什么是重力儲能？

按照傳統(tǒng)分類，重力儲能是一種物理儲能，通過對儲能介質(zhì)進(jìn)行高度或壓力的升降來實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。

根據(jù)介質(zhì)不同，分為液體介質(zhì)儲能系統(tǒng)和固體介質(zhì)儲能系統(tǒng)。固體介質(zhì)儲能系統(tǒng)是基于高度落差，升降主要借助山體、豎井、構(gòu)筑物等，重物一般選擇密度較高的金屬、水泥、砂石等材質(zhì)。液體介質(zhì)儲能系統(tǒng)是基于高度差或壓力差，通過水閥、電動發(fā)電機(jī)的電流等參數(shù)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)充放電過程。

重力儲能基本原理

重力儲能是通過在有天然或人造高度差的場景中，將液體或者固體重物上升或下降來實(shí)現(xiàn)勢能存儲和釋放發(fā)電。充電時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)調(diào)控指令，重力輪機(jī)將下倉的重物依次提升至位置較高的上倉，將電能轉(zhuǎn)化為重物的勢能；放電時(shí)，將重物依次下降驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，重物的勢能轉(zhuǎn)換為電能。

重力儲能典型分類

根據(jù)重力儲能的儲能介質(zhì)和落差實(shí)現(xiàn)路徑的不同，新型重力儲能可分為基于構(gòu)筑物高度差的重力儲能、基于山體落差的重力儲能和基于地下豎井的重力儲能等技術(shù)路線。不同技術(shù)路線均具有一定的應(yīng)用場景，其中：

基于構(gòu)筑物高度差型式優(yōu)勢在于選址比較靈活、預(yù)期的效率高，但可實(shí)現(xiàn)的落差有限，導(dǎo)致單位投資水平和度電成本過高、同容量占地大、安全事故的影響也比較大； 基于山體落差型式具有投資低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)勢，重物的選擇范圍也很大，但其理論效率低，并且選址受限制、運(yùn)行易受環(huán)境影響； 基于地下豎井的重力儲能可分為利用廢棄礦井和新建礦井兩類，利用廢棄礦井成本較低、廢棄資源可二次利用、對環(huán)境影響小，但同時(shí)也受到選址、礦井處理難度差異不同等限制； 新建礦井具有選址靈活、運(yùn)行環(huán)境較安全穩(wěn)定且受限制小的優(yōu)勢，同規(guī)模容量下投資和效率也比較好，但其周期較長，工程技術(shù)和設(shè)備技術(shù)要求也較高。

重力儲能項(xiàng)目及對比情況

為尋找高性價(jià)比的儲能方式，海內(nèi)外提出了基于抽水蓄能、構(gòu)筑物高度差、山體落差、地下豎井等多種重力儲能技術(shù)路線。從技術(shù)發(fā)展情況來看，2020年7月，應(yīng)用EV1技術(shù)的瑞士的5MW商業(yè)示范單元(CDU)完工并網(wǎng)，成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模部署?；谠撌痉俄?xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，2021年，EV陸續(xù)推出二代EVx技術(shù)模塊和EVS儲能管理集成平臺。Gravitricity提出懸掛式重力勢能技術(shù)，并于2021年在愛丁堡利斯港使用15米高的鉆機(jī)成功建造、調(diào)試并運(yùn)營了一個(gè)250kW的重力勢能并網(wǎng)示范項(xiàng)目。經(jīng)前期項(xiàng)目檢驗(yàn)，EV和Gravitricity重力儲能項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2022年率先落地商用。2022年1月EV子公司Atlas獲得EV技術(shù)授權(quán)用于江蘇如東100MWh的重力儲能示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2022年7月投入商業(yè)運(yùn)營。此外，EV與DG Fuels的路易斯安那州500MWh合作項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2022年年中開始建設(shè)。Gravitricity預(yù)計(jì)的第一個(gè)歐洲全面項(xiàng)目也進(jìn)入選址期。其余路線基本仍處于試驗(yàn)階段。

