重力儲能技術與我國發展新型儲能的若干思考

鄭冬冬 戴彥德

能源是碳排放最主要的領域。我國“富煤、貧油、少氣”的化石能源資源稟賦，決定了現階段以煤為主的能源生產與消費格局，同時也造成了我國碳排放量全球最高的現狀。黨的二十大報告提出要加快規劃建設新型能源體系，推動能源結構的低碳轉型。電力作為能源供給體系的核心，也是低碳能源最為有效的應用途徑，構建以新能源為主體的新型電力系統，減少化石能源在一次能源消費中的比重，是符合我國國情的能源發展道路，是我國實現碳達峰、碳中和目標的必要之舉。

儲能作為支撐風電、光伏發電等可再生能源發展和構建新型電力系統必不可少的環節，在助力我國實現“雙碳”目標中扮演越來越重要的角色。2022年1月，一項中美兩國企業間關于重力儲能技術① 的合作引起業內廣泛關注。此次中美關于重力儲能技術的成功合作是中美兩國在2021年聯合國氣候變化大會發布《中美關于在21世紀20年代強化氣候行動的格拉斯哥聯合宣言》后，圍繞應對氣候變化領域的首個技術合作，為中美在應對氣候變化領域的技術合作打下基礎，為我國新型儲能產業發展增添了新的動力，也為進一步推動我國可再生能源發展帶來更多可能性。

儲能是構建新型電力系統的重要組成部分

新型電力系統的構建，可再生能源對化石能源的替代是重要特征之一，可再生能源將成為增量電量的絕對主體，并逐步成為電源裝機主體和電量供應主體。截至2023年6月，全國水電裝機4.18億千瓦，風電裝機3.9億千瓦，太陽能發電裝機4.71億千瓦，生物質發電裝機0.43億千瓦，可再生能源發電總裝機已達到13.22億千瓦，同比增長18.2%，約占我國發電總裝機的48.8%。其中，風電、光伏成為可再生能源增長的絕對主力。

在發展綠色低碳電力時，風電、光伏的間歇性和不穩定性特征對電力系統的調節能力帶來了挑戰。受氣候、天氣、季節、晝夜等因素影響，其隨機性、波動性和間歇性特征明顯，在當前技術水平下，難以有效支撐新型能源體系。風電、光伏的高比例并網將導致發電波動大幅增加，電力平衡難以保持穩定，對系統調峰能力提出更高要求，需要依靠儲能為電力系統的安全經濟運行提供保障。在電源側，配置儲能提升新能源并網質量；在電網側，配置儲能可提供平滑負荷曲線/削峰填谷、頻率調節、電能質量、旋轉備用、平抑新能源出力波動等多種輔助服務；在負荷側，配置儲能可平抑負荷波動。儲能已成為構建新型電力系統的核心環節，同時在穩定全社會用能成本、提高全社會能源利用效率以及促進綠色經濟增長等方面也將發揮重大作用。

新型儲能迎來快速發展的歷史機遇

“十五五”期間，以風電、光伏為主的可再生能源將替代煤電成為我國第一大電源。預計到2060年，我國電力裝機總量將達到80億千瓦，屆時風電、光伏裝機總量將超過60億千瓦，占比超過75%，隨之而來的是巨量的儲能需求市場，保守估計，到2060年，我國儲能裝機將達到10億千瓦以上。

目前，我國儲能仍以抽水蓄能為主。至2022年底，我國已投運的儲能項目累計裝機容量為5940萬千瓦，同比增長37%，其中抽水蓄能裝機達4610萬千瓦，占比77.6%。抽水蓄能的建設條件較為嚴苛，除要求地勢高差、穩定水源等自然條件外，還要綜合考慮移民規劃、生態環境影響等因素。我國抽水蓄能地理分布以西南地區和東部沿海地區為主，而風能、太陽能資源主要在東北、華北和西北，地理分布差異明顯，難以滿足構建新型電力系統對儲能的需求。

