力储能作为一种物理储能方式，其系统本质安全、选址灵活，同时具有零自放电率、储能容量大、放电深度高等优势，近年来受到了国内外越来越多的关注，本文介绍了目前世界上除抽水蓄能之外的一些重力势能储能应用。
1 重力储能原理
重力储能是一种机械式的储能，其储能介质主要分为水和固体物质，基于高度落差对储能介质进行升降来实现储能系统的充放电过程。因为水的流动性强，水介质型重力储能系统可以借助密封良好的管道、竖井等结构，其选址的灵活性和储能容量受地形和水源限制，在自然水源附近更易建成大规模的储能系统。固体重物型重力储能主要借助山体、地下竖井、人工构筑物等结构，重物一般选择密度较高的物质，如金属、水泥、砂石等以实现较高的能量密度。
水介质储能系统主要采用电动发电机和水泵涡轮机进行势能和电能转换，一般通过水阀、电动发电机的电流等参数进行控制以实现充放电过程。固体重物型的储能系统主要利用起重机、缆车、有轨列车、绞盘、吊车等结构实现对重物提升和下落控制，功率变换系统主要包括电动发电机以及机械传动系统，通过电动发电机的电流等参数进行控制以实现充放电过程。
与其他储能系统一样，重力储能会出现能量损耗，例如摩擦损耗、电机损耗、变流损耗等。储能介质在完成释能下放时也将保留一部分的动能，该部分动能也将形成储能系统的损耗。因此，可以将重力势能储能的整体效率ζs定义为发电期间提供给消费者的能量Eg与储能期间消耗的能量Ep之比。显然，整体效率取决于储能效率ζp与发电效率ζg
2 国内外研究现状
人们在19世纪末就开始利用重力储能修建了抽水蓄能电站，我国在20世纪60年代后期开始研究建设抽水蓄能电站，截至目前装机容量超过4000万千瓦，已达世界首位。由于重力是一种相对较弱的力，抽水蓄能系统的能量密度较低，为了大规模储存能量需要落差较大的地形和大量水源，在水源匮乏地区及海洋环境无法建成。因此，科研人员根据重力势能储能的原理，结合重力势能储能容量大、可长时间储能、储能效率较高的优点，设计建造了许多重力储能系统。
根据重力储能的储能介质和落差实现路径的不同，本文将重力储能分为以下4类：新型抽水储能、基于构筑物高度差的重力储能、基于山体落差的重力储能和基于地下竖井的重力储能。
2.1 新型抽水储能
新型抽水储能是传统抽水蓄能的变种，虽然同样需要水来形成液位差，通过水泵/水轮机来实现充放电，但是不需要修建上下两个水库，占地面积大大减小。目前研究可分为海水抽水蓄能、海下储能系统和活塞水泵系统。
由于淡水抽水蓄能电站受自然环境、气候条件、地形地貌等限制，选址日益困难，而我国沿海经济发达地区电力负荷日益增大，因此《水电发展“十三五”规划》提出要推动建设海水抽水蓄能电站，解决新能源消纳、间歇性等问题。常规海水抽储是在海边建设上水库，将海洋作为下水库，发电时海水通过水泵水轮机组从上库排往海洋，将海水重力势能转化为电能，储能时将海水抽至上水库，以海水重力势能形式存储。排水型海水抽储是在海湾修筑水坝，将坝内水库作为下库，海洋作为上库，利用水坝内外海水落差进行储能和发电。日本冲绳在1999年建设了世界首座海水抽水蓄能电站(图1)，可蓄水564000 m3，有效落差136 m，最大出力30 MW。爱尔兰、智利等国也开始部署海水抽储的相关研究工作。我国已经完成了海水抽储的资源普查工作，但还未有海水抽储建设项目。海水抽水蓄能电站工程复杂，海水腐蚀、海洋生物附着会破坏设备，影响电站性能，沿海地区自然灾害频繁，海水还会污染陆地土壤和地下水，因此需要严格的工程防护和评估检查。
图1 日本冲绳海水抽水蓄能电站
