搬砖、运砂石、吊重物…各种冷门重力储能，都是什么样的？

通过抽水、搬砖、运砂石、吊重物来储能？

说的是一种冷门的新型储能技术——重力储能。利用建筑物、山体、地形等高度差，通过将“重物”运上运下，实现电能和重力势能之间的转换，进而储电与发电。

新技术的出现，靠的是脑洞。打开脑洞，今天来看各种“奇奇怪怪”的“重力电池”。

1.新型抽水蓄能

“海底巨蛋”储能

2021年，德国法兰克福歌德大学荣誉教授Horst Schmidt-Böcking和萨尔布吕肯大学Gerhard Luther博士于提出了形似海底“巨蛋”的储能方式。2016年，德国弗劳恩霍夫风能和能源系统技术研究所（IWES）进行了20MWh“海底巨蛋”储能的水下测试。

这种储能方式工作原理是：制造直径30米、壁厚3米的混凝土空心球，将其放置海底，球的中心是真空的。储能时，海水被电泵抽到球体之外；发电时，高压海水从管道中流入空心球体中，水流推动水轮机发电。在海下，完成电能的存储和释放。

2016年IWES在博登湖进行了持续四周的试验，系统的经济安装深度大约在600~800米。相同容积增量下，储电能力随着深度线性增加，在700米深度时，储能系统的储电能力大约为20兆瓦时，转换效率为65%~70%。

活塞式储能

2016年，美国Gravity Power公司基于抽水蓄能机组提出活塞式重力储能，2021年Gravity Power开始在巴伐利亚建设兆瓦级示范工程。

活塞式储能，可以看做一个“水电池”，按采矿业的标准技术挖出竖井，在竖井中建造一个由加固岩石制成的活塞，在竖井中添加水并密封，形成一个闭环系统。当电力富裕时，由水泵水轮机抽水加压，提升活塞，存储能量；发电时，活塞下落，其势能传递给水流，由水泵水轮机转换为机械能带动发电机发电。

据Gravity Power的公开数据，活塞式储能可实现电网等级的长时间(约 6~14h)储能目标提供40MW/160MWh至1.6GW/6.4GWh电量，转换效率可达75%-80%。

2.构筑物高度差储能

“搬砖”储能

2020年Energy Vault公司在瑞士Arbedo-Castione市，建立了“搬砖储能”的原型——“塔式搬砖储能”。一台70米的起重机高高耸立，六条吊臂从顶部伸出，上下搬动每块重35吨的砖块，这些砖块由土壤和废品制成。

2022年EV公司从高塔，转向20层的模块化建筑，它将其称之为“Energy Vault Resiliency Center”（EVRC）。EVRC采用建筑机械流程和能源管理系统来储存和释放电力。当可再生能源发电高时，EVRC利用能量将30吨的砖块“搬”到高处，将势能存储起来，当需要电时，EVRC通过控制砖块下降，将动能释放回电网。

“搬砖储能”系统可与可再生能源系统协作，也可以作为独立储能系统。EVx是EVRC系统的模块化建筑砖，每个EVx建筑砖可以转化电量10MWh，砖块可以叠加，以满足能源需求，增强电网灵活性。系统转换效率为80%-85%。

今年1月，中国天楹旗下控股子公司AtlasRenewableLLC与EV公司签署了《技能答应运用协议》，EV公司授权Atlas在中国区(含香港和澳门)独家运用答应技能建造和运营重力储能体系设备，国内首个百兆瓦级模块化“搬砖储能”项目计划年内在江苏如东县落地。

电梯储能

今年，奥地利维也纳国际应用系统分析研究所(IIASA)在《能源》杂志上，提出一种通过重力存储技术，将摩天大楼变身为巨型电池的解决方案——电梯储能系统(LEST)，利用电梯和高层建筑的垂直高度来储存和释放能量。

3.山地落差储能

轨道机车储能

2014年，美国能源公司Advanced Rail Energy Storage(ARES)提出了轨道机车储能解决方案。

ARES公司建造了一条6英里长的上坡轨道，配有重装机车，机车是实心机混凝土，每辆重达300吨，最高时速为16英里。储电时，利用余电将推动高效电机将机车推至坡顶“车站”，电能储存为重力势能；发电时，释放机车下坡，重力势能转化为电能，开始发电。

据ARES公司公开数据，轨道机车储能系统单站容量可在100-3000MW，储能时长2-24小时，转换效率高达86%。系统具备快速响应能力，最快5秒完成充电，25秒可完成放电。系统寿命达40年以上。

目前首个轨道机车储能商业项目正在推进，将在美国内华达州帕伦普以南落地，与风电、光伏电站集成。

缆车储能

2019年，奥地利维也纳国际应用系统分析研究所(IIASA)提出了一项缆车储能解决方案（MGES）。

MGES由陡峭山坡、起重机、储存容器（可以装砂石或水）、电缆等组成。储电时，利用余电驱动发动机将装满沙石的缆车从山坡底部移动到顶部，电能转化为势能。发电时，将缆车从山坡顶部下降到底部，势能转化为电能。

MGES还可与水力发电相结合，在用电高峰期，用水填充储存容器，系统设计了可任何高度在储存容器中添加水。MGES可以实现长时储能，连续存储能量数月，储能容量设计为0.5-20MWh，发电功率500~5000kW。

4.地下竖井储能

矿井储能

2016年，英国Gravitricity公司提出钻井储能解决方案。2021年4月，Gravitricity在爱丁堡利斯完成了250KW示范项目。目前该公司正在研究在英国、东欧、南非、智利等国家的废弃矿井中应用其重力储能解决方案。

Gravitricity主要瞄准废弃钻井平台与矿坑，重力媒介是500吨的“砝码”，在深度超300米的竖井中重复吊起与放下钻机，通过电动绞盘，先将钻机拉到废弃矿井上方，需要用电时再让钻机放下，如此进行储存和释放电能。

矿井储能使用寿命在50年左右；该解决方案响应速度快，能在不到1秒内从零功率变为全功率；电能转换效率高达80%，储能容量可自由配置1-20MW，输出持续时间为15分钟-8小时。

今年2月，Gravitricity公开表示，已获得英国政府150万英镑的支持，将在英格兰北部的一个电网连接地点开发建设一个4MWh的商业用重力储能系统。未来，Gravitricity及其合作伙伴计划生产模块化系统，以降低项目建造成本。

你更看好哪一种重力储能呢？

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参考资料：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.

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