随着我国“3060”双碳战略目标的推进，风电、光伏等新能源发电得到快速发展，而这也对储能技术提出了更高要求。近日，A股公司中国天楹宣布引入国际先进重力储能技术，并与美国Energy Vault签订了首个中美重力储能合作伙伴协议，将在中国全面推进“陆地抽水储能”——重力储能系统，全面助力中国双碳目标实现。

储能现状

据了解，储能作为一种柔性电力调峰资源，可有效对冲新能源发电带来的波动性和安全性问题，对新能源消纳、调峰调频等起到关键作用。2021年7月我国发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中，明确提出到2025年，新型储能装机规模达3000万千瓦以上；到2030年，实现新型储能全面市场化发展。

目前，我国储能市场主要以抽水储能为主，其市场份额约为90%。虽然抽水蓄能已被证明具有长生命周期，但抽水蓄能解决方案需要大量土地，需要位于水源附近，建成后不可扩展，而且建造人造水库的成本和环境影响很高，在满足预期的市场增长方面面临着较大的挑战。

其他形式的可再生能源存储技术，例如锂离子电池技术的某些化学成分需要稀缺的原材料（例如钴）来生产电池，这可能会受到周期性供应链挑战的影响，并在运输和生产中产生高碳足迹。电池化学成分还会随着时间的推移而退化，含有有害物质，并带来安全和火灾风险。同样，地热和液流电池需要相对较高的资本投资和较高的运营成本，效率水平相对较低，不是模块化的，并且具有地质限制。

分类

目前为止，研究人员已经分离出两种不同的收集重力能技术。

一种是利用塔架从上方落下重物，利用下落过程中重力产生的动量。

另一种是使用装满水的矿井来漂浮和下落重物。

这两种过程都从附着在砝码上的电子传感器中提取能量，产生动量，并将其直接传递到电网。通常，混凝土块下落过程中产生的大约20%的能量需要为重物提供动力，使其回到顶部。

重力储能的前世今生

人类利用依赖重力进行储能的想法与实践并非新鲜事物，实际上，最早使用重力驱动机械的形式可追溯到克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）于 1656 年发明的摆钟。在这套系统中，连接在皮带轮或链轮上的锁链所悬挂的重物是其机芯的重要组件，并由擒纵结构控制配重的运动来为钟摆提供动力，维持其前后摆动，这实际上已将重力势能作为了整个设备的能量来源。这种以重力作为计时装置的“电源”存在了数百年，并未被发条等其他机械结构完全取代，直至使用电力驱动的石英钟出现。

不过，即便在电力出现后，与重力相关的储能手段也并未被抛弃，甚至在 20 世纪重新回到了能源领域的聚光灯下——第一个基于重力的抽水蓄能水力发电（pumped storage hydroelectricity, PSH）系统于 1907 年由瑞士开发，而上世纪 30 年代后，使用水的重力势能储存能量就在全球遍地开花，成为了迄今为止电网储能的最大容量形式。根据 2020 年美国能源部发布的全球储能数据库报告，PHS在全球主动储能装置容量中占比约 95%。中国在抽水蓄能领域虽然起步晚，但由于后发效应起点较高，目前已处于世界先进水平，抽水蓄能能力最强，具有最高的发电量和装载容量（日本和美国分别在发电量和容量排名第二）。

重力储能也并非只在大型设施上才能一展身手。2012 年 Deciwatt 就开发了一款名为 GravityLight 的产品，能够使用任何 0.5kg 到 1.0kg 的日常用品作为重力来源为灯泡供电实现照明，每次悬挂配重可维持超过半小时的照明，团队项目旨在利用这种低成本和长寿命的设计，在非洲等供电不足甚至没有建设电网的地区进行推广。

重力储能的优势

据悉，Energy Vault公司是利用重力在电网规模上储能的创造者和推动者，其重力储能系统主要通过用定制的复合块或“移动块”代替水，叠加砌块，以存储势能，将砌块降回地面，从而释放能量，完全不受抽水蓄能电站苛刻的地质条件要求影响。而且这些块可以由低成本和本地制造采购的材料制造，包括当地土壤、矿山尾矿、燃煤残余物（煤灰）和报废退役的风力涡轮机叶片。EnergyVault公司在瑞士已实现首个重力储能项目的商业运营，并于2020年7月接入瑞士国家电网。

相较于电化学储能和抽水蓄能，Energy Vault公司重力储能具有低成本、可扩展、灵活性强、寿命长、环保安全等优势，而且其系统全生命周期度电成本低于抽水蓄能和电化学储能。同时，模块化和灵活性的设计，提供了时间持续功能，可满足更长放电持续时间的市场需求，也弥补了地质限制和生态破坏等问题。

与太阳能和风能不同，重力储能发电不依赖太阳的照射或风力。这项新技术的巨大绿色前景就在于此。因为可以稳定地产生能源，且不必受到化石燃料的污染。除了替代化石燃料，重力储存还可以替代电池，作为本地供电和回电网供电的一种方式。对于谴责增加锂矿开采量为锂离子电池制造商供应贵金属的环保主义者来说，这是个好消息。同样，我们能从不断可再生的重力能源中获得的能量越多，意味着我们需要的化石燃料发电量就越少。