2022年1月，國家發改委、國家能源局發布《“十四五”新型儲能發展實施方案》，從科技創新、示范應用、規模發展、政策保障等方面制定措施，積極推動新型儲能的發展。

一般來講，新型儲能泛指除抽水蓄能外的所有儲能方式，技術路線呈多元發展趨勢，包括鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池等電化學儲能，重力儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等物理儲能，以及超導電磁、儲熱（冷）、氫儲能等其它儲能方式。截至2022年年底，我國新型儲能累計裝機1270萬千瓦，其中鋰離子電池和鉛酸電池占比超過90%，且商業化進程較快；與此同時，以重力儲能、壓縮空氣儲能、液流電池、鈉離子電池為代表的部分新型儲能技術已進入示范應用和商業化發展初期，鎳鎘電池、鈉硫電池、超導磁能、電容、儲熱/冷等技術也已基本完成研發并開始商業化進程，為儲能產業發展帶來更多可能。

構建新型電力系統的需求，要求儲能的發展綜合考慮能量轉換效率、資源可獲得性、規模化應用、系統壽命、安全性、成本經濟性、生態友好性等多方面因素，目前新型儲能中裝機最多的鋰離子電池和鉛酸電池也面臨材料獲取難度日漸提升、安全性存在隱患、循環壽命低等問題，其它技術也或多或少面臨著能量密度、轉換效率、經濟性、安全性等方面的問題，目前還沒有一種新型儲能方案能夠基本解決應用需求。由此，新型儲能未來將是多技術路線并存的市場化競爭發展局面。但綜合對比，重力儲能在各項關鍵指標方面比其他新型儲能技術具有明顯優勢，可替代抽水蓄能在新型電力系統構建中發揮重要作用。

重力儲能具有較強綜合優勢

重力儲能是通過重力勢能與電能的轉換來實現能量存儲與釋放的儲能方式，其技術路線多樣。早在1968年，我國建成的第一座抽水蓄能電站——河北省崗南11MW混合式抽水蓄能電站便是重力儲能的應用方式之一，隨著對技術不斷探索，目前已衍生出了活塞式重力儲能、廢棄礦井重力儲能、斜坡式重力儲能以及塔式重力儲能等多條技術路線。其中塔式重力儲能具有較強的綜合優勢和國際國內應用示范基礎，可填補目前新型儲能中適應大規模、高效率、安全穩定、低成本等儲能需求的技術空白。

重力儲能具有較好的應用示范基礎

1.國際示范項目運行效果良好。2017年，瑞士可再生能源公司（Energy Vault）基于抽水蓄能原理提出了重力儲能的解決方案。根據產品和場景需求的不同，重力儲能可實現在4到50小時之間充電和放電。該公司于2020年在瑞士Ticino推動了5MW/35MWh示范項目的建設，通過核心軟件系統的智能化控制，可實現5MW電力的持續穩定供應，實測能量轉換效率達到75.3%。

2.國內首臺套示范項目建設順利進行。2021年，Energy Vault基于瑞士示范項目對重力儲能技術進行優化，能量轉換效率將達到80%-85%。2022年，中國天楹股份有限公司與Energy Vault簽訂技術許可使用協議，將重力儲能技術引入中國，并推動在江蘇如東縣建設100MWh的重力儲能示范項目。

重力儲能具有較多技術優勢

能量轉換效率高。與抽水蓄能的技術原理相近，重力儲能解決了地質條件對抽水蓄能的限制問題。目前已經驗證的重力儲能系統能量轉換效率可達到75.3%，已超過抽水蓄能75%的轉換效率。

