一文读懂重力储能

绿色、环保、安全是实现储能技术可持续发展的前提条件，布置灵活、场景适应性强有利于响应电力系统需求、提升产业价值。按照目前电力系统储能发展趋势，抽水蓄能电站将持续保持较高的占比。从长远来看，规模化储能技术必将向多元化方向发展，以满足不同应用场景的需要。重力储能发电具备环境友好、布置灵活、安全度高、寿命长、无自放电等显著优势。 

重力储能

基本原理

如果就纯理论来讲，重力储能是最简单的一种储能方式，其原理类似抽水蓄能，就是以重力造成的位能来储存能源。当电力有多余的时候，驱动马达将重物吊至高处，需要电力的时候，再利用重物下降的力量来驱动发电机发电。

优点

原理简单，技术门槛较低；

同时由于采用物理介质储存能量，所以其储能效率高达90%，输出功率从0增加到100%只需要2.9秒，使用寿命在30年以上；

并且不需要像抽水蓄能电站那样对选址有较高要求，所以其建设成本仅为抽水蓄能的三分之一，度电成本也只有抽水蓄能的三分之二。

缺点

能量密度低，建设规模过大。重力储能所需的高塔平均在百米以上，而其输出功率仅相当于一个同等高度的风力发电机；

此外，这项技术对塔吊的精度要求非常高。几十米长的缆绳，需要做到让5000块砖，每一块的位置误差都小于几毫米；

每座高塔需要上千个水泥块，而浇筑水泥块则需要排放大量的二氧化碳，稍不注意就会造成碳排放比提高新能源发电比例省下来的还多。

应用

重力储能虽然原理很简单，但受到保守观念影响，电网配备大规模储能设施进展缓慢。所以重力储能直到2018年才真正作为一种储能方式出现在公众视野。其中，最具代表性的便是孙正义的“水泥块”储能项目。

2018年11月，瑞士的Energy Vault公司推出了重力储能系统，这是储能市场的最新进入者之一。

该系统由一台安装在90-140米高的格状钢塔上的二至六臂起重机组成。起重机的工作原理与抽水蓄能系统相同，它将35公吨的混凝土吊入塔周围的堆垛中，为系统充电。该系统可以在几毫秒内响应电力需求的波动或电网运营商需要的其他支持，并能为可再生能源24小时提供基本负载。

2019年8月，孙正义软银集团旗下的“愿景基金”向该公司豪掷1.1亿美元，同时这也是愿景基金首次投资能源企业。

此外，一些公司还开发出原理类似的铁路储能、山脊线储能等储能系统。

重力储能发电现状分析

重力储能发电的基本原理与抽水蓄能技术类似，储能和发电的基本过程为：利用富裕电力提升重物，存储势能；在需要时通过释放重物的势能，经转换带动发电机发电。根据国外目前相关资料报道， 主要有活塞式重力储能、悬挂式重力储能、混凝土砌块储能塔、山地重力储能等重力储能发电技术 。

活塞式重力储能

美国加州Gravity Power公司提出的活塞式重力储能基于抽水蓄能机组，利用竖井内的重物活塞替代水体进行储能。电力富裕时，由水泵水轮机抽水加压，提升重物活塞，存储能量，即水体不直接蓄能；发电时，重物活塞下落，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工作。由于重物的密度比水大，在相同高差条件下可以提高发电水头，增大能量密度；也就是说，与相同势能的抽水蓄能电站相比，活塞式重力储能发电技术可降低建设高度，减少对地理条件和水资源的依赖，便于电站选址和布置。该技术方案保留了抽水蓄能机组核心设备，抽水、发电的水泵水轮机技术成熟，效率较高，具有独特优势。但重物活塞和竖井有些技术问题需要探讨，如：技术经济可行的尺寸规模，二者之间的密封方案等，有待关注后续研究进展。目前来看，活塞式重力储能的容量有限，可能适合一些小型、短时的储能。

