瑞士重力储能电池助力中国能源转型

这座长110米、宽120米、高148米的35层长方体储能塔，其主要工作原理是通过提升和降低重力块的方式来存储和分配可再生能源，为电网或用户提供电力。 Energy Vault

即使在我们不需要的时候，太阳和风力也依然在持续发电。我们如何才能防止这些电能白白流失呢？瑞士研发的重力电池可将可再生能源存储在重型砌块中-这一想法正引发世界各地的浓厚兴趣，尤其是中国。

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这是一座不见门窗、气势恢弘的建筑。里面堆积着3500块、每块重达25吨的巨型“砖块”。一套由电梯和滑轨组成的系统控制它们上下移动，将它们放置在彼此相邻的位置，看起来像现代版3D俄罗斯方块游戏。这并非全新的住宅概念，而是一种利用重型砌块的重力来储存和释放能量的电池。

全球第一个采用该技术的商用重力电池，已于2023年底在毗邻中国上海的江苏省如东县与当地国家电网实现互联，并入中国电网。”我们没有想到我们的第一座工厂会建在中国，”能源库“(Energy Vault)公司首席执行官罗伯特·皮科尼(Robert Piconi)在接受瑞士资讯SWI swissinfo.ch采访时称。这家致力于开发基于重力和动能的储能系统的公司，虽然总部驻址于美国，其利用混凝土砌块进行”塔式搬砖储能“的原型机却是在瑞士开发和完成测试的。

然而，作为当今世界上最大的二氧化碳排放国，中国加速自身碳减排势在必行的环境紧迫性以及现行的能源政策外部链接，为”能源库“公司及其创新技术提供了意想不到的机遇。多座崭新的重力储能电池建筑陆续平地而起，正处于紧锣密鼓的兴建过程之中。”我们希望助力(中国)解决气候危机，“皮科尼表示。

储能系统在能源转型的过程中扮演着至关重要的角色(英)外部链接。电池解决了可再生能源发电的主要问题之一：供需波动性。换而言之，它们可以将太阳能或风能产生的多余电力储存起来，并在需求有所增加、电力供应不足时将储存的电能释放出来。它们还有助提高电网的稳定性和可靠性。当前，我们面临的挑战是如何在不消耗稀有金属等矿物原材料的情况下制造出较传统电池更为持久和可靠的、能够更有效存储和释放能量的高效电池。当然，还需要以不会对环境、社会和经济造成负面影响的可持续方式。

用重物代替水

使用重力来存储能量的重力电池，可以储存大量的能量。与我们手中的智能手机所使用的电化学蓄电池截然不同的是，它们不会老化磨损，其储能容量也不会随着时间的推移而降低。

重力电池的原理，与带有抽水蓄能系统的水力发电站具有异曲同工之处。根据国际水电协会(International Association of Hydropower)公布的数据，抽水蓄能水力发电站装机容量，已占全球储能装机总容量的94%以上。

然而，”能源库“公司所研制的电池并非利用水来实现发电，而是采用了重物。就“能源库”公司所研发的新型重力电池储能系统而言，它采用的是混凝土块或废物材料。

当太阳能或风能产生的电量超过实际需求时-譬如在太阳能发电能力最强的夏季，由这些可再生能源产生的多余的电能就会用来驱动一套重力储能系统，该系统就借助多余能量来提升重物高度，并将其放置在电池储能塔的顶层。这个过程可将电能转化为重力势能。

当需要电力时，这些巨型“砖块”会以可控的速度降落至地面或较低的高度。在“降落”过程中，它们能驱动发电机，将存储的势能转化为电流。作为这项创新技术的核心，由“能源库”公司所开发的计算机软件可以根据电力需求，随时对重型砌块升降的机械过程进行优化处理。

“能源库”公司在中国的首个商用重力储能电池塔就矗立于一家风力发电站附近。它可承载的储电量高达100兆瓦时(MWh)。一旦“充电”成功，它就可以为大约4600辆电动汽车提供足以行驶100公里的电力。

>> 观看有关“能源库”公司重力储能电池工作原理的短片：

中国眼中的“革命性技术”

据“能源库”公司方面称，计划在如东运营的重力储能系统，是中国国家能源局(China’s National Energy Administration)所公布的“新能源存储试点示范项目”(new energy storage demonstration pilot projects)之一。

如东重力储能系统项目，是由美国阿特拉斯可再生能源公司(Atlas Renewable)和中国天楹股份有限公司(China Tianying)携手建造的，而后者堪称垃圾焚烧发电领域的龙头企业之一。中国天楹公司利用低成本、可就地取材的材料来制造复合重型电池砌块，其中包括当地土壤、矿山尾矿、燃煤残轧残渣和报废的退役风力涡轮机叶片等等废料。截至目前，该公司向“能源库”注入的投资已高达1亿美元。

