近日，全球首個豎井式重力儲能工程化應(yīng)用項目——張家口赤城重力儲能示范項目，地質(zhì)勘探的單個鉆孔突破1000米大關(guān)，標(biāo)志著項目在勘察領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。

什么是重力儲能？今天，就讓中國能建華北院工程師劉偉民，帶你了解這個儲存新能源的“乾坤袋”和“玉凈瓶”如何發(fā)揮作用。

提到重力，大家可能都會想到著名物理學(xué)家牛頓和那顆掉落的蘋果。但是，大家知道重力也可以進(jìn)行儲能和發(fā)電嗎？

“雙碳”目標(biāo)背景下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)正在加快構(gòu)建，重力儲能作為新型電力系統(tǒng)需要的優(yōu)勢儲能型式可為新型儲能開辟新的方向。

重力儲能是什么？

重力儲能是一種機(jī)械式儲能，是利用重力進(jìn)行勢能和電能轉(zhuǎn)換的新型儲能技術(shù)。與其他儲能形式相比，作為一種純物理儲能，重力儲能的重心便在于收集“蘋果”墜落所產(chǎn)生的勢能這一物理過程。

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現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。根據(jù)介質(zhì)不同，可以分為液體介質(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，通過山體、豎井、構(gòu)筑物等重物升降來實現(xiàn)充放電，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)行控制以實現(xiàn)充放電過程。

重力儲能優(yōu)勢

作為一種純物理儲能，重力儲能具有系統(tǒng)安全性高、轉(zhuǎn)換效率高、電網(wǎng)友好、選址靈活等多種優(yōu)勢，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

在當(dāng)前電化學(xué)成本偏高、抽水蓄能建設(shè)周期長的背景下，重力儲能技術(shù)型式眾多，一定程度上因地制宜建設(shè)可有效填補(bǔ)低成本+快裝機(jī)+大容量儲能的技術(shù)空白，與其他儲能技術(shù)形成技術(shù)補(bǔ)位，尤其適用于為西部國家“沙戈荒”大基地缺水地區(qū)可再生能源的大規(guī)模消納提供支撐。

重力儲能系統(tǒng)中的重物可大量回收利用建筑垃圾、礦渣、粉煤灰、風(fēng)電廢棄葉片、廢棄混凝土等固廢材料，實現(xiàn)資源的綜合利用，是一種具有綜合比較優(yōu)勢的新型儲能。

重力儲能基本原理

重力儲能系統(tǒng)主要由三個部分組成，分別是上倉、下倉，以及在上倉、下倉間實現(xiàn)重物落差變化的重力輪機(jī)。其工作原理是利用天然或人工造就的高度差，通過重物升降來實現(xiàn)儲能和發(fā)電。

在電力過剩時，重力輪機(jī)將處于下倉的重物提升至上倉，在此過程中將電能轉(zhuǎn)化為重物的勢能儲存起來；當(dāng)需要電力補(bǔ)充時，重力輪機(jī)又可以通過控制重物下降驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將其勢能轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)能源的不斷再生。不同于傳統(tǒng)的水能發(fā)電只能向下流動，重力儲能裝置就像是一個可以自主調(diào)控“水流”向上或向下的“永動機(jī)”。

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。

目前在建的世界最大的重力儲能電站單機(jī)容量達(dá)兩萬千瓦，同時可通過多模塊集群運行實現(xiàn)百萬千瓦級容量，連續(xù)放電時長6小時以上，其年發(fā)電量能滿足70萬個家庭一年的生活用電需求，若以新能源汽車年行駛一萬五千公里為例，則能支持80萬輛普通新能源汽車行駛一年。

產(chǎn)業(yè)鏈及工程項目布局

在探索可持續(xù)能源解決方案的征途中，重力儲能正逐漸嶄露頭角，有望在未來能源存儲領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。張家口赤城重力儲能國家示范項目是全球首個豎井式重力儲能工程化應(yīng)用項目，建成后將實現(xiàn)單機(jī)功率、單模塊功率、單體項目裝機(jī)規(guī)模三項世界第一。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。同時，華北院牽頭建立了包括院士、院士增選有效候選人、勘察設(shè)計大師以及相關(guān)領(lǐng)域有影響力專家的技術(shù)團(tuán)隊，形成了基于多目標(biāo)尋優(yōu)的重力儲能工藝包、邏輯建模及動態(tài)仿真技術(shù)、損耗優(yōu)化技術(shù)、智慧安全技術(shù)等十余種基礎(chǔ)和工程技術(shù)。今后，華北院將繼續(xù)深耕重力儲能領(lǐng)域，通過核心系統(tǒng)、技術(shù)和裝備研發(fā)，實現(xiàn)成套業(yè)務(wù)、系統(tǒng)集成全產(chǎn)業(yè)鏈競爭優(yōu)勢。