虽然重力能源在规模上可能是绿色和廉价的，但该技术的开发者在将其公众化方面面临巨大障碍。一个主要问题是决策者对新奇事物的恐惧：围绕化石燃料构建的系统很难重新布线。必须建造新的工厂。为核电站及其周围的基础设施买单，其中包括需要更换现有的系统和结构。

但最终，化石燃料将使我们付出更多代价。事实上，我们对化石燃料的依赖已经导致了空气污染、大气温度上升、景观污染，甚至损害了人类健康。

乍一看，仅仅重力就可以产生这么多能量，这似乎很奇怪。然而，这些简单的机械操给能源生产的新发展带来了巨大的希望，而这一点让以前的进展相形见绌。这一创新发现可能会对我们生产和储存能源的方式产生巨大的改变，只要我们能将其扩大规模。

大型重力电池的未来

由于能源和环境问题受到与日俱增的关注，中等规模的重力储能也在近年得到了研究者、开发者和投资者的青睐。

英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London，ICL）的清洁能源顾问 Oliver Schmidt 说，基于重力的储能有一些明显优势。目前首选的储能技术——锂离子电池，充电和放电的循环次数有限，在容量损失之前只能工作数年，而重力储能结构（绞车、钢缆和配重）的寿命可长达数十年。“这些依靠机械工程的玩意儿，” Schmidt 说，“要比（电化学的东西）便宜得多。”Gravitricity的熟悉工程师 Miles Franklin 也表示，锂离子电池使用的材料会带来诸多环境问题，并且难以回收，而一桶铁并没有这方面的问题，带来的碳足迹也小得多。

根据 Gravitricity 的报告，其重力储能设备的运行成本和维护费用都远低于锂离子电池。Schmidt 根据这一数据进行推算称，对于一个运行 25 年的项目，锂离子电池每兆瓦时的寿命成本为 367 美元（约合人民币 2360 元），而重力储能的成本约为每兆瓦时 171 美元（约合人民币 1100 元），仅为前者的一半不到。麻省理工学院（MIT）的储能研究者 Jessika Trancik 说，尽管需要更多实际数据的支持，这一数字的确十分诱人。

与此同时，这一领域的其他公司也开发了各有千秋的重力储能手段。总部位于美国加利福尼亚的 Gravity Power 的想法距离抽水蓄电一步之遥：它利用可再生能源将水抽到沉重的活塞下。当需要动力时，释放活塞下落，迫使水通过水力发电机；德国公司 New Energy Let’s Go 也使用了类似的设计；总部位于瑞士的 Energy Vault 希望使用带有电机和发电机的多臂起重机来堆叠和拆卸由数百块 35 吨砖块组成的 120 米高的“巴别塔”，改变自身高度来满足起起落落的能源需求。开发经理 Ruth Apps 表示，计划将配重增加到 500 吨，这将需要庞大的塔基，因此需要将尺寸巨大的系统建造在地下。该公司正在寻找捷克、波兰和南非的废弃矿山，以开展其首个商业项目。

但 Schmidt 也警告，这项技术仍然“非常不成熟”，电池价格在不断下降，而这些研究重力发电的公司却进展缓慢。相对领先的Energy Vault 在2019年宣布获得了 1.1 亿美元（当时约 7.7 亿人民币）的投资，将于近年开始商业开发。英国兰卡斯特大学（Lancaster University）的环境政策研究者 Rebecca Willis 认为，如果重力储能不能从气候政策中获得支持，将可能陷入与其他储能技术一样的困境——在大多数地方，能够轻松开启和关闭的小型天然气站仍然是应对电力需求波动最便宜的方法。

目前，Gravitricity 仅有 14 名员工和 300 万英镑的投资，对未来并不抱有不切实际的幻想。在建设前述的演示设备时，他们就已经遇到了预料之外的困难，例如多股钢缆在称重时因力矩不足而散开。在解决这些棘手的问题后，该公司计划在 2023 年建造一座峰值功率为 4 兆瓦的电站，相比目前的演示装置将会更加完整，具有更重的重物和一千米深的梯井。

在 Gravitricity 的测试现场，时不时会出现为英国北海石油钻井平台服务的供应船。但在晴朗的日子里，苏格兰的能源前景也可从此尽收眼底：风力涡轮机装点了 20 公里长的地平线。

传统能源产业的遗产正转变为新型能源的美好前景，Gravitricity 最近也有两名来自石油和天然气行业的新员工加入。能源社群为之感到兴奋：“他们获得了全新的人生灵感”。

小结

市场分析人士认为，重力储能系统是针对可再生能源间歇性和提高经济性的最佳解决方案之一，是填补当下市场需求缺口的最佳选择。

而随着携手Energy Vault，中国天楹也将抓住能源升级带来的巨大发展机遇，在中国加速布局重力储能。目前，中国天楹与EnergyVault已启动共建江苏省如东县的“重力储能发电项目”，这也是中国天楹引进并大力推动国际新型储能技术、助力能源结构和产业结构转型升级的关键一步。

公司表示，未来还将提前布局未来储能市场，积极推动“长三角区域零碳能源中心”落地，为公司“环保+新能源”战略发展打下坚实的基础，“十四五”期间将在中国全面布局推进新型储能技术转型升级，助力国家开创绿色低碳发展新局面，为实现国家“双碳”目标注入动力。

来源：证券日报，world energy，科研圈