什么是重力儲能？

按照傳統分類，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儲能系統的充放電過程。

根據介質不同，分為液體介質儲能系統和固體介質儲能系統。固體介質儲能系統是基于高度落差，升降主要借助山體、豎井、構筑物等，重物一般選擇密度較高的金屬、水泥、砂石等材質。液體介質儲能系統是基于高度差或壓力差，通過水閥、電動發電機的電流等參數進行控制以實現充放電過程。

重力儲能基本原理

重力儲能是通過在有天然或人造高度差的場景中，將液體或者固體重物上升或下降來實現勢能存儲和釋放發電。充電時，系統根據調控指令，重力輪機將下倉的重物依次提升至位置較高的上倉，將電能轉化為重物的勢能；放電時，將重物依次下降驅動發電機發電，重物的勢能轉換為電能。

重力儲能典型分類

根據重力儲能的儲能介質和落差實現路徑的不同，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，其中：

基于構筑物高度差型式優勢在于選址比較靈活、預期的效率高，但可實現的落差有限，導致單位投資水平和度電成本過高、同容量占地大、安全事故的影響也比較大； 基于山體落差型式具有投資低、結構穩定等優勢，重物的選擇范圍也很大，但其理論效率低，并且選址受限制、運行易受環境影響； 基于地下豎井的重力儲能可分為利用廢棄礦井和新建礦井兩類，利用廢棄礦井成本較低、廢棄資源可二次利用、對環境影響小，但同時也受到選址、礦井處理難度差異不同等限制； 新建礦井具有選址靈活、運行環境較安全穩定且受限制小的優勢，同規模容量下投資和效率也比較好，但其周期較長，工程技術和設備技術要求也較高。

重力儲能項目及對比情況

為尋找高性價比的儲能方式，海內外提出了基于抽水蓄能、構筑物高度差、山體落差、地下豎井等多種重力儲能技術路線。從技術發展情況來看，2020年7月，應用EV1技術的瑞士的5MW商業示范單元(CDU)完工并網，成功實現商業規模部署。基于該示范項目經驗，2021年，EV陸續推出二代EVx技術模塊和EVS儲能管理集成平臺。Gravitricity提出懸掛式重力勢能技術，并于2021年在愛丁堡利斯港使用15米高的鉆機成功建造、調試并運營了一個250kW的重力勢能并網示范項目。經前期項目檢驗，EV和Gravitricity重力儲能項目預計于2022年率先落地商用。2022年1月EV子公司Atlas獲得EV技術授權用于江蘇如東100MWh的重力儲能示范項目，該項目預計于2022年7月投入商業運營。此外，EV與DG Fuels的路易斯安那州500MWh合作項目預計于2022年年中開始建設。Gravitricity預計的第一個歐洲全面項目也進入選址期。其余路線基本仍處于試驗階段。

從各種重力儲能性能比較上來看，水介質型重力儲能系統在功率和儲能容量方面不及傳統的抽水蓄能，但響應時間短、選址更靈活，海下儲能系統可以合理利用海洋空間，活塞水泵系統可以為城市提供儲能服務，儲能成本和效率也與抽水蓄能相當。固體重物型重力儲能系統的儲能容量和功率由大到小排為：基于山體落差系統>基于地下豎井系統>基于構筑物系統。固體重物型儲能系統由于不需要水泵、水輪機結構，理論上可以實現比抽水蓄能更高的儲能效率，響應時間也更短，可以根據不同地形和需求靈活選擇不同儲能結構。

重力儲能的優勢

重力儲能的優勢主要包括：

安全環保：在重物運輸和機械發電過程中，重力儲能利用物理原理，不涉及化學反應，幾乎沒有有害物質排放。同時，電站建設一般依托于廢棄礦井或高塔，對自然環境影響小。

適應性強：重力儲能對土地面積要求不高，可利用向上空間，且采用混凝土塊蓄能模式，不涉及水、石頭等自然資源，因此不需要臨山或依水而建，在選址上具有更好的適應性。

壽命長：重物以混凝土或當地材料為主材，或者利用其他再生材料，能循環使用數十年，運行過程中重物損耗小。

成本較低：重力儲能電站可利用廢棄礦井、廢棄高塔為建筑主體，同時蓄能重物也可以采用再生資源，因此建造成本較低。并且電站運行過程中不易受自然環境變化影響，重物勢能在儲存期間能量不會流失。若取材利用合適，重物成本可以大大降低。

時間長且無自放電問題：重力儲能電站上下倉擴展相對容易，重物勢能儲存期間不會有損失，具備長時間儲能的便利條件和先天優勢。

重力儲能開發難點

重力儲能的難點主要包括：

開發電網儲能級別的重力儲能電站需要一定的容量規模，相關硬件設備需要響應快、調節靈敏。如何穩定、高效運行是研制勢能轉化設備需要解決的重點之一。 重力儲能電站上下倉分別高位、低位獨立布置，使得占地較大，這也直接影響重力儲能電站的土地占用、空間利用等情況，直接影響項目成本，需重點研究和規劃。、

