什么是重力储能

重力储能技术主要是通过重力势能-电能-动能三种能量形式相互转化进行工作的。在电价低谷阶段，电网电力富余时，重力储能系统驱动电机将重物移至高处，将电能转化为重力势能存储；电价高峰阶段，电网急需电力时，将重力势能转化为动能驱动发电机发电。

种类方面，重力储能技术最出名的是抽水蓄能，此外，近年国际上还涌现出了四种新型重力储能技术，分别是重力活塞驱动式抽水蓄能技术、山地铁路式重力储能技术、塔吊式重力储能技术和矿井式重力储能电池。

抽水蓄能

众多重力储能技术中，抽水蓄能是目前应用最广泛、技术最成熟的，选用的重物为自然界最广泛存在的水，通过水势能和电能的相互转化实现能量存储与释放。具有储电容量大（100-3000MW）、效率高（65-85%）、寿命长（40-60年）、储能周期不受限制（分钟级响应）等优点。

自1882年瑞士建造了世界第一座抽水蓄能电站以来，抽水蓄能装机量在全球范围内持续增长。

根据国家能源局数据，2022年中国抽水蓄能新增装机容量8.8GW，截至2022年底抽水蓄能累计装机容量达45.19GW，较2021年增长24.18%。在政策引导下，抽水蓄能电站建设速度将进一步加快，预计到2025年装机容量将达到62GW，到2030年达到120GW左右。

不过，选址问题严重限制了抽水蓄能电站的发展，水资源丰富+高度差两个要求意味着抽水蓄能电站无法灵活布局。此外，建设规模大、成本高、周期长、项目规划审批流程繁琐等因素进一步限制了抽水蓄能技术的发展。

重力活塞驱动式抽水蓄能技术

重力活塞驱动式抽水蓄能技术，工作原理为：电力富余时提升活塞将水泵入活塞底部进行能量存储，当需要能量时松开重力活塞压迫水驱动电机工作释放能量。

与抽水蓄能相比，该储能技术将储能介质从水变为了重物块活塞，水只推动重物块活塞上下移动，而不提供能量储存。

也正因如此，该储能技术可大幅降低地理条件对抽水蓄能电站的限制，将同级别抽水蓄能规模占地面积缩小至1-2公顷，规模为40MW-16GW，成本约1000元/MWh。

不过，该种重力储能技术，需要挖掘特定尺寸的竖井和水道，初试项目投资较高，且密封套在竖井中的滑移摩擦对系统能量转化效率、项目运营效益都有较大影响。

塔吊式重力储能技术

塔吊式重力储能技术选用的重物为混凝土砌块，在电价低谷时利用电能驱动塔吊提升混凝土砌块进行重力势能存储，需要电力时再用塔吊将高处的混凝土砌块放回地面，将重力势能转化为电能。

具体工作原理以位于瑞士Ticino市的塔吊式重力储能试验系统为例，该系统看起来是一座高约110-120m的混凝土砌块塔，由起重机和混凝土砌块等模块组成。

电力充裕时，塔吊依序将单个重达35吨的混凝土砌块从地面提放至砌块塔高处，使中心混凝土砌块塔规模变大，电能转化为重力势能。

需要电力时，塔吊将混凝土砌块从砌块塔高处放回地面，砌块重力势能先转化为下降过程中的动能，最后带动发电机发电。

据悉，该系统放电时间可短至2.9s，能量转化效率可达90%，理论储电容量可达35MWh，寿命长达30-40年，且充放电次数不受限制，同时，运营成本约为同级别电化学储能项目的一半。

山地铁路式重力储能技术

山地铁式重力储能技术类似于抽水蓄能技术，都是依托两个地势高度差异明显的重物储存库实现重力势能的转化，区别有2点，一是山地铁式重力储能所用重物为重物块，而不是水；二是山地铁式重力储能重物运输主要依托火车。

具体工作上，当电网电力富余时，有轨电车将重物运送至高处重物储存库，存储重力势能；当需要用电时，有轨电车将重物从高处运送至低处储存库，将重物重力势能转化为电能进行释放。

相关山地铁路式重力储能试验系统数据显示，该技术没有自放电存储损耗，能量转化效率可达80%-85%，寿命约40-42年，储能容量可达12.5MWh。

相较同规模抽水蓄能，山地铁路式重力储能成本能降低一半，且选址上不需要考虑水资源。

缺点方面，该种储能技术若不能利用退役铁路改建，在修建铁路轨道会需要较大投入，同时，铁路轨道的坡度对其性能影响巨大。

矿井式重力储能电池

矿井式重力储能电池系统通常是构建在废弃矿井上的，外形是一座地面电梯井，配置绞车、电机、钢缆和电梯井架。通过电力驱动绞车改变地下竖井中悬挂的重物高度进行重力势能与电能转化，从而进行能量存储与释放。

储能容量方面，相关研究表明，一个深12m的矿井，利用一个重量约50吨的重物就可以实现11KWh的能量存储，能量转化率理论可达90%，寿命长达50年，发电成本约1180元/MWh。

该技术的优点在于，可以充分利用各地的废弃矿井，缩减初始成本，同时储能容量、寿命都具有显著优势。

不足之处则在于，若布置区域无废弃矿井类深井，前期投入较高。