初創企業正在開創一種可替代電池的全新電網儲能方式。

在幾乎每座城市，起重機都是一種很常見的設備，但在靠近意大利邊境的瑞士城市提契諾，有一臺起重機卻非常特別：它有六只手臂。這只110米高的天際線“海星”并非用于建筑，而是為了證明可再生能源能通過升舉重物來儲存，通過放下重物來輸送。建造這個結構的瑞士公司Energy Vault已經開始實施一個測試項目，并將在2021年進行首次商業部署。

目前該公司至少有一個旗鼓相當的競爭對手，即蘇格蘭的Gravitricity公司；另外至少還有兩家有類似想法的公司New Energy Let’s Go和Gravity Power，正在尋找資金準備推進。可以肯定的是，目前世界上運行中儲能設施的總發電功率可達174千兆瓦，幾乎都是依賴重力進行發電的。

長期以來占據主導地位的抽水蓄能，將水抽到更高的海拔，然后回流，通過渦輪機發電。但是抽水需要一些非常特殊的地理條件——兩個海拔高度不同的大水庫，它們的垂直間距要大，但又不能太大，所以建立新的抽水蓄能站點很困難。Energy Vault、Gravity Power及其競爭對手都在追求利用同一個基本原理，即提起重物并讓它下落，建造一個幾乎可以安裝在任何地方的能量儲存設施。此外，它們希望通過降低長期成本和減少環境問題來擊敗可再生能源儲存的新寵——電池。

在實際運行中，Energy Vault的塔吊連續不斷地將每個重35噸、呈同心圓排列的混凝土塊進行堆疊和拆卸。例如，將混凝土塊在內圈堆疊起來，可以儲存35兆瓦時的能量。然后塔吊的六只手臂會系統地拆卸這個內圈，將混凝土塊從高處放到低處，建造一個外圈，并在這個過程中釋放能量。

這個儲存能量的搭積木游戲可能很復雜。為了保持恒定的輸出，當一塊混凝土塊需要加速時，另一塊就需要減速。“這就是為什么我們要使用六只手臂。” Energy Vault公司的首席執行官兼聯合創始人羅伯特?皮科尼（Robert Piconi）解釋道。更重要的是，控制系統必須補償陣風、起重機在提升和放下混凝土塊時的偏轉、纜繩的伸長、鐘擺效應等影響，他說。皮科尼認為這與電池相比有幾個優勢。第一個優勢是環保。與鋰離子電池依賴化學反應且難以回收不同，Energy Vault的主要支出是混凝土塊本身，它可以利用現有的泥土和廢料與墨西哥水泥巨頭Cemex公司生產的一種新聚合物混合，現場制作混凝土塊。

皮科尼說，另一個優勢是較低的運營費用。經該公司計算，其運營費用約為具有同等儲能容量的電池裝置的一半。電池儲能設施必須不斷更換退化的電池芯，但Energy Vault的基礎設施并不需要。這家初創公司對自己的數據有足夠的信心，它聲稱將在2021年投入使用多臺商用設施。皮科尼表示，Energy Vault在2019年籌集了1.1億美元，用于在提契諾建造示范裝置和為“跨洲建設”做準備。

與Energy Vault的努力相比，Gravitricity的儲能方案似乎更簡單。該公司并沒有使用六臂起重機往復移動混凝土塊，而是在千米深的廢棄礦井中上下移動一個或幾個很重的重物。

這些巨大的重物，每一個的重量都在500到5000噸之間，只要以每秒幾厘米的速度移動就可以產生兆瓦級的輸出功率。Gravitricity的項目開發經理克里斯?延德爾（Chris Yendell）解釋說，單個重物適用于短時間、快速、高功率的應用，例如處理電網瞬間的波動和保持電網頻率。而多重物系統更適合儲存更多的能量和長期發電，他說。

為了驗證它的秒級響應，Gravitricity正在蘇格蘭建造一臺250千瓦的概念演示機。它將50噸的重物懸掛在7米高的格子塔上。測試將于2021年第一季度開始。“我們希望能在收到信號不到1秒鐘內圓滿地完成發電。”延德爾說。

該公司在2021年還將開發幾套全尺寸原型系統。“我們目前正與歐洲和南非的礦主聯絡，（我們）當然也對美國感興趣。”延德爾說。這個全尺寸系統將在2023年開始運行。Gravity Power及其競爭對手New Energy Let’s Go，從現已破產的Heindl Energy公司那里獲得了所需技術，同時還在研究地下儲能，這也許是受抽水蓄能的啟發。但它們并不是用不同海拔高度的水庫來儲存能量，而是用泵把水壓到地下，舉起一個非常重的活塞，然后讓活塞落下，把水推過渦輪機進行發電。

“水庫是抽水蓄能的致命弱點。”Gravity Power公司的創始人吉姆?菲斯克（Jim Fiske）說，“Gravity Power發電廠的主要意圖是擺脫對水庫的需求。（我們的發電廠）能夠在3到5英畝（1到2公頃）的平地上實現抽水蓄能規模的發電和蓄能。”菲斯克估計，一個400兆瓦、能夠儲能16小時（即6.4千兆瓦時能量）的發電廠，將需要一個800多萬噸重的活塞。他說，這可能聽起來很可笑，但完全在當今水泵的提升能力和施工工藝的能力范圍之內。

雖然這些公司期望這樣的地下儲能設施比電池設備更經濟，但它們仍然很昂貴。不過，當擔心氣候變化的國家意識到危機的嚴重性時，它們很可能愿意為這些儲能方式買單。

原文標題：2021頂尖技術專題報道 11：重力儲能的盛衰

文章出處：【微信公眾號：IEEE電氣電子工程師】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq