重力儲(chǔ)能技術(shù)主要是通過重力勢(shì)能-電能-動(dòng)能三種能量形式相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行工作的。在電價(jià)低谷階段，電網(wǎng)電力富余時(shí)，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將重物移至高處，將電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能存儲(chǔ)；電價(jià)高峰階段，電網(wǎng)急需電力時(shí)，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。種類方面，重力儲(chǔ)能技術(shù)最出名的是抽水蓄能，此外，近年國(guó)際上還涌現(xiàn)出了四種新型重力儲(chǔ)能技術(shù)，分別是重力活塞驅(qū)動(dòng)式抽水蓄能技術(shù)、山地鐵路式重力儲(chǔ)能技術(shù)、塔吊式重力儲(chǔ)能技術(shù)和礦井式重力儲(chǔ)能電池。換句話說，全球范圍內(nèi)，抽水蓄能領(lǐng)頭的重力儲(chǔ)能才是儲(chǔ)能一哥！眾多重力儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的，選用的重物為自然界最廣泛存在的水，通過水勢(shì)能和電能的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與釋放。具有儲(chǔ)電容量大（100-3000MW）、效率高（65-85%）、壽命長(zhǎng)（40-60年）、儲(chǔ)能周期不受限制（分鐘級(jí)響應(yīng)）等優(yōu)點(diǎn)。自1882年瑞士建造了世界第一座抽水蓄能電站以來(lái)，抽水蓄能裝機(jī)量在全球范圍內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2022年中國(guó)抽水蓄能新增裝機(jī)容量8.8GW，截至2022年底抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)45.19GW，較2021年增長(zhǎng)24.18%。在政策引導(dǎo)下，抽水蓄能電站建設(shè)速度將進(jìn)一步加快，預(yù)計(jì)到2025年裝機(jī)容量將達(dá)到62GW，到2030年達(dá)到120GW左右。不過，選址問題嚴(yán)重限制了抽水蓄能電站的發(fā)展，水資源豐富+高度差兩個(gè)要求意味著抽水蓄能電站無(wú)法靈活布局。此外，建設(shè)規(guī)模大、成本高、周期長(zhǎng)、項(xiàng)目規(guī)劃審批流程繁瑣等因素進(jìn)一步限制了抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展。重力活塞驅(qū)動(dòng)式儲(chǔ)能技術(shù)
重力活塞驅(qū)動(dòng)式儲(chǔ)能技術(shù)，工作原理為電力富余時(shí)提升活塞將水泵入活塞底部進(jìn)行能量存儲(chǔ)，當(dāng)需要能量時(shí)松開重力活塞壓迫水驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作釋放能量。
與抽水蓄能相比，該儲(chǔ)能技術(shù)將儲(chǔ)能介質(zhì)從水變?yōu)榱酥匚飰K活塞，水只推動(dòng)重物塊活塞上下移動(dòng)，而不提供能量?jī)?chǔ)存。也正因如此，該儲(chǔ)能技術(shù)可大幅降低地理?xiàng)l件對(duì)抽水蓄能電站的限制，將同級(jí)別抽水蓄能規(guī)模占地面積縮小至1-2公頃，規(guī)模為40MW-16GW，成本約1000元/MWh。不過，該種重力儲(chǔ)能技術(shù)，需要挖掘特定尺寸的豎井和水道，初試項(xiàng)目投資較高，且密封套在豎井中的滑移摩擦對(duì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率、項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)效益都有較大影響。塔吊式重力儲(chǔ)能技術(shù)選用的重物為混凝土砌塊，在電價(jià)低谷時(shí)利用電能驅(qū)動(dòng)塔吊提升混凝土砌塊進(jìn)行重力勢(shì)能存儲(chǔ)，需要電力時(shí)再用塔吊將高處的混凝土砌塊放回地面，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。
具體工作原理以位于瑞士Ticino市的塔吊式重力儲(chǔ)能試驗(yàn)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)看起來(lái)是一座高約110-120m的混凝土砌塊塔，由起重機(jī)和混凝土砌塊等模塊組成。電力充裕時(shí)，塔吊依序?qū)蝹€(gè)重達(dá)35噸的混凝土砌塊從地面提放至砌塊塔高處，使中心混凝土砌塊塔規(guī)模變大，電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。需要電力時(shí)，塔吊將混凝土砌塊從砌塊塔高處放回地面，砌塊重力勢(shì)能先轉(zhuǎn)化為下降過程中的動(dòng)能，最后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。據(jù)悉，該系統(tǒng)放電時(shí)間可短至2.9s，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%，理論儲(chǔ)電容量可達(dá)35MWh，壽命長(zhǎng)達(dá)30-40年，且充放電次數(shù)不受限制，同時(shí)，運(yùn)營(yíng)成本約為同級(jí)別電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的一半。山地鐵式重力儲(chǔ)能技術(shù)類似于抽水蓄能技術(shù)，都是依托兩個(gè)地勢(shì)高度差異明顯的重物儲(chǔ)存庫(kù)實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，區(qū)別有2點(diǎn)，一是山地鐵式重力儲(chǔ)能所用重物為重物塊，而不是水；二是山地鐵式重力儲(chǔ)能重物運(yùn)輸主要依托火車。
具體工作上，當(dāng)電網(wǎng)電力富余時(shí)，有軌電車將重物運(yùn)送至高處重物儲(chǔ)存庫(kù)，存儲(chǔ)重力勢(shì)能；當(dāng)需要用電時(shí)，有軌電車將重物從高處運(yùn)送至低處儲(chǔ)存庫(kù)，將重物重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行釋放。相關(guān)山地鐵路式重力儲(chǔ)能試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)沒有自放電存儲(chǔ)損耗，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%-85%，壽命約40-42年，儲(chǔ)能容量可達(dá)12.5MWh。相較同規(guī)模抽水蓄能，山地鐵路式重力儲(chǔ)能成本能降低一半，且選址不需要考慮水資源。缺點(diǎn)方面，該種儲(chǔ)能技術(shù)若不能利用退役鐵路改建，在修建鐵路軌道會(huì)需要較大投入，同時(shí)，鐵路軌道的坡度對(duì)其性能影響巨大。礦井式重力儲(chǔ)能電池系統(tǒng)通常是構(gòu)建在廢棄礦井上的，外形是一座地面電梯井，配置絞車、電機(jī)、鋼纜和電梯井架。通過電力驅(qū)動(dòng)絞車改變地下豎井中懸掛的重物高度進(jìn)行重力勢(shì)能與電能轉(zhuǎn)化，從而進(jìn)行能量存儲(chǔ)與釋放。
儲(chǔ)能容量方面，相關(guān)研究表明，一個(gè)深12m的礦井，利用一個(gè)重量約50噸的重物就可以實(shí)現(xiàn)11KWh的能量存儲(chǔ)，能量轉(zhuǎn)化率理論可達(dá)90%，壽命長(zhǎng)達(dá)50年，發(fā)電成本約1180元/MWh。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，可以充分利用各地的廢棄礦井，縮減初始成本，同時(shí)儲(chǔ)能容量、壽命都具有顯著優(yōu)勢(shì)。不足之處則在于，若布置區(qū)域無(wú)廢棄礦井類深井，前期投入較高。
