近日，全球首個豎井式重力儲能工程化應用項目——張家口赤城重力儲能示范項目，地質勘探的單個鉆孔突破1000米大關，標志著項目在勘察領域取得顯著進展。

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家牛頓和那顆掉落的蘋果。但是，大家知道重力也可以進行儲能和發(fā)電嗎？

“雙碳”目標背景下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)正在加快構建，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？

重力儲能是一種機械式儲能，是利用重力進行勢能和電能轉換的新型儲能技術。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，通過對儲能介質進行高度或壓力的升降來實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。根據介質不同，可以分為液體介質儲能系統(tǒng)和固體介質儲能系統(tǒng)。

固體介質儲能系統(tǒng)是基于高度落差，通過山體、豎井、構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。液體介質儲能系統(tǒng)是基于高度差或壓力差，通過水閥、電動發(fā)電機的電流等參數(shù)進行控制以實現(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、轉換效率高、電網友好、選址靈活等多種優(yōu)勢，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和經濟性。

在當前電化學成本偏高、抽水蓄能建設周期長的背景下，重力儲能技術型式眾多，一定程度上因地制宜建設可有效填補低成本+快裝機+大容量儲能的技術空白，與其他儲能技術形成技術補位，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。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，重力輪機將處于下倉的重物提升至上倉，在此過程中將電能轉化為重物的勢能儲存起來；當需要電力補充時，重力輪機又可以通過控制重物下降驅動發(fā)電機發(fā)電，將其勢能轉化為電能，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控“水流”向上或向下的“永動機”。

重力儲能典型分類

根據重力儲能的儲能介質和落差實現(xiàn)路徑的不同，新型重力儲能可分為基于構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路線。不同技術路線均具有一定的應用場景。

目前在建的世界最大的重力儲能電站單機容量達兩萬千瓦，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用項目，建成后將實現(xiàn)單機功率、單模塊功率、單體項目裝機規(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，構建超重載運輸系統(tǒng)、研制國內首臺高效重力發(fā)電機組、自主開發(fā)仿真平臺、研發(fā)多機協(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、勘察設計大師以及相關領域有影響力專家的技術團隊，形成了基于多目標尋優(yōu)的重力儲能工藝包、邏輯建模及動態(tài)仿真技術、損耗優(yōu)化技術、智慧安全技術等十余種基礎和工程技術。今后，華北院將繼續(xù)深耕重力儲能領域，通過核心系統(tǒng)、技術和裝備研發(fā)，實現(xiàn)成套業(yè)務、系統(tǒng)集成全產業(yè)鏈競爭優(yōu)勢。