科普 | 什么是重力储能？

什么是重力储能？

按照传统分类，重力储能是一种物理储能，通过对储能介质进行高度或压力的升降来实现储能系统的充放电过程。

根据介质不同，分为液体介质储能系统和固体介质储能系统。固体介质储能系统是基于高度落差，升降主要借助山体、竖井、构筑物等，重物一般选择密度较高的金属、水泥、砂石等材质。液体介质储能系统是基于高度差或压力差，通过水阀、电动发电机的电流等参数进行控制以实现充放电过程。

重力储能基本原理

重力储能是通过在有天然或人造高度差的场景中，将液体或者固体重物上升或下降来实现势能存储和释放发电。充电时，系统根据调控指令，重力轮机将下仓的重物依次提升至位置较高的上仓，将电能转化为重物的势能；放电时，将重物依次下降驱动发电机发电，重物的势能转换为电能。

重力储能典型分类

根据重力储能的储能介质和落差实现路径的不同，新型重力储能可分为基于构筑物高度差的重力储能、基于山体落差的重力储能和基于地下竖井的重力储能等技术路线。不同技术路线均具有一定的应用场景，其中：

基于构筑物高度差型式优势在于选址比较灵活、预期的效率高，但可实现的落差有限，导致单位投资水平和度电成本过高、同容量占地大、安全事故的影响也比较大； 基于山体落差型式具有投资低、结构稳定等优势，重物的选择范围也很大，但其理论效率低，并且选址受限制、运行易受环境影响； 基于地下竖井的重力储能可分为利用废弃矿井和新建矿井两类，利用废弃矿井成本较低、废弃资源可二次利用、对环境影响小，但同时也受到选址、矿井处理难度差异不同等限制； 新建矿井具有选址灵活、运行环境较安全稳定且受限制小的优势，同规模容量下投资和效率也比较好，但其周期较长，工程技术和设备技术要求也较高。

重力储能项目及对比情况

为寻找高性价比的储能方式，海内外提出了基于抽水蓄能、构筑物高度差、山体落差、地下竖井等多种重力储能技术路线。从技术发展情况来看，2020年7月，应用EV1技术的瑞士的5MW商业示范单元(CDU)完工并网，成功实现商业规模部署。基于该示范项目经验，2021年，EV陆续推出二代EVx技术模块和EVS储能管理集成平台。Gravitricity提出悬挂式重力势能技术，并于2021年在爱丁堡利斯港使用15米高的钻机成功建造、调试并运营了一个250kW的重力势能并网示范项目。经前期项目检验，EV和Gravitricity重力储能项目预计于2022年率先落地商用。2022年1月EV子公司Atlas获得EV技术授权用于江苏如东100MWh的重力储能示范项目，该项目预计于2022年7月投入商业运营。此外，EV与DG Fuels的路易斯安那州500MWh合作项目预计于2022年年中开始建设。Gravitricity预计的第一个欧洲全面项目也进入选址期。其余路线基本仍处于试验阶段。

从各种重力储能性能比较上来看，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。

重力储能的优势

重力储能的优势主要包括：

安全环保：在重物运输和机械发电过程中，重力储能利用物理原理，不涉及化学反应，几乎没有有害物质排放。同时，电站建设一般依托于废弃矿井或高塔，对自然环境影响小。

适应性强：重力储能对土地面积要求不高，可利用向上空间，且采用混凝土块蓄能模式，不涉及水、石头等自然资源，因此不需要临山或依水而建，在选址上具有更好的适应性。

寿命长：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。

成本较低：重力储能电站可利用废弃矿井、废弃高塔为建筑主体，同时蓄能重物也可以采用再生资源，因此建造成本较低。并且电站运行过程中不易受自然环境变化影响，重物势能在储存期间能量不会流失。若取材利用合适，重物成本可以大大降低。

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。

重力储能开发难点

重力储能的难点主要包括：

开发电网储能级别的重力储能电站需要一定的容量规模，相关硬件设备需要响应快、调节灵敏。如何稳定、高效运行是研制势能转化设备需要解决的重点之一。 重力储能电站上下仓分别高位、低位独立布置，使得占地较大，这也直接影响重力储能电站的土地占用、空间利用等情况，直接影响项目成本，需重点研究和规划。、