活塞式重力储能

悬挂式重力储能

苏格兰 Gravitricity公司提出了一种使用废弃钻井平台，利用绞盘吊钻机进行储能的机构。Gravitricity 利用废弃钻井平台与矿井，在150~1500 米长的钻井中重复吊起与放下 16 米长、500~5000 吨的的钻机，通过电动绞盘，在用电低谷时将钻机拉升至废弃矿井，用电高峰时再让钻机笔直落下，进而“释放”存储起来的能量，该系统可以控制重物下落速度改变发电时间和发电功率。该公司声称此系统可以在一秒钟之内快速反应，使用寿命长达 50年，效率最高可达 90%。储能容量可自由配置1 至 20MW，输出持续时间为 15 分钟至 8 小时。Gravitricity 预计在属于封闭式深水港的利斯港口打造示范工程，建设成本约 100 万英镑，目标建成 4MW 级全尺寸重力储能系统。这种储能技术在封闭的矿井中工作，减少了自然环境的影响，安全系数较高。如何提高电动绞盘的工作稳定性，减少重物的旋转晃动以及固定等问题是研究的重点。 

 Gravitricity公司重力储能电厂

葛洲坝中科储能技术公司 2018 年提出了利用废弃矿井和缆绳提升重物的方案，解决了废弃矿井长时间不使用的风险和浪费问题，也降低了重力储能系统的建设成本。但深井吊机的载重能力有限，重物和机组受井口尺寸限制，长绳索提升重物的形变、旋转摆动问题仍待优化，废弃矿井资源有限，选址不够灵活，还有瓦斯泄漏等安全隐患。

混凝土砌块储能塔

Gravitricity公司认为，先进的绞车和控制系统可使其具有足够的灵活性，能在1s之内快速响应，满足电网调峰需求。Thomas等介绍了利用悬挂重物进行储能和发电的技术方案，并探讨了应用该项技术对废弃深矿井进行改造的潜力。由于一台机组只用一个重物循环工作，相应的储能总量、持续发电时间都很受限制。Energy Vault公司提出以混凝土砌块储能塔为基础的重力储能发电方案。

 Energy Vault公司混凝土砌块储能塔

据称，该项目可运行长达30～40 a，成本将是现有电网规模电池储能解决方案成本的一半。电力充裕时，起重机将混凝土砌块从地上吊起，像积木一样往高处堆放，将能量转化为混凝土砌块塔的势能，也就是储能阶段；需要发电时，将混凝土砌块依次落下，释放重物势能，并转化为电能。混凝土砌块塔看起来是比较简单的储能方式，但主要存在以下问题：由于循环上下起吊重块，整个“塔”不是固定的，属于一种变动结构，其稳定性、可靠性、安全性等需要仔细设计；考虑到自身结构特征，单个混凝土储能塔的规模可能不大且储能容量受限。另外，从塔底到塔顶位置各个混凝土砌块存储的势能不同，关于如何设计吊运、堆放及能量转换，以及能否实现预想效果等问题，没有相关技术报道。Energy Vault公司表示，已与印度塔塔电力公司达成协议，部署容量为35 MW·h储能系统，可在2.9s内让系统发出电力，峰值功率4MW，值得进一步关注后续开发进展。

国内徐州中矿大公司 2017 年提出利用支撑架和滑轮组提升重物储能的方案，并采用定滑轮组和减速器以减少电机成本。上海发电设备成套设计研究院 2020 年提出了一种利用行吊和承重墙堆叠重物的方案，空间利用率高，储能密度大。利用构筑物高度差储能选址灵活且易于集成化和规模化，但必须确保建筑稳定以及对塔吊、行吊的精度控制，吊装机构、滑轮组和电机的整体效率也有待提升，如何在室外环境做到毫米级别的误差控制是制约这种技术发展的关键问题。