中国天楹董事长严圣军表示，“能源库”公司的这项“革命性技术”将通过使间歇性风能和太阳能发电用于减少化石燃料发电，从而帮助中国加速向清洁能源转型。《福布斯》的一篇文章则指出，中国的决策者们对该设施在建设过程中就地取材、大量使用了本地原材料及其预计超过35年的“超长待机”使用期深表赞赏。

目前，中国正在如火如荼地加紧建设三家同类重力储能电站，且另有六家正处于规划阶段。如若落地投入运营，届时它们的储能总容量将达到3700兆瓦时。

罗伯特·皮科尼表示，更大规模的重力储能系统安装铺设将大幅降低成本。据他介绍，未来重力储能电站的建造成本，将要比中国首家如东储能系统的成本至少低30%，而如东重力储能电站每千瓦时单位功率的建站成本约为500美元。

可靠性仍有待验证

在专注于研究固体重力储能技术的中国国网智能电网研究院(China’s State Grid Smart Grid Research Institute)研究员童文煊看来，重力储能技术将在中国实现能源转型的过程中发挥“关键作用”，尤其是在迈向碳达峰、碳中和“30·60”双碳目标-即二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和的过程中。

“能源库”公司所研制的重力储能电池，几乎在任何地方都能实现落地应用。它不依赖于特定的地理或气候条件，在实际应用中具有高度的灵活性。童文煊在接受采访时向瑞士资讯SWI swissinfo.ch介绍称，其能源效率与目前广泛应用的抽水蓄能电站类似，已高达80%-85%，而且设备简单，因此“具有可观的成本效益”。

尽管如此，他也指出，和所有新技术一样，大型重力储能电站仍面临大规模应用的经济性、与我国现有电网体系的兼容性等挑战，“需要更多的研究和实践来验证其效率和可靠性。”

用于中长期储能的重力电池

“能源库”并不是唯一一家利用重力势能来储存和释放电能的公司。重力储能技术还有其他多种同类技术路径，譬如塔式、斜坡式和井式方案。例如，加拿大公司Gravitricity于2016年提出了钻井储能解决方案，该方案主要针对废弃钻井平台和矿坑，将500吨重的“重物”反复提升和降落到300米深的竖井中，以储存和释放电能。目前，该公司正在芬兰一处废弃矿井中建造世界上第一个地下重力储能原型。

位于奥地利的国际应用系统分析研究所(IIASA)的研究员朱利安·亨特(Julian Hunt)表示，重力储能系统的主要优势在于低廉的储能成本。然而与之对应的是，其缺陷就是将巨型重物砌块从一个平面高度移到另一个高度所需的电力成本相对较高。

“因此，只有在每周、每月或季节性的存储周期中采用重力储能才有意义，”亨特在给瑞士资讯SWI swissinfo.ch的邮件回复中这样写道。他认为，对于低于12小时的储能，与重力储能系统相比，电化学电池反而是一种更实用、成本更低廉的替代方案。

中国所采用的由“能源库”公司所研发的重力储能系统，每个工作运行周期为四小时。这是中国政府相关行政管理部门和电网运营商所要求的性能。该系统也可以在更长的时间周期内内释放电能，但在这种情况下，其输出功率也会相应降低。

同样适用于欧洲的解决方案？

罗伯特·皮科尼也同样认为，重力储能系统更适宜于较长的充电和放电时间。不过，目前对长期储能的需求仍然很小。“当更多的可再生能源电站并入电网时，需求就会有所增长，”他预测道。

身为“能源库”公司的首席执行官，皮科尼的关注点绝不止步于中国市场。截至目前，该公司在美国、南非和澳大利亚的储能项目也已在推进过程中。

皮科尼坚信，重力电池也可以成为部分欧洲国家的储能解决方案。譬如在西班牙或意大利等正在建设新的风力发电站或大型太阳能发电站的国家，又或者在那些正在挥别煤炭时代、可以利用大量废料(比如灰烬)制造出可将可再生能源存储在重型砌块中的国家，“我脑海里浮现的是德国和诸多东欧国家，”他说。

似乎摆在眼前的机会比比皆是-只要当地居民不会以美观为由拒绝巨型电池储能塔出现在自己的视野中，而这也是目前许多规划中的风力发电站和太阳能发电站所遭遇的主要障碍。

(编译自英语：张樱/gj)