從各種重力儲能性能比較上來看，水介質(zhì)型重力儲能系統(tǒng)在功率和儲能容量方面不及傳統(tǒng)的抽水蓄能，但響應(yīng)時(shí)間短、選址更靈活，海下儲能系統(tǒng)可以合理利用海洋空間，活塞水泵系統(tǒng)可以為城市提供儲能服務(wù)，儲能成本和效率也與抽水蓄能相當(dāng)。固體重物型重力儲能系統(tǒng)的儲能容量和功率由大到小排為：基于山體落差系統(tǒng)>基于地下豎井系統(tǒng)>基于構(gòu)筑物系統(tǒng)。固體重物型儲能系統(tǒng)由于不需要水泵、水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，理論上可以實(shí)現(xiàn)比抽水蓄能更高的儲能效率，響應(yīng)時(shí)間也更短，可以根據(jù)不同地形和需求靈活選擇不同儲能結(jié)構(gòu)。

重力儲能的優(yōu)勢

重力儲能的優(yōu)勢主要包括：

安全環(huán)保：在重物運(yùn)輸和機(jī)械發(fā)電過程中，重力儲能利用物理原理，不涉及化學(xué)反應(yīng)，幾乎沒有有害物質(zhì)排放。同時(shí)，電站建設(shè)一般依托于廢棄礦井或高塔，對自然環(huán)境影響小。

適應(yīng)性強(qiáng)：重力儲能對土地面積要求不高，可利用向上空間，且采用混凝土塊蓄能模式，不涉及水、石頭等自然資源，因此不需要臨山或依水而建，在選址上具有更好的適應(yīng)性。

壽命長：重物以混凝土或當(dāng)?shù)夭牧蠟橹鞑?，或者利用其他再生材料，能循環(huán)使用數(shù)十年，運(yùn)行過程中重物損耗小。

成本較低：重力儲能電站可利用廢棄礦井、廢棄高塔為建筑主體，同時(shí)蓄能重物也可以采用再生資源，因此建造成本較低。并且電站運(yùn)行過程中不易受自然環(huán)境變化影響，重物勢能在儲存期間能量不會流失。若取材利用合適，重物成本可以大大降低。

時(shí)間長且無自放電問題：重力儲能電站上下倉擴(kuò)展相對容易，重物勢能儲存期間不會有損失，具備長時(shí)間儲能的便利條件和先天優(yōu)勢。

重力儲能開發(fā)難點(diǎn)

重力儲能的難點(diǎn)主要包括：

開發(fā)電網(wǎng)儲能級別的重力儲能電站需要一定的容量規(guī)模，相關(guān)硬件設(shè)備需要響應(yīng)快、調(diào)節(jié)靈敏。如何穩(wěn)定、高效運(yùn)行是研制勢能轉(zhuǎn)化設(shè)備需要解決的重點(diǎn)之一。 重力儲能電站上下倉分別高位、低位獨(dú)立布置，使得占地較大，這也直接影響重力儲能電站的土地占用、空間利用等情況，直接影響項(xiàng)目成本，需重點(diǎn)研究和規(guī)劃。、

材料和選址應(yīng)發(fā)揮最優(yōu)效應(yīng)。重力儲能電站的重物數(shù)量較大，重物材料采用混凝土為主材較為合適，同時(shí)還應(yīng)該盡量利用已有廢棄材料或就地取材，如建筑垃圾、砂石等，以降低對環(huán)境的不利影響，還能大幅降低成本。另外，在風(fēng)力發(fā)電站附近，將現(xiàn)場處理、加工廢棄的風(fēng)機(jī)作為重物，也是一種可選擇的方式。

重力儲能發(fā)展歷程

重力儲能的發(fā)展歷程可以分為幾個(gè)關(guān)鍵階段，從早期的理論研究到現(xiàn)代的應(yīng)用和商業(yè)化嘗試：

技術(shù)探討期：

在這個(gè)階段，重力儲能技術(shù)主要是在實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模試驗(yàn)中進(jìn)行探索，以驗(yàn)證其基本原理和可行性。