材料和選址應發揮最優效應。重力儲能電站的重物數量較大，重物材料采用混凝土為主材較為合適，同時還應該盡量利用已有廢棄材料或就地取材，如建筑垃圾、砂石等，以降低對環境的不利影響，還能大幅降低成本。另外，在風力發電站附近，將現場處理、加工廢棄的風機作為重物，也是一種可選擇的方式。

重力儲能發展歷程

重力儲能的發展歷程可以分為幾個關鍵階段，從早期的理論研究到現代的應用和商業化嘗試：

技術探討期：

在這個階段，重力儲能技術主要是在實驗室和小規模試驗中進行探索，以驗證其基本原理和可行性。

技術實驗期：

隨著技術的初步成熟，重力儲能開始進入更廣泛的實驗階段，包括各種結構的測試和優化。

技術商用期：

近年來，重力儲能開始逐步商業化，例如瑞士的Energy Vault公司推出的重力儲能系統，這標志著重力儲能技術開始進入實際應用階段。

重力儲能產業鏈

中游儲能系統集成商或將成為重力儲能產業鏈主角。產業鏈上游以建設原材料（水泥、金屬、鋼鐵等）和裝備為主，中游為儲能系統集成商，下游應用分布在發電側、電網側以及用戶側。

主要企業

中國天楹

中國天楹股份有限公司是一家從事零碳環保新能源、智慧城市及環境服務、再生資源利用的大型國際化上市公司。公司業務覆蓋新能源發電、區域能源中心、氫能中心、循環經濟產業園、垃圾焚燒發電的投資、建設、運營、環保技術裝備、儲能技術裝備的研究開發與制造,智慧環境及智慧城市管家服務,餐廚垃圾、危險廢物、建筑垃圾等廢棄物的減量化、資源化、無害化處置等。

在國家雙碳戰略有序推進、能耗雙控逐步轉向碳排放雙控的大背景下,中國天楹致力于依靠先進的重力儲能技術、智慧能源管理技術、氫基化工技術,打造風光儲氫氨新型能源業務生態,助力國家新型電力系統的構建和社會經濟綠色低碳轉型。

南網儲能

南網儲能是南方電網公司控股子公司,于2022年9月重組上市，是南方電網公司旗下唯一的抽水蓄能和新型儲能運營平臺,深切融入國家規劃建設新型能源體系大局,為服務雙碳目標實現作出積極貢獻。業務范圍覆蓋廣東、廣西、云南、貴州、海南五省。

近日，南網儲能公司儲能科研院開展的重力儲能原創技術研究取得了系列創新突破，這標志著公司在開拓儲能優勢領域取得了階段性成果。

2023年9月，儲能科研院正式啟動重力儲能技術創新研究。儲能科研院技術團隊不僅首創了基于直驅式電機的固態重力儲能技術方案，且自主研發設計了磁通切換式永磁直線電機本體及其控制算法。這一系列的技術創新大大簡化了傳統機械式傳動機構，提高了運維可靠性，并有效降低了設備全生命周期成本。

國家電網

由國網江蘇經研院牽頭組織編寫的團體標準《基于同步電機的重力儲能系統并網與保護技術要求》正式發布并于同日實施。這是國內外重力儲能技術領域發布的第一項標準，對推動全球重力儲能行業的標準化、規范化發展具有重要意義。

2022年5月16日，中國天楹與國網就重力儲能技術研究等達成戰略合作。雙方將成立協作團隊、共同推進建設如東100MWh用戶側重力儲能示范項目。基于“新能源+重力儲能”的源網荷儲一體化技術，持續革新重力儲能技術，探索用電、發電、儲能、調峰調頻組合模式，積極拓寬重力儲能技術應用場景，推動儲能技術的多元化應用，加快實現儲能核心技術自主化，推動儲能成本持續下降和規模化應用。國網江蘇綜能協助推進項目參與中長期交易、現貨、需求響應、調峰調頻輔助服務等各類電力市場，具體雙方分享收益另行約定。

中國能建

中國能建華北院首創300MWh豎井式重力儲能技術，構建超重載運輸系統、研制國內首臺高效重力發電機組、自主開發仿真平臺、研發多機協同控制系統等，形成了重力儲能模塊化工程方案。

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，建成后將實現單機功率、單模塊功率、單體項目裝機規模三項世界第一。

國家電投

2022年8月13日，中國天楹與國家電投集團浙江新能源有限公司簽訂合作框架協議：爭取在三年內，通過雙方有效合作，在長三角地區獲取不低于1GWh重力儲能項目、5GW綠電項目，并就如東重力儲能項目、灘涂光伏項目優先開展合作。