經濟性較好、系統壽命長。重力儲能系統設備主要由機械構件和重力模塊構成，項目耐久性好。技術安全性能不斷提升，系統壽命與建筑壽命保持一致，可達40年以上。

具有較大轉動慣量。與抽水蓄能一樣，重力儲能利用具有轉軸的機械設備（同步發電機、渦輪機、感應發電機等）來實現能量轉換。新能源大量并網呈現出的無慣量或弱慣量特征及控制方式是電力系統的未來發展趨勢，將影響電網系統控制方式和穩定運行。重力儲能系統可為電力系統提供大量的慣性響應，提升系統的頻率抗擾動能力，為系統重建功率平衡爭取時間。對于未來以新能源為主體的新型電力系統來說，這是非常寶貴的。

建設規模靈活。重力儲能系統結構采用模塊化的設計和建設方式，具有完全解耦的功率和能量，占地面積小，極大地拓展了重力儲能技術對不同應用場景下項目規模需求差異化的適應能力。

環境友好。重力儲能是以建筑形式存在的物理儲能技術，不存在化學品泄漏和污染的風險。重力儲能的提升模塊可利用粉煤灰、報廢的風力渦輪機葉片等建造，在降低重力儲能項目建設成本的同時消納固廢垃圾，帶來環境效益和經濟效益。

重力儲能擁有豐富的應用場景

重力儲能的技術特性，使其可為電源側、電網側、用戶側等電力系統各個環節的儲能需求提供解決方案。在“雙碳”目標背景下，重力儲能將在眾多應用場景發揮重要作用。

清潔能源大基地建設場景。我國可再生能源已進入大規模、高比例、高質量發展的新階段。《“十四五”可再生能源發展規劃》明確提出，在內蒙古、青海、甘肅等西部北部沙漠、戈壁、荒漠地區，加快建設一批生態友好、經濟優越、體現國家戰略和國家意志的大型風電光伏基地項目。為保障電力供應的穩定可靠，需要發揮儲能的調峰調頻、應急備用、容量支撐等多元功能。綜合比較來看，重力儲能技術優勢明顯，可代替抽水蓄能在清潔能源大基地建設中發揮重要作用。總體來看，已規劃的七大陸上新能源基地、五大海上風電基地以及多能互補清潔能源基地建設帶來的儲能市場將超過1億千瓦，為重力儲能提供了廣闊的市場空間。

退役火電機組替代場景。火電是新中國成立以來支撐工業和國民生活最主要的能源形式，目前我國火電裝機容量為13.57億千瓦，遍布各個城市，火電廠生產周期一般為40年，20世紀80年代后設計建造、大規模發展的火電設施目前已陸續退役。2021年，國家發改委、國家能源局發布《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》提出，“探索利用退役火電機組的既有廠址和輸變電設施建設儲能或風光儲設施。”我國火電廠普遍處于城區或市場周邊地帶，重力儲能安全性高，占地面積小，還可在一定程度上緩解城市固廢處理問題，符合城市綠色發展理念，且重力儲能建筑體與火電廠冷卻塔高度相仿，不存在限高或影響城市景觀的問題，長遠來看，這將是重力儲能助力能源轉型和推動城市實現“雙碳”目標的又一個重要領域。

風光儲氫一體化項目場景。在全球碳減排的背景下，各國對于發展氫能產業的熱情空前高漲，由于具有可助力眾多領域深度脫碳的優勢，可再生能源制氫（綠氫）進入快速發展的新時期。

我國風能、太陽能資源主要集中在“三北”地區，當地產業基礎相對薄弱，電力消納水平有限，在電力外輸通道難以滿足大規模可再生能源電力并網外輸的情況下，通過制氫實現可再生能源的消納將成為新能源轉化為新產品的新思路。行業研究顯示，從成本和穩定保障能力來看，重力儲能在可再生能源制氫電力供應方面具備較大優勢。隨著綠氫相關技術發展、投資和生產成本降低、應用領域拓展以及生態效益的市場化，綠氫的生產消費規模必將爆發式增長，2050年我國的氫氣需求將增長到每年8100萬噸，重力儲能模塊化建設和中長時儲能（2-12h+）的特性可滿足不同規模、不同模式的可再生能源制氫項目需求。