材料和选址应发挥最优效应。重力储能电站的重物数量较大，重物材料采用混凝土为主材较为合适，同时还应该尽量利用已有废弃材料或就地取材，如建筑垃圾、砂石等，以降低对环境的不利影响，还能大幅降低成本。另外，在风力发电站附近，将现场处理、加工废弃的风机作为重物，也是一种可选择的方式。

重力储能发展历程

重力储能的发展历程可以分为几个关键阶段，从早期的理论研究到现代的应用和商业化尝试：

技术探讨期：

在这个阶段，重力储能技术主要是在实验室和小规模试验中进行探索，以验证其基本原理和可行性。

技术实验期：

随着技术的初步成熟，重力储能开始进入更广泛的实验阶段，包括各种结构的测试和优化。

技术商用期：

近年来，重力储能开始逐步商业化，例如瑞士的Energy Vault公司推出的重力储能系统，这标志着重力储能技术开始进入实际应用阶段。

重力储能产业链

中游储能系统集成商或将成为重力储能产业链主角。产业链上游以建设原材料（水泥、金属、钢铁等）和装备为主，中游为储能系统集成商，下游应用分布在发电侧、电网侧以及用户侧。

主要企业

中国天楹

中国天楹股份有限公司是一家从事零碳环保新能源、智慧城市及环境服务、再生资源利用的大型国际化上市公司。公司业务覆盖新能源发电、区域能源中心、氢能中心、循环经济产业园、垃圾焚烧发电的投资、建设、运营、环保技术装备、储能技术装备的研究开发与制造,智慧环境及智慧城市管家服务,餐厨垃圾、危险废物、建筑垃圾等废弃物的减量化、资源化、无害化处置等。

在国家双碳战略有序推进、能耗双控逐步转向碳排放双控的大背景下,中国天楹致力于依靠先进的重力储能技术、智慧能源管理技术、氢基化工技术,打造风光储氢氨新型能源业务生态,助力国家新型电力系统的构建和社会经济绿色低碳转型。

南网储能

南网储能是南方电网公司控股子公司,于2022年9月重组上市，是南方电网公司旗下唯一的抽水蓄能和新型储能运营平台,深切融入国家规划建设新型能源体系大局,为服务双碳目标实现作出积极贡献。业务范围覆盖广东、广西、云南、贵州、海南五省。

近日，南网储能公司储能科研院开展的重力储能原创技术研究取得了系列创新突破，这标志着公司在开拓储能优势领域取得了阶段性成果。

2023年9月，储能科研院正式启动重力储能技术创新研究。储能科研院技术团队不仅首创了基于直驱式电机的固态重力储能技术方案，且自主研发设计了磁通切换式永磁直线电机本体及其控制算法。这一系列的技术创新大大简化了传统机械式传动机构，提高了运维可靠性，并有效降低了设备全生命周期成本。

国家电网

由国网江苏经研院牵头组织编写的团体标准《基于同步电机的重力储能系统并网与保护技术要求》正式发布并于同日实施。这是国内外重力储能技术领域发布的第一项标准，对推动全球重力储能行业的标准化、规范化发展具有重要意义。

2022年5月16日，中国天楹与国网就重力储能技术研究等达成战略合作。双方将成立协作团队、共同推进建设如东100MWh用户侧重力储能示范项目。基于“新能源+重力储能”的源网荷储一体化技术，持续革新重力储能技术，探索用电、发电、储能、调峰调频组合模式，积极拓宽重力储能技术应用场景，推动储能技术的多元化应用，加快实现储能核心技术自主化，推动储能成本持续下降和规模化应用。国网江苏综能协助推进项目参与中长期交易、现货、需求响应、调峰调频辅助服务等各类电力市场，具体双方分享收益另行约定。

中国能建

中国能建华北院首创300MWh竖井式重力储能技术，构建超重载运输系统、研制国内首台高效重力发电机组、自主开发仿真平台、研发多机协同控制系统等，形成了重力储能模块化工程方案。

