近日，全球首个竖井式重力储能工程化应用项目——张家口赤城重力储能示范项目，地质勘探的单个钻孔突破1000米大关，标志着项目在勘察领域取得显著进展。
什么是重力储能？今天，就让中国能建华北院工程师刘伟民，带你了解这个储存新能源的“乾坤袋”和“玉净瓶”如何发挥作用。
提到重力，大家可能都会想到著名物理学家牛顿和那颗掉落的苹果。但是，大家知道重力也可以进行储能和发电吗？
“双碳”目标背景下，以新能源为主体的新型电力系统正在加快构建，重力储能作为新型电力系统需要的优势储能型式可为新型储能开辟新的方向。
重力储能是什么？
重力储能是一种机械式储能，是利用重力进行势能和电能转换的新型储能技术。与其他储能形式相比，作为一种纯物理储能，重力储能的重心便在于收集“苹果”坠落所产生的势能这一物理过程。
按照传统分类，重力储能是一种物理储能，通过对储能介质进行高度或压力的升降来实现储能系统的充放电过程。根据介质不同，可以分为液体介质储能系统和固体介质储能系统。
固体介质储能系统是基于高度落差，通过山体、竖井、构筑物等重物升降来实现充放电，重物一般选择密度较高的金属、水泥、砂石等材质。液体介质储能系统是基于高度差或压力差，通过水阀、电动发电机的电流等参数进行控制以实现充放电过程。
重力储能优势
作为一种纯物理储能，重力储能具有系统安全性高、转换效率高、电网友好、选址灵活等多种优势，兼顾系统稳定性和经济性。
在当前电化学成本偏高、抽水蓄能建设周期长的背景下，重力储能技术型式众多，一定程度上因地制宜建设可有效填补低成本+快装机+大容量储能的技术空白，与其他储能技术形成技术补位，尤其适用于为西部国家“沙戈荒”大基地缺水地区可再生能源的大规模消纳提供支撑。
重力储能系统中的重物可大量回收利用建筑垃圾、矿渣、粉煤灰、风电废弃叶片、废弃混凝土等固废材料，实现资源的综合利用，是一种具有综合比较优势的新型储能。
重力储能基本原理
重力储能系统主要由三个部分组成，分别是上仓、下仓，以及在上仓、下仓间实现重物落差变化的重力轮机。其工作原理是利用天然或人工造就的高度差，通过重物升降来实现储能和发电。
在电力过剩时，重力轮机将处于下仓的重物提升至上仓，在此过程中将电能转化为重物的势能储存起来；当需要电力补充时，重力轮机又可以通过控制重物下降驱动发电机发电，将其势能转化为电能，从而实现能源的不断再生。不同于传统的水能发电只能向下流动，重力储能装置就像是一个可以自主调控“水流”向上或向下的“永动机”。
重力储能典型分类
根据重力储能的储能介质和落差实现路径的不同，新型重力储能可分为基于构筑物高度差的重力储能、基于山体落差的重力储能和基于地下竖井的重力储能等技术路线。不同技术路线均具有一定的应用场景。
目前在建的世界最大的重力储能电站单机容量达两万千瓦，同时可通过多模块集群运行实现百万千瓦级容量，连续放电时长6小时以上，其年发电量能满足70万个家庭一年的生活用电需求，若以新能源汽车年行驶一万五千公里为例，则能支持80万辆普通新能源汽车行驶一年。
产业链及工程项目布局
在探索可持续能源解决方案的征途中，重力储能正逐渐崭露头角，有望在未来能源存储领域发挥重要作用。张家口赤城重力储能国家示范项目是全球首个竖井式重力储能工程化应用项目，建成后将实现单机功率、单模块功率、单体项目装机规模三项世界第一。
中国能建华北院首创300MWh竖井式重力储能技术，构建超重载运输系统、研制国内首台高效重力发电机组、自主开发仿真平台、研发多机协同控制系统等，形成了重力储能模块化工程方案。
同时，华北院牵头建立了包括院士、院士增选有效候选人、勘察设计大师以及相关领域有影响力专家的技术团队，形成了基于多目标寻优的重力储能工艺包、逻辑建模及动态仿真技术、损耗优化技术、智慧安全技术等十余种基础和工程技术。今后，华北院将继续深耕重力储能领域，通过核心系统、技术和装备研发，实现成套业务、系统集成全产业链竞争优势。