粵水電

2023年9月27日，中國天楹公告，其全資子公司江蘇能楹新能源科技發展有限公司與粵水電全資子公司新疆粵水電能源有限公司簽訂《戰略合作協議》。江蘇能楹將充分發揮新能源開發、建設和投融資優勢；新疆粵水電將利用重力儲能產業落地的優勢協同甲方共同拓展國內的新能源項目。雙方根據項目的實際情況，就本框架協議項下各個合作項目的時間進度作出安排并制定具體的進度計劃，爭取在三年內，通過雙方有效合作，在國內共同合作開發不低于2GWh重力儲能項目、5GW風光發電項目。

重力儲能的應用場景

作為一種儲能系統，重力儲能系統不僅能夠解決電力供求矛盾，而且有利于電網的經濟安全運行。在“雙碳”目標背景下，重力儲能將在眾多應用場景發揮重要作用。

1.清潔能源大基地建設場景

為保障電力供應的穩定可靠，需要發揮儲能的調峰調頻、應急備用、容量支撐等多元功能。重力儲能在適應大規模大容量儲能需求場景中優勢明顯，可代替抽水蓄能在清潔能源大基地建設中發揮重要作用。

2.退役火電機組替代場景

火電是新中國成立以來支撐工業和國民生活最主要的能源形式，遍布各個城市，然而20世紀80年代開始大規模發展的火電設施目前面臨退役問題。重力儲能安全性高，占地面積小，還可在一定程度上緩解城市固廢處理問題，符合城市綠色發展理念，且重力儲能建筑體與火電廠冷卻塔高度相仿，長遠來看，這將是重力儲能助力能源轉型和推動城市實現“雙碳”目標的又一個重要領域。

3.風光儲氫一體化項目場景

在全球碳減排的背景下，各國對于發展氫能產業的熱情空前高漲。重力儲能模塊化建設和中長時儲能的特性可滿足不同規模、不同模式的可再生能源制氫項目需求，從成本和穩定保障能力來看，重力儲能在可再生能源制氫電力供應方面具備較大優勢。行業研究顯示2050年我國的氫氣需求將增長到每年8100萬噸，重力儲能技術將為風光儲氫一體化發展提供保障。

4.尾礦綜合治理場景

重力儲能技術通過在材料科學領域的關鍵創新，可利用尾礦渣、粉煤灰、固廢垃圾等作為重力提升模塊的主要原料，實現循環利用，緩解尾礦渣等固廢帶來的環境問題。此外，重力儲能可結合光伏，利用尾礦區電力基礎設施，打造“光+儲+生態”的尾礦區生態綜合治理耦合修復模式，在獲取經濟效益的同時創造生態效益。

5.與數據中心產業耦合發展場景

數據中心對電力的穩定性可靠性要求較高，重力儲能的技術優勢可緩解可再生能源的波動性、不穩定性問題，可為數據中心提供安全高效的綠電保障；同時重力儲能建筑體的中部閑置空間可作為數據中心機房，實現空間的高效利用；數據中心還可為重力儲能智慧能源管理系統提供數據管理服務，實現兩者的深度耦合發展。

6.城市綜合應用場景

重力儲能在中長時儲能、安全性、轉動慣量、項目壽命等方面的技術優勢，可作為城市UPS廣泛用于對電力可靠性依賴度高的行業和設施，且重力儲能的模塊化設計使得其土地集約優勢明顯，在城市級UPS領域相比其他技術和產品具有明顯優勢。

此外，重力儲能系統作為建筑體，其內部空間和外觀具有較強的可塑性，借助重力儲能建筑體打造城市景觀。

重力儲能行業發展趨勢

1、綠色、環保、安全是實現儲能技術可持續發展的前提條件，布置靈活、場景適應性強有利于響應電力系統需求、提升產業價值。按照目前電力系統儲能發展趨勢，抽水蓄能電站將持續保持較高的占比。從長遠來看，規模化儲能技術必將向多元化方向發展，以滿足不同應用場景的需要。

2、重力勢能儲能方案結構眾多，各有優劣，宜根據不同地形和儲能需求來設計重力儲能系統。其中基于山體落差和地下豎井的重力儲能相較而言更具發展前景，而與之相關的電動/發電機技術、吊裝技術和重物/電機群控技術將成為國內外行業研究的重點。重力勢能系統的功率和容量與被提升物的質量和抬升高度有關，比較適合于建設中等功率和容量的儲能系統，但通過建設多個重力儲能系統集群，可以獲得更大容量和功率，從而實現其規模化利用。

內容資料來源：中國能建中電工程、眾里互聯、東亞前海證券、碳中和文庫、華經產業研究院、網絡等