山地重力储能

IIASA研究所提出的山地重力储能（MGES），主要利用陡峭山区的地势，通过砂石的势能储能。电力富裕时，应用类似于滑雪缆车的电动系统将装满砂石的容器提升到山顶存放；用电高峰时，依靠重力将砂石从上顶运回地面，通过释放砂石势能发电。该研究所认为，山地重力储能系统是一种比锂电池储能系统持续时间更长、规模更大的储能方式。山地重力储能看似简单、易行，但所应用的缆车系统效率不易提高，储能发电系统的综合效益可能不理想，相关技术方案还有待发展。 

山地重力储能

美国 ARES(advanced rail energy storage)公司 2014 年提出一种机车斜坡轨道系统，机车在轨道上上坡下坡进行储能和释能，2020 年在内华达开始施工建设。该技术已在加州特哈查皮的一个试点项目中测试成功，其首个商业部署正在内华达州帕伦普市开发，并将与加州电网连接。这个储存系统将使用一个由210 辆货车组成的车队，总重7.5万吨，在 10 条长度9.3km、平均坡度 7%的轨道上，电动机带动链条将这些货车拖到山顶。当需要电力时，车辆被送回山下，当它们下落时，链条带动发电机发电。ARES 宣称，这座储能系统可以提供持续 15分钟50MW 的电力，效率可达75%~86%。这种储能系统利用了山地地形和轨道车辆，可以实现室外环境下大容量储能，但平整山坡的土建成本较高，链条传动平稳性差易磨损，还需要进一步的结构优化。 

ARES 公司轨道车辆储能系统 

奥地利 IIASA 研究所 2019 年在 ENERGY 杂志上发表了一种山地缆绳索道结构，缆绳吊起吊落重物进行储能和释能。该储能系统 MGES(Mountain Gravity Energy Storage)由两个平台连接而成，每一个平台都由一个类似矿山的砂砾储存站和一个正下方的加砂站组成。阀门将沙石填放入筐内，然后通过起重机和电机电缆将其运送到高海拔平台。当沙石被运回山下时，储存的重力势能被转化为电能。与抽水蓄能电站等传统的长期蓄水方法相比，MGES 对环境的影响很小。该系统储能容量设计为0.5~20MWh，发电功率 500~5000k W，储能平准化成本约为每千瓦时 0.323至 0.647人民币。这种储能系统利用了天然山坡、使用砂砾作为储能介质可以减少建造成本，但缆车运载能力较低，室外环境对缆车运行影响较大，如何实现稳定高效率的能量回收是此系统的研究难点。 

MGES 系统概念图 

2014 年天津大学提出利用斜坡轨道和码垛机进行重力势能储能的构想，使用绞盘拖拉缆绳带动拖车，并使用电动发电一体机提高整体储能效率。中科院电工研究所 2017 年提出了两种重载车辆爬坡储能方案，一种是采用永磁直线同步电机轮轨支撑结构，电动发电都通过直线电机完成；一种是利用多个电动绞盘拉拽车辆，分段储能。中电普瑞电力工程有限公司 2020 年提出利用传送链提升重物的方案，减少了能量的中间变换环节，可长时间连续工作。利用山体落差进行储能结构稳定，没有倒坍风险，可以实现更大规模的重力储能。

天津大学斜坡轨道+码垛机系统

中国科学院电工研究所重载车辆爬坡系统

 

类比抽水蓄能技术

四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院陈云良等构想的重力储能发电方案见图5。把流体“水”替换成固体“重物”，上下“库”改换为上下“仓”，“抽水蓄能机组”变为“重力储能机组”。当电网低谷、电力过剩时，由输送系统（吊车、传送设备等），把下仓重物提升至位置较高的上仓，将富余电能转化为重物的势能存储待用；用电高峰及电力供给不足时，重物依次落下，把上仓重物势能转换为机械能及电能，即通过“电能→机械能→重物势能→机械能→电能”，实现电量存储和循环利用。