技術(shù)實(shí)驗(yàn)期：

隨著技術(shù)的初步成熟，重力儲能開始進(jìn)入更廣泛的實(shí)驗(yàn)階段，包括各種結(jié)構(gòu)的測試和優(yōu)化。

技術(shù)商用期：

近年來，重力儲能開始逐步商業(yè)化，例如瑞士的Energy Vault公司推出的重力儲能系統(tǒng)，這標(biāo)志著重力儲能技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

重力儲能產(chǎn)業(yè)鏈

中游儲能系統(tǒng)集成商或?qū)⒊蔀橹亓δ墚a(chǎn)業(yè)鏈主角。產(chǎn)業(yè)鏈上游以建設(shè)原材料（水泥、金屬、鋼鐵等）和裝備為主，中游為儲能系統(tǒng)集成商，下游應(yīng)用分布在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)以及用戶側(cè)。

主要企業(yè)

中國天楹

中國天楹股份有限公司是一家從事零碳環(huán)保新能源、智慧城市及環(huán)境服務(wù)、再生資源利用的大型國際化上市公司。公司業(yè)務(wù)覆蓋新能源發(fā)電、區(qū)域能源中心、氫能中心、循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園、垃圾焚燒發(fā)電的投資、建設(shè)、運(yùn)營、環(huán)保技術(shù)裝備、儲能技術(shù)裝備的研究開發(fā)與制造,智慧環(huán)境及智慧城市管家服務(wù),餐廚垃圾、危險(xiǎn)廢物、建筑垃圾等廢棄物的減量化、資源化、無害化處置等。

在國家雙碳戰(zhàn)略有序推進(jìn)、能耗雙控逐步轉(zhuǎn)向碳排放雙控的大背景下,中國天楹致力于依靠先進(jìn)的重力儲能技術(shù)、智慧能源管理技術(shù)、氫基化工技術(shù),打造風(fēng)光儲氫氨新型能源業(yè)務(wù)生態(tài),助力國家新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建和社會經(jīng)濟(jì)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

南網(wǎng)儲能

南網(wǎng)儲能是南方電網(wǎng)公司控股子公司,于2022年9月重組上市，是南方電網(wǎng)公司旗下唯一的抽水蓄能和新型儲能運(yùn)營平臺,深切融入國家規(guī)劃建設(shè)新型能源體系大局,為服務(wù)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)作出積極貢獻(xiàn)。業(yè)務(wù)范圍覆蓋廣東、廣西、云南、貴州、海南五省。

近日，南網(wǎng)儲能公司儲能科研院開展的重力儲能原創(chuàng)技術(shù)研究取得了系列創(chuàng)新突破，這標(biāo)志著公司在開拓儲能優(yōu)勢領(lǐng)域取得了階段性成果。

2023年9月，儲能科研院正式啟動重力儲能技術(shù)創(chuàng)新研究。儲能科研院技術(shù)團(tuán)隊(duì)不僅首創(chuàng)了基于直驅(qū)式電機(jī)的固態(tài)重力儲能技術(shù)方案，且自主研發(fā)設(shè)計(jì)了磁通切換式永磁直線電機(jī)本體及其控制算法。這一系列的技術(shù)創(chuàng)新大大簡化了傳統(tǒng)機(jī)械式傳動機(jī)構(gòu)，提高了運(yùn)維可靠性，并有效降低了設(shè)備全生命周期成本。

國家電網(wǎng)

由國網(wǎng)江蘇經(jīng)研院牽頭組織編寫的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《基于同步電機(jī)的重力儲能系統(tǒng)并網(wǎng)與保護(hù)技術(shù)要求》正式發(fā)布并于同日實(shí)施。這是國內(nèi)外重力儲能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)布的第一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對推動全球重力儲能行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展具有重要意義。