尾礦綜合治理場景。根據《國土資源情報》數據統計，截至2018年年底，我國尾礦累積堆存量約為207億噸，年排放量高達15億噸以上，尾礦利用增速高于排放增速，利用量小于新增量，大量的尾礦以“固體廢棄物”的形式存儲于尾礦庫中，我國尾礦綜合利用率僅為20%，與發達國家80%的利用率差距較大，整體處于起步階段。重力儲能技術通過在材料科學領域的關鍵創新，可利用尾礦渣、粉煤灰、固廢垃圾等作為重力提升模塊的主要原料，實現循環利用，緩解尾礦渣等固廢帶來的環境問題。此外，重力儲能可結合光伏，利用尾礦區電力基礎設施，打造“光+儲+生態”的生態綜合治理耦合修復模式，在獲取經濟效益的同時創造生態效益。

與數據中心產業耦合發展場景。數據中心是數字社會的核心基礎設施，數據中心耗電量相對較大，2021年，中國數據中心全國總消耗電量達到940億度，占全社會用電量的1.13%，是一般建筑的幾十倍。2022年國家提出“東數西算工程”，提出8個國家算力樞紐節點和10個國家數據中心集群的建設規劃，將東部算力需求有序引導到西部，緩解東部能源緊張問題，也為西部開辟一條發展新路，促進東西部協同聯動。數據中心的發展離不開能源，對電力的穩定性可靠性要求較高。在“雙碳”目標背景下，數據中心與可再生能源的結合將成為影響數據中心發展的關鍵因素。重力儲能的技術優勢可為數據中心提供安全高效的綠電保障，同時重力儲能建筑體的中部閑置空間可作為數據中心機房，數據中心還可為重力儲能智慧能源管理系統提供數據管理服務。

城市綜合應用場景。城市不間斷電源（UPS）是保障城市基本生產生活和核心機構能源安全的重要基礎設施，為政府、銀行、醫院、交通樞紐等城市核心機構提供能源安全保障，重力儲能在中長時儲能、安全性、轉動慣量、項目壽命等方面的技術優勢，可作為城市UPS廣泛用于對電力可靠性依賴度高的行業和設施，且重力儲能的模塊化設計使得其土地集約優勢明顯，在城市級UPS領域相比其他技術和產品具有明顯優勢。此外，重力儲能系統作為建筑體，其內部空間和外觀具有較強的可塑性，借助重力儲能建筑體打造城市景觀，形成地標建筑和城市名片，通過增加燈光秀、投影表演等附加功能，以震撼的視覺盛宴展現城市發展或文化、歷史等內容，打造獨具特色的能源與文旅產業融合發展的新高地、新亮點，創造經濟價值和社會價值。

我國發展新型儲能的若干建議

新型儲能在我國構建新型電力系統和新型能源體系中扮演著越來越重要的角色。自2021年以來，國家以及各省級能源主管部門密集出臺300多項與儲能相關的政策，明確產業發展目標規劃，加快推動部署新型儲能關鍵技術的研發、推廣和應用。

從實際應用情況來看，我國新型儲能整體仍處于發展初期，還面臨較多不確定性。核心技術需要進一步研發和創新，各項技術指標需要通過更多的示范項目進行驗證；新型儲能成本普遍較高，有待通過技術優化和加快商業化進程降低成本。國家關于新型儲能產業發展政策的系統性和針對性較弱，各地普遍存在按一定比例強制配儲的“一刀切”現象。匹配新型儲能多元機制的服務機制和商業模式尚未形成，新型儲能參與電力市場的輔助服務機制、反映新型儲能在電力系統不同應用場景作用價值的成本疏導機制尚未有效建立，目前新型儲能的發展需要有效解決較多不確定性。