海下储能系统由德国法兰克福歌德大学教授Horst Schmidt-Böcking和萨尔布吕肯大学Gerhard Luther博士于2011年提出，形似海底“巨蛋”，利用海水静压差通过水泵-水轮机进行储能和释能，德国Fraunhofer风能和能源系统技术研究所(IWES)2016年在博登湖进行了水上测试。这种称为StEnSea的结构(图2)使用多个直径30 m、壁厚2.7 m的中空球体，存储容量可达12000 m3。据报道这些“海蛋”储能容量为20 MWh，功率为5～6 MW，效率为65%～70%。该项目负责人表示通过全球探测，适合建造该系统的总储能规模有8170亿千瓦时。这种储能结构可以合理利用海洋空间，适合沿海地区的大规模储能，利于海上风电、潮汐能的消纳利用，但中空球体的制造、海底系统的加固以及与海面沟通的电缆和管道的架设问题都亟待解决。
图2 德国海下储能StEnSea储能系统
新型抽水储能的另一种结构由Heindl Energy、Gravity Power、EscoVale这几家公司在2016年先后提出，称为活塞水泵结构(图3)，利用活塞的重力势能在密封良好的通道内形成水压进行储能和释能，Gravity Power公司2021年开始在巴伐利亚建设兆瓦级示范工程(图4)。这些结构具体原理是用圆柱状的活塞嵌放在形状相同的储水池中，有富余电力时，泵会把水压入储水池中，此时岩石活塞就会被水压提起，即电能转化成了重力势能。而当电网需要电能供应时，闸门会打开，此时活塞下降，挤压储水池中的水流经泵来发电，此时重力势能会转化成电能。活塞水泵储能原理相同，根据储能容量分为以下几种：gravity power module (GPM)和hydraulic hydro storage (HHS)、ground breaking energy storage (GBES)。GPM系统使用直径30～100 m的活塞，轴深500～1000 m，功率密度191 kW/m3，目标提供40 MW/160 MWh至1.6 GW/6.4 GWh电量，效率据称可达75%～80%，平准化储能成本约0.38元/kWh，功率密度高，适合城市中小功率储能。HHS和GBES系统储能容量设计大于1 GWh，效率据称可达80%，平准化储能成本为0.58～1.2元/kWh，储能容量大，适合大规模储能。
图3 活塞水泵储能系统
图4 巴伐利亚兆瓦级示范工程
这种技术的储能容量取决于活塞的质量以及活塞能被抬升的高度，可以实现电网等级的长时间(6～14 h)储能，能量转换效率据称可以达到80%左右，并且可以反复使用，为电网削峰填谷、消纳可再生能源提供了新的途径。这项技术最大的难点在于活塞与水池壁之间以及活塞自身的密封使其足以抵抗水压，并且只能建造在地质足够坚硬的地区。虽然难以达到抽水蓄能电站的储能规模，但这种储能系统对水的需求只有抽水蓄能的1/4，占地面积更小、能量密度更大。
2.2 基于构筑物高度差的重力储能
固体重物可以利用构筑物高度差来进行重力储能。目前的研究主要有储能塔、支撑架、承重墙等结构。
储能塔结构由Energy Vault公司提出，是一种利用起重机将混凝土块堆叠成塔的结构，利用混凝土块的吊起和吊落进行储能和释能(图5)，凭借这一独特技术，获得了日本软银集团愿景基金1.1亿美元投资，并于2019年在印度部署了第1台35 MWh的系统(图6)。这个储能系统包含了1台超大型六臂式起重机，以及大量重达35 t的混凝土块。混凝土砖塔的容量可达35 MWh、峰值功率可达4 MW，起重机在2.9 s的时间里就能发电并且往返一次的能源效率据称能够达到90%。这一系统可以在8～16 h内4～8 MW连续功率放电，实现对电网需求的高速响应，官网宣称该技术平准化成本约为0.32元/kWh。
图5 Energy Vault概念图
图6 Energy Vault印度35 MWh系统