2022年5月16日，中國天楹與國網(wǎng)就重力儲能技術(shù)研究等達(dá)成戰(zhàn)略合作。雙方將成立協(xié)作團(tuán)隊(duì)、共同推進(jìn)建設(shè)如東100MWh用戶側(cè)重力儲能示范項(xiàng)目。基于“新能源+重力儲能”的源網(wǎng)荷儲一體化技術(shù)，持續(xù)革新重力儲能技術(shù)，探索用電、發(fā)電、儲能、調(diào)峰調(diào)頻組合模式，積極拓寬重力儲能技術(shù)應(yīng)用場景，推動儲能技術(shù)的多元化應(yīng)用，加快實(shí)現(xiàn)儲能核心技術(shù)自主化，推動儲能成本持續(xù)下降和規(guī)模化應(yīng)用。國網(wǎng)江蘇綜能協(xié)助推進(jìn)項(xiàng)目參與中長期交易、現(xiàn)貨、需求響應(yīng)、調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)等各類電力市場，具體雙方分享收益另行約定。

中國能建

中國能建華北院首創(chuàng)300MWh豎井式重力儲能技術(shù)，構(gòu)建超重載運(yùn)輸系統(tǒng)、研制國內(nèi)首臺高效重力發(fā)電機(jī)組、自主開發(fā)仿真平臺、研發(fā)多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)等，形成了重力儲能模塊化工程方案。

張家口赤城重力儲能國家示范項(xiàng)目是全球首個(gè)豎井式重力儲能工程化應(yīng)用項(xiàng)目，建成后將實(shí)現(xiàn)單機(jī)功率、單模塊功率、單體項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模三項(xiàng)世界第一。

國家電投

2022年8月13日，中國天楹與國家電投集團(tuán)浙江新能源有限公司簽訂合作框架協(xié)議：爭取在三年內(nèi)，通過雙方有效合作，在長三角地區(qū)獲取不低于1GWh重力儲能項(xiàng)目、5GW綠電項(xiàng)目，并就如東重力儲能項(xiàng)目、灘涂光伏項(xiàng)目優(yōu)先開展合作。

粵水電

2023年9月27日，中國天楹公告，其全資子公司江蘇能楹新能源科技發(fā)展有限公司與粵水電全資子公司新疆粵水電能源有限公司簽訂《戰(zhàn)略合作協(xié)議》。江蘇能楹將充分發(fā)揮新能源開發(fā)、建設(shè)和投融資優(yōu)勢；新疆粵水電將利用重力儲能產(chǎn)業(yè)落地的優(yōu)勢協(xié)同甲方共同拓展國內(nèi)的新能源項(xiàng)目。雙方根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，就本框架協(xié)議項(xiàng)下各個(gè)合作項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)度作出安排并制定具體的進(jìn)度計(jì)劃，爭取在三年內(nèi)，通過雙方有效合作，在國內(nèi)共同合作開發(fā)不低于2GWh重力儲能項(xiàng)目、5GW風(fēng)光發(fā)電項(xiàng)目。

重力儲能的應(yīng)用場景

作為一種儲能系統(tǒng)，重力儲能系統(tǒng)不僅能夠解決電力供求矛盾，而且有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。在“雙碳”目標(biāo)背景下，重力儲能將在眾多應(yīng)用場景發(fā)揮重要作用。

1.清潔能源大基地建設(shè)場景

為保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定可靠，需要發(fā)揮儲能的調(diào)峰調(diào)頻、應(yīng)急備用、容量支撐等多元功能。重力儲能在適應(yīng)大規(guī)模大容量儲能需求場景中優(yōu)勢明顯，可代替抽水蓄能在清潔能源大基地建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

2.退役火電機(jī)組替代場景

火電是新中國成立以來支撐工業(yè)和國民生活最主要的能源形式，遍布各個(gè)城市，然而20世紀(jì)80年代開始大規(guī)模發(fā)展的火電設(shè)施目前面臨退役問題。重力儲能安全性高，占地面積小，還可在一定程度上緩解城市固廢處理問題，符合城市綠色發(fā)展理念，且重力儲能建筑體與火電廠冷卻塔高度相仿，長遠(yuǎn)來看，這將是重力儲能助力能源轉(zhuǎn)型和推動城市實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的又一個(gè)重要領(lǐng)域。