 重力储能发电构想方案

水介质型重力储能系统在功率和储能容量方面不及传统的抽水蓄能，但响应时间短、选址更灵活，海下储能系统可以合理利用海洋空间，活塞水泵系统可以为城市提供储能服务，储能成本和效率也与抽水蓄能相当。固体重物型重力储能系统的储能容量和功率由大到小排为：基于山体落差系统>基于地下竖井系统>基于构筑物系统。固体重物型储能系统由于不需要水泵、水轮机结构，理论上可以实现比抽水蓄能更高的储能效率，响应时间也更短，可以根据不同地形和需求灵活选择不同储能结构。 

由上述研究可见，重力势能储能方案结构众多，各有优劣，宜根据不同地形和储能需求来设计重力储能系统。其中基于山体落差和地下竖井的重力储能相较而言更具发展前景，而与之相关的电动/发电机技术、吊装技术和重物/电机群控技术将成为研究重点。重力势能系统的功率和容量与被提升物的质量和抬升高度有关，比较适合于建设中等功率和容量的储能系统，但通过建设多个重力储能系统集群，可以获得更大容量和功率，从而实现其规模化利用。今后的重点研究课题主要包括大功率电动/发电机及其运行控制、重力储能系统集群运行与控制、重力储能系统的稳定性和全天候适应性等。

多种新型重力势能储能技术对比

重力储能发电的优势

与其他储能技术相比，重力储能发电具备下述显著优势：

1.纯物理储能、安全性高、环境友好。在重物输送、势能储存、机械能发电等工作流程中，不涉及化学反应，运行安全可靠。重力储能发电清洁低碳，对自然环境影响小。当然，需注意：严格控制重物加工过程对环境的影响，解决好加工工艺及材料问题，比如，尽量利用建筑垃圾等再生材料，或者就地取材，符合可持续、绿色发展理念。

2.强环境适应性，可以根据需要灵活布置，适宜“分布式”储能。重物的存储、输送及发电过程没有特殊条件和要求，因此，重力储能电站基本无选址、天气等外部条件限制，应用很灵活。除了用电负荷集中的区域，在风能、太阳能及核能等发电站附近也可以配置重力储能电站，可以实现按电力系统的需求在电网侧、电源侧灵活布局。抽水蓄能站点规划需要有适宜的地理条件和水资源为基础，充分利用重力

储能电站布置便利的优势可以形成互补，以支撑大规模分布式、波动性电源的接入，保障电网运行稳定、安全，也有利于提升电力系统的整体效益。

3.储能发电循环寿命长、成本低。重物以混凝土或当地材料为主材，或者利用其他再生材料，能循环使用数十年，运行过程中重物损耗小。若取材利用合适，重物成本可以大大降低。可以预见，技术发展成熟后，重力储能发电的成本有望处于相对较低的水平。

4.储能时间长且无自放电问题。重力储能电站上下仓扩展相对容易，重物势能储存期间不会有损失，具备长时间储能的便利条件和先天优势。

综上可知，重力储能发电有潜力成为电力系统“理想”的新型储能方式，有较好的研发价值，应用前景广阔。

重力储能经济效益如何？

关于重力储能的商业化前景与经济效益，市场没有太多明确或统一的观点。

根据彭博新能源金融报告数据，EnergyVault重力储电技术平准化成本是锂离子电池的60%（2021年）。

在目前比较常见的几个储能技术路线下，化学能储电（锂电等）平准化成本在0.64元~1.26元，而抽水蓄能成本低至0.21元~0.25元。

这意味着，EnergyVault重力储电技术的成本介于两者之间，但对地理位置的要求偏低。

而国泰君安证券则认为，重力储能技术相比锂电和抽水蓄能，更易扩展和模块化，也不会诞生有害物质，或依赖压缩空气与飞轮等带来安全隐患或火灾风险。

据中国天楹证券部则向记者表示，一般一个重力储能项目的建设周期半年左右。预计重力储电命题能否作实，将很快见分晓。