国内徐州中矿大公司2017年提出利用支撑架和滑轮组提升重物储能的方案，并采用定滑轮组和减速器以减少电机成本(图7)。上海发电设备成套设计研究院2020年提出了一种利用行吊和承重墙堆叠重物的方案，空间利用率高，储能密度大。利用构筑物高度差储能选址灵活且易于集成化和规模化，但必须确保建筑稳定以及对塔吊、行吊的精度控制，吊装机构、滑轮组和电机的整体效率也有待提升，如何在室外环境做到毫米级别的误差控制是制约这种技术发展的关键问题。
图7 徐州中矿大支撑架+滑轮组系统
2.3 基于山体落差的重力储能
可以利用山体落差和固体重物的提升来进行重力储能，相比人工构筑物结构更加稳定，承重能力更强。目前的研究主要有ARES轨道机车结构、MGES缆车结构、绞盘机结构、直线电机结构和传送链结构等。
美国ARES公司(Advanced Rail Energy Storage)2014年提出一种机车斜坡轨道系统，机车在轨道上上坡下坡进行储能和释能(图8)，2020年在内华达州开始施工建设。该技术已在加州特哈查皮的一个试点项目中测试成功，其首个商业部署正在内华达州帕伦普市开发，并将与加州电网连接。这个储存系统将使用一个由210辆货车组成的车队，总重7.5万吨，在10条长度9.3 km、平均坡度7%的轨道上，电动机带动链条将这些货车拖到山顶。当需要电力时，车辆被送回山下，当它们下落时，链条带动发电机发电。ARES宣称，这座储能系统可以提供持续15 min 50 MW的电力，效率可达75%～86%。这种储能系统利用了山地地形和轨道车辆，可以实现室外环境下大容量储能，但平整山坡的土建成本较高，链条传动平稳性差易磨损，还需要进一步的结构优化。
图8 ARES公司轨道车辆储能系统
奥地利IIASA研究所2019年在Energy杂志上发表了一种山地缆绳索道结构(图9)，缆绳吊起吊落重物进行储能和释能。该储能系统MGES(mountain gravity energy storage)由两个平台连接而成，每一个平台都由一个类似矿山的砂砾储存站和一个正下方的加砂站组成。阀门将沙石填放入筐内，然后通过起重机和电机电缆将其运送到高海拔平台。当沙石被运回山下时，储存的重力势能被转化为电能。与抽水蓄能电站等传统的长期蓄水方法相比，MGES对环境的影响很小。该系统储能容量设计为0.5～20 MWh，发电功率500～5000 kW，储能平准化成本约为0.323～0.647元/kWh。这种储能系统利用了天然山坡、使用砂砾作为储能介质可以减少建造成本，但缆车运载能力较低，室外环境对缆车运行影响较大，如何实现稳定高效率的能量回收是此系统的研究难点。
图9 MGES系统概念图
2014年天津大学提出利用斜坡轨道和码垛机进行重力势能储能的构想(图10)，使用绞盘拖拉缆绳带动拖车，并使用电动发电一体机提高整体储能效率。中科院电工研究所2017年提出了两种重载车辆爬坡储能方案(图11)，一种是采用永磁直线同步电机轮轨支撑结构，电动发电都通过直线电机完成；一种是利用多个电动绞盘拉拽车辆，分段储能。中电普瑞电力工程有限公司2020年提出利用传送链提升重物的方案，减少了能量的中间变换环节，可长时间连续工作。利用山体落差进行储能结构稳定，没有倒塌风险，可以实现更大规模的重力储能。
图10 天津大学斜坡轨道+码垛机系统
Fig. 10 Ramp track + palletizer system, Tianjin University
图11 中国科学院电工研究所重载车辆爬坡系统
2.4 基于地下竖井的重力储能
与地上的重力储能系统受天气和自然环境影响不同，重力储能系统向地下发展也是一种研究趋势。