3.風(fēng)光儲氫一體化項(xiàng)目場景

在全球碳減排的背景下，各國對于發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的熱情空前高漲。重力儲能模塊化建設(shè)和中長時(shí)儲能的特性可滿足不同規(guī)模、不同模式的可再生能源制氫項(xiàng)目需求，從成本和穩(wěn)定保障能力來看，重力儲能在可再生能源制氫電力供應(yīng)方面具備較大優(yōu)勢。行業(yè)研究顯示2050年我國的氫氣需求將增長到每年8100萬噸，重力儲能技術(shù)將為風(fēng)光儲氫一體化發(fā)展提供保障。

4.尾礦綜合治理場景

重力儲能技術(shù)通過在材料科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng)新，可利用尾礦渣、粉煤灰、固廢垃圾等作為重力提升模塊的主要原料，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，緩解尾礦渣等固廢帶來的環(huán)境問題。此外，重力儲能可結(jié)合光伏，利用尾礦區(qū)電力基礎(chǔ)設(shè)施，打造“光+儲+生態(tài)”的尾礦區(qū)生態(tài)綜合治理耦合修復(fù)模式，在獲取經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)創(chuàng)造生態(tài)效益。

5.與數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)耦合發(fā)展場景

數(shù)據(jù)中心對電力的穩(wěn)定性可靠性要求較高，重力儲能的技術(shù)優(yōu)勢可緩解可再生能源的波動性、不穩(wěn)定性問題，可為數(shù)據(jù)中心提供安全高效的綠電保障；同時(shí)重力儲能建筑體的中部閑置空間可作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房，實(shí)現(xiàn)空間的高效利用；數(shù)據(jù)中心還可為重力儲能智慧能源管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)兩者的深度耦合發(fā)展。

6.城市綜合應(yīng)用場景

重力儲能在中長時(shí)儲能、安全性、轉(zhuǎn)動慣量、項(xiàng)目壽命等方面的技術(shù)優(yōu)勢，可作為城市UPS廣泛用于對電力可靠性依賴度高的行業(yè)和設(shè)施，且重力儲能的模塊化設(shè)計(jì)使得其土地集約優(yōu)勢明顯，在城市級UPS領(lǐng)域相比其他技術(shù)和產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢。

此外，重力儲能系統(tǒng)作為建筑體，其內(nèi)部空間和外觀具有較強(qiáng)的可塑性，借助重力儲能建筑體打造城市景觀。

重力儲能行業(yè)發(fā)展趨勢

1、綠色、環(huán)保、安全是實(shí)現(xiàn)儲能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的前提條件，布置靈活、場景適應(yīng)性強(qiáng)有利于響應(yīng)電力系統(tǒng)需求、提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值。按照目前電力系統(tǒng)儲能發(fā)展趨勢，抽水蓄能電站將持續(xù)保持較高的占比。從長遠(yuǎn)來看，規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)必將向多元化方向發(fā)展，以滿足不同應(yīng)用場景的需要。

2、重力勢能儲能方案結(jié)構(gòu)眾多，各有優(yōu)劣，宜根據(jù)不同地形和儲能需求來設(shè)計(jì)重力儲能系統(tǒng)。其中基于山體落差和地下豎井的重力儲能相較而言更具發(fā)展前景，而與之相關(guān)的電動/發(fā)電機(jī)技術(shù)、吊裝技術(shù)和重物/電機(jī)群控技術(shù)將成為國內(nèi)外行業(yè)研究的重點(diǎn)。重力勢能系統(tǒng)的功率和容量與被提升物的質(zhì)量和抬升高度有關(guān)，比較適合于建設(shè)中等功率和容量的儲能系統(tǒng)，但通過建設(shè)多個(gè)重力儲能系統(tǒng)集群，可以獲得更大容量和功率，從而實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；谩?/p>

內(nèi)容資料來源：中國能建中電工程、眾里互聯(lián)、東亞前海證券、碳中和文庫、華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院、網(wǎng)絡(luò)等