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

什么是重力儲(chǔ)能？今天，就讓中國(guó)能建華北院工程師劉偉民，帶你了解這個(gè)儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)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(chǔ)能作為新型電力系統(tǒng)需要的優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)能型式可為新型儲(chǔ)能開辟新的方向。

重力儲(chǔ)能是什么？

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

按照傳統(tǒng)分類，重力儲(chǔ)能是一種物理儲(chǔ)能，通過對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行高度或壓力的升降來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)和固體介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

固體介質(zhì)儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)是基于高度差或壓力差，通過水閥、電動(dòng)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(chǔ)能優(yōu)勢(shì)

作為一種純物理儲(chǔ)能，重力儲(chǔ)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(shì)，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(zhǎng)的背景下，重力儲(chǔ)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?jī)?chǔ)能的技術(shù)空白，與其他儲(chǔ)能技術(shù)形成技術(shù)補(bǔ)位，尤其適用于為西部國(guó)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，是一種具有綜合比較優(yōu)勢(shì)的新型儲(chǔ)能。

重力儲(chǔ)能基本原理

重力儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，分別是上倉(cāng)、下倉(cāng)，以及在上倉(cāng)、下倉(cāng)間實(shí)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和發(fā)電。

在電力過剩時(shí)，重力輪機(jī)將處于下倉(cāng)的重物提升至上倉(cāng)，在此過程中將電能轉(zhuǎn)化為重物的勢(shì)能儲(chǔ)存起來；當(dāng)需要電力補(bǔ)充時(shí)，重力輪機(jī)又可以通過控制重物下降驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)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(dòng)，重力儲(chǔ)能裝置就像是一個(gè)可以自主調(diào)控“水流”向上或向下的“永動(dòng)機(jī)”。

重力儲(chǔ)能典型分類

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

目前在建的世界最大的重力儲(chǔ)能電站單機(jī)容量達(dá)兩萬千瓦，同時(shí)可通過多模塊集群運(yùn)行實(shí)現(xiàn)百萬千瓦級(jí)容量，連續(xù)放電時(shí)長(zhǎng)6小時(shí)以上，其年發(fā)電量能滿足70萬個(gè)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(xiàng)目布局

在探索可持續(xù)能源解決方案的征途中，重力儲(chǔ)能正逐漸嶄露頭角，有望在未來能源存儲(chǔ)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。張家口赤城重力儲(chǔ)能國(guó)家示范項(xiàng)目是全球首個(gè)豎井式重力儲(chǔ)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。中國(guó)能建華北院首創(chuàng)300MWh豎井式重力儲(chǔ)能技術(shù)，構(gòu)建超重載運(yùn)輸系統(tǒng)、研制國(guó)內(nèi)首臺(tái)高效重力發(fā)電機(jī)組、自主開發(fā)仿真平臺(tái)、研發(fā)多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)等，形成了重力儲(chǔ)能模塊化工程方案。同時(shí)，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(jì)大師以及相關(guān)領(lǐng)域有影響力專家的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，形成了基于多目標(biāo)尋優(yōu)的重力儲(chǔ)能工藝包、邏輯建模及動(dòng)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(chǔ)能領(lǐng)域，通過核心系統(tǒng)、技術(shù)和裝備研發(fā)，實(shí)現(xiàn)成套業(yè)務(wù)、系統(tǒng)集成全產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。