苏格兰Gravitricity公司提出了一种在废弃钻井平台利用绞盘吊钻机进行储能的机构(图12)。Gravitricity利用废弃钻井平台与矿井，在150～1500 m长的钻井中重复吊起与放下16 m长、500～5000 t的钻机，通过电动绞盘，在用电低谷时将钻机拉升至废弃矿井，用电高峰时再让钻机笔直落下，进而“释放”存储起来的能量，该系统可以控制重物下落速度改变发电时间和发电功率。该公司声称此系统可以在1 s之内快速反应，使用寿命长达50 a，效率最高可达90%。储能容量可自由配置1～20 MW，输出持续时间为15 min～8 h。Gravitricity预计在属于封闭式深水港的利斯港口打造示范工程，建设成本约100万英镑，目标建成4 MW级全尺寸重力储能系统。这种储能技术在封闭的矿井中工作，减少了自然环境的影响，安全系数较高。如何提高电动绞盘的工作稳定性，减少重物的旋转晃动以及固定等问题是研究的重点。
图12 Gravitricity公司废弃钻井储能
葛洲坝中科储能技术公司2018年提出了利用废弃矿井和缆绳提升重物的方案(图13)，解决了废弃矿井长时间不使用的风险和浪费问题，也降低了重力储能系统的建设成本。但深井吊机的载重能力有限，重物和机组受井口尺寸限制，长绳索提升重物的形变、旋转摆动问题仍待优化，废弃矿井资源有限，选址不够灵活，还有瓦斯泄漏等安全隐患。
图13 葛洲坝中科储能废弃矿井+缆绳系统
2.5 综合储能系统
重力势能储能还可与其他储能系统结合形成一种综合式的储能系统。华能集团2020年提出了一种重力压缩空气储能系统(图14)，兼具了压缩空气储能能量密度高和重力储能布置灵活的优点。西安热工研究院2021年提出了一种新能源发电结合电池及重力储能的系统(图15)，新能源可直接充电至重力储能系统减小电力传输损耗，避免了单个重力储能模块的频繁启停对系统运行的影响。
图14 华能集团重力压缩空气储能系统
图15 西安热工研究院新能源发电结合电池及重力储能系统
重力储能作为一种能量型储能方式，启动时间较慢，难以提供电网惯性，但其储能容量大、出力时间长、单位能量成本低，可以精确跟踪电网调度指令，提升电网二次调频容量。重力势能储能联合其他功率型储能形式(如飞轮储能、超级电容器储能)可以有效解决新能源并网带来的频率、电压不稳定问题，也可以削峰填谷，解决新能源发电出力和需求不匹配的问题。
表1是上文所提几种新型重力储能技术理论参数对比，目前均处于研发阶段，还未有工程示范实验数据。
表1 多种新型重力势能储能技术对比
3 展望和建议
表1对以上几种重力储能技术进行了比较。从表中可以看出，水介质型重力储能系统在功率和储能容量方面不及传统的抽水蓄能，但响应时间短、选址更灵活，海下储能系统可以合理利用海洋空间，活塞水泵系统可以为城市提供储能服务，储能成本和效率也与抽水蓄能相当。固体重物型重力储能系统的储能容量和功率由大到小排为：基于山体落差系统>基于地下竖井系统>基于构筑物系统。固体重物型储能系统由于不需要水泵、水轮机结构，理论上可以实现比抽水蓄能更高的储能效率，响应时间也更短，可以根据不同地形和需求灵活选择不同储能结构。
由上述研究可见，重力势能储能方案结构众多，各有优劣，宜根据不同地形和储能需求来设计重力储能系统。其中基于山体落差和地下竖井的重力储能相较而言更具发展前景，而与之相关的电动/发电机技术、吊装技术和重物/电机群控技术将成为研究重点。重力势能系统的功率和容量与被提升物的质量和抬升高度有关，比较适合于建设中等功率和容量的储能系统，但通过建设多个重力储能系统集群，可以获得更大容量和功率，从而实现其规模化利用。今后的重点研究课题主要包括大功率电动/发电机及其运行控制、重力储能系统集群运行与控制、重力储能系统的稳定性和全天候适应性等。
作者：王粟 1,2 肖立业 1,2 唐文冰 1,2张京业 2邱清泉 2郭文勇 2张东 2
单位：1. 中国科学院大学； 2. 中国科学院电工研究所
引用：王粟,肖立业,唐文冰等.新型重力储能研究综述[J].储能科学与技术,2022,11(05):1575-1582.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2021.0590