张家口赤城重力储能国家示范项目是全球首个竖井式重力储能工程化应用项目，建成后将实现单机功率、单模块功率、单体项目装机规模三项世界第一。

国家电投

2022年8月13日，中国天楹与国家电投集团浙江新能源有限公司签订合作框架协议：争取在三年内，通过双方有效合作，在长三角地区获取不低于1GWh重力储能项目、5GW绿电项目，并就如东重力储能项目、滩涂光伏项目优先开展合作。

粤水电

2023年9月27日，中国天楹公告，其全资子公司江苏能楹新能源科技发展有限公司与粤水电全资子公司新疆粤水电能源有限公司签订《战略合作协议》。江苏能楹将充分发挥新能源开发、建设和投融资优势；新疆粤水电将利用重力储能产业落地的优势协同甲方共同拓展国内的新能源项目。双方根据项目的实际情况，就本框架协议项下各个合作项目的时间进度作出安排并制定具体的进度计划，争取在三年内，通过双方有效合作，在国内共同合作开发不低于2GWh重力储能项目、5GW风光发电项目。

重力储能的应用场景

作为一种储能系统，重力储能系统不仅能够解决电力供求矛盾，而且有利于电网的经济安全运行。在“双碳”目标背景下，重力储能将在众多应用场景发挥重要作用。

1.清洁能源大基地建设场景

为保障电力供应的稳定可靠，需要发挥储能的调峰调频、应急备用、容量支撑等多元功能。重力储能在适应大规模大容量储能需求场景中优势明显，可代替抽水蓄能在清洁能源大基地建设中发挥重要作用。

2.退役火电机组替代场景

火电是新中国成立以来支撑工业和国民生活最主要的能源形式，遍布各个城市，然而20世纪80年代开始大规模发展的火电设施目前面临退役问题。重力储能安全性高，占地面积小，还可在一定程度上缓解城市固废处理问题，符合城市绿色发展理念，且重力储能建筑体与火电厂冷却塔高度相仿，长远来看，这将是重力储能助力能源转型和推动城市实现“双碳”目标的又一个重要领域。

3.风光储氢一体化项目场景

在全球碳减排的背景下，各国对于发展氢能产业的热情空前高涨。重力储能模块化建设和中长时储能的特性可满足不同规模、不同模式的可再生能源制氢项目需求，从成本和稳定保障能力来看，重力储能在可再生能源制氢电力供应方面具备较大优势。行业研究显示2050年我国的氢气需求将增长到每年8100万吨，重力储能技术将为风光储氢一体化发展提供保障。

4.尾矿综合治理场景

重力储能技术通过在材料科学领域的关键创新，可利用尾矿渣、粉煤灰、固废垃圾等作为重力提升模块的主要原料，实现循环利用，缓解尾矿渣等固废带来的环境问题。此外，重力储能可结合光伏，利用尾矿区电力基础设施，打造“光+储+生态”的尾矿区生态综合治理耦合修复模式，在获取经济效益的同时创造生态效益。

5.与数据中心产业耦合发展场景

数据中心对电力的稳定性可靠性要求较高，重力储能的技术优势可缓解可再生能源的波动性、不稳定性问题，可为数据中心提供安全高效的绿电保障；同时重力储能建筑体的中部闲置空间可作为数据中心机房，实现空间的高效利用；数据中心还可为重力储能智慧能源管理系统提供数据管理服务，实现两者的深度耦合发展。

6.城市综合应用场景

重力储能在中长时储能、安全性、转动惯量、项目寿命等方面的技术优势，可作为城市UPS广泛用于对电力可靠性依赖度高的行业和设施，且重力储能的模块化设计使得其土地集约优势明显，在城市级UPS领域相比其他技术和产品具有明显优势。

此外，重力储能系统作为建筑体，其内部空间和外观具有较强的可塑性，借助重力储能建筑体打造城市景观。

重力储能行业发展趋势

1、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。

2、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国内外行业研究的重点。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。

内容资料来源：中国能建中电工程、众里互联、东亚前海证券、碳中和文库、华经产业研究院、网络等