存儲(chǔ)技術(shù)：利用重力存儲(chǔ)能量是否可行？

工程師知道，大型能源系統(tǒng)包含三個(gè)主要部分：發(fā)電，存儲(chǔ)和交付。每個(gè)階段都有其獨(dú)特的特征，并且它們之間通常存在一些重疊和相互作用。但是，儲(chǔ)能是一個(gè)迫切需要可行選擇的領(lǐng)域，尤其是當(dāng)間歇性可再生能源（例如風(fēng)能和太陽(yáng)能）無(wú)法立即使用或?qū)⑵浯鎯?chǔ)以備后用時(shí)，就會(huì)浪費(fèi)能源。

其中的存儲(chǔ)選項(xiàng)包括電化學(xué)電池，超級(jí)電容器，飛輪，電解產(chǎn)生的氫，可逆鹽態(tài)，壓縮空氣和抽出的儲(chǔ)水。如您所料，沒(méi)有“最佳”的電能存儲(chǔ)方式，每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，這取決于許多因素。這包括大小和規(guī)模問(wèn)題（因?yàn)榇鎯?chǔ)幾千瓦時(shí)與千兆瓦時(shí)甚至兆瓦時(shí)，可用空間大不相同），安全問(wèn)題等等。長(zhǎng)話短說(shuō)：以網(wǎng)格級(jí)別的容量進(jìn)行存儲(chǔ)很困難。

許多活躍的大型網(wǎng)格級(jí)存儲(chǔ)設(shè)施都是基于水庫(kù)的，在有電時(shí)將水抽到更高的高度，并在需要電源時(shí)通過(guò)發(fā)電機(jī)排空。從原理上講，這似乎很簡(jiǎn)單，但是此方案需要兩個(gè)足夠大的垂直距離的大型油藏。

提出的其他替代方案處于原型和試運(yùn)行的各個(gè)階段。一些是純機(jī)械的，不涉及水，而其他一些則以與經(jīng)典的兩水庫(kù)技術(shù)不同的方式使用水。

來(lái)自瑞士的Energy Vault的全機(jī)械系統(tǒng)使用重量為35噸（一噸為1,000千克，約2,200磅）的木塊的自動(dòng)堆放，所有塊都放置在具有六個(gè)吊臂的空曠區(qū)域（圖1）。）。復(fù)雜的系統(tǒng)使用先進(jìn)的算法來(lái)決定在何處堆疊以及最佳堆疊順序。在必須解決的問(wèn)題中，風(fēng)在移動(dòng)時(shí)對(duì)砌塊和起重機(jī)的影響，擺錘效應(yīng)，電纜拉伸以及通過(guò)對(duì)砌塊“掉落”進(jìn)行排序來(lái)保持恒定的輸出。該公司聲稱，該設(shè)備是模塊化的，存儲(chǔ)容量為20至80 MWh，連續(xù)放電4至8 MW，可持續(xù)8至16個(gè)小時(shí)。Energy Vault正在瑞士提契諾州建造一個(gè)110米高的大型演示系統(tǒng)。

相比之下，重力系統(tǒng)將500至5,000噸的單個(gè)重量懸掛在各自的豎井中，而不是將它們露天堆放（圖2）。每個(gè)重物都有一個(gè)絞盤，可以舉起重物或釋放重物，因此下降的重物可以為發(fā)電機(jī)供電。該公司聲稱，每個(gè)裝置可產(chǎn)生1至20 MW的峰值功率，輸出持續(xù)時(shí)間為15分鐘至8小時(shí)。蘇格蘭正在使用25噸重的砝碼建造和測(cè)試一個(gè)額定功率為250 kW的演示裝置。

圖2重力存儲(chǔ)系統(tǒng)可懸掛500至5,000噸的單個(gè)重量，每個(gè)豎井只有一個(gè)重量。資料來(lái)源：重力

《新能源讓我們一起去》使用重物和水。電動(dòng)泵和液壓系統(tǒng)將一塊巨大的巖體提起，并靠在可移動(dòng)的活塞上以存儲(chǔ)能量（圖3）。為了釋放動(dòng)力，將來(lái)自巖體的高壓水輸送到渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。聲稱的儲(chǔ)能能力將在1至10 GWh之間。

圖3該存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于重物和水的組合，其中較大的質(zhì)量放置在可移動(dòng)的活塞上。資料來(lái)源：新能源走吧

的重力功率的方法還使用水，具有大活塞懸浮在深，充滿水的軸，與滑動(dòng)密封件以防止活塞周圍泄漏和返回配管連接在地電平（一泵用水輪機(jī)沿圖4）。在操作開(kāi)始時(shí)，軸只注滿一次水，然后將其密封，不需要額外的水。為了存儲(chǔ)能量，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)泵將水壓下回水管并進(jìn)入軸，從而抬起活塞。為了發(fā)電，活塞下降，迫使水沿著儲(chǔ)水軸下降，沿著回水管向上并穿過(guò)渦輪，從而轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。該公司表示，每個(gè)豎井可以存儲(chǔ)數(shù)百兆瓦時(shí)。巴伐利亞州魏爾海姆市正在建設(shè)兆瓦級(jí)示范工廠。

圖4此存儲(chǔ)方法基于大活塞在閉環(huán)，充滿水的軸和返回路徑中的運(yùn)動(dòng)。資料來(lái)源：引力

這些設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素是它們能夠在大約一秒鐘的時(shí)間內(nèi)提升至全部輸出。這對(duì)于源和負(fù)載都無(wú)法預(yù)測(cè)的許多網(wǎng)格應(yīng)用程序非常有用。

這些選項(xiàng)中的每一個(gè)都在大小，選址問(wèn)題，復(fù)雜性，成本，潛在的可靠性和容量以及可感知的和實(shí)際的安全問(wèn)題上進(jìn)行了有趣的權(quán)衡。有趣的是，哪一個(gè)獲得最大的吸引力，或者也許它們都會(huì)做得更好，這取決于位置，功率水平，本地成本，能源需求和替代方案的具體情況。

完全基于我的“直覺(jué)”，沒(méi)有任何數(shù)據(jù)，我對(duì)多起重機(jī)方法持懷疑態(tài)度，因?yàn)樗雌饋?lái)是如此復(fù)雜，暴露于外部環(huán)境，并且需要最復(fù)雜的管理和算法。但是我以前做錯(cuò)了：當(dāng)引入USB端口時(shí)，我說(shuō)：“誰(shuí)需要這個(gè)？我們已經(jīng)有足夠的I / O選項(xiàng)?！蔽覀冎繳SB的結(jié)果。

您對(duì)這些用于電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能的選擇的大規(guī)模實(shí)用性有何看法？您是否將它們視為替代電池場(chǎng)，水庫(kù)，壓縮空氣或其他正在使用或建議使用的方法的可行替代方案？

編輯：hfy