綜合來看，要推動新型儲能行業的高質量可持續發展，需要從國家戰略、產業政策、市場機制以及標準法規等方面提供良好的政策和市場環境，為我國構建新型電力系統奠定基礎。

加強頂層設計，明確新型儲能的發展定位和目標

能源是社會經濟的基礎，新能源的發展尤其需要從國家戰略層面進行頂層設計和統籌規劃。2006年《可再生能源法》正式實施，此后國家相繼發布了可再生能源發電項目管理和電價管理的相關管理規定，形成了多項政策措施相配套的政策體系，助力我國可再生能源從無到有并快速發展，如今已成為全球可再生能源的引領者。新型儲能作為構建新型電力系統的重要組成部分，需要國家制定相應的政策指導文件，明確新型電力系統不同發展階段下新型儲能的功能定位、發展目標和實施路徑，為新型儲能的近期和中長期發展提供目標引導和政策保障。

加快技術攻關，建立健全新型儲能科技創新體系

完善的科技創新體系是支撐產業快速和可持續發展的關鍵，加快關鍵技術裝備攻關，實現核心技術自主化，是快速提高技術成熟度和產業競爭力的重點。要發揮政府和市場的雙重作用，加強儲能技術創新戰略性布局和系統性謀劃，積極推動產學研用融合發展，鼓勵具有基礎和實力的科研機構、大專院校與電力企業、具有行業影響力的新型儲能龍頭企業以及投資機構共同搭建科研創新平臺，推進國家級新型儲能重點實驗室建設，圍繞當前我國新型電力系統和新型儲能的實際需求，堅持技術路線多元并行發展，重點加強大容量、安全、穩定的新型儲能技術研究，完善新型儲能專業人才和復合型人才培養，為技術創新發展提供可持續的驅動力。

因地制宜發展，探索新型儲能規模化多元化應用

儲能的作用是為“源-網-荷”電力系統結構提供穩定運行和安全保障服務，我國各區域能源資源稟賦與負荷特性差異較大，新型儲能要因地制宜選擇重點發展路徑。從源網側看，在華東、華中、西南等具有一定抽蓄資源的地區，優先支持抽水蓄能和源網荷儲一體化項目建設，在抽水蓄能項目以外，以及電網末端和偏遠地區，根據需求以新型儲能作為補充；在華北、西北等抽水蓄能發展受限，且新能源資源豐富地區，新型儲能發展空間廣闊，應重點發展適應大容量、高效率、低成本且具有調峰調頻、慣量支撐功能的儲能技術；南方地區應推進海上風電與新型儲能耦合發展，加大引導用戶側儲能建設力度。面向多元化的用戶側儲能需求，應以支撐高品質用電、提高綜合用能效率效益、降低用能成本以及提升用戶靈活調節能力為目標，探索新型儲能不同技術路徑和發展模式。

完善價格機制，保障新型儲能高質量可持續發展

完善的成本疏導和價格形成機制是推動新型儲能產業可持續發展的關鍵。針對當前新型儲能價格機制不完善的現狀，應明確新型儲能在電力系統中的獨立主體地位，營造良好市場環境，健全新型儲能電站參與電力市場規則，完善電能量市場、輔助服務市場、容量市場等機制，加強電力現貨市場與輔助服務市場之間的協同聯動，從容量電價、拉大峰谷價差、輔助服務、現貨市場等方面著手，明確新型儲能在發電、電網、用戶等各個受益主體間的價值分配，通過價格信號激勵市場主體并引導社會資本參與新型儲能的建設，通過市場化方式促進新型儲能的公平競爭與降本增效，提高新型儲能投資回報，形成良性循環，促進新型儲能高質量可持續發展。

強化政策供給，加快新型儲能產業化商業化步伐

政策支持對處于發展初期的新型儲能產業尤為重要。應在現有政策基礎上，加大新型儲能技術創新和項目建設支持力度，積極開展新型儲能首臺（套）重大技術裝備示范、科技創新（新型儲能）試點示范以及新型儲能在重點區域的試點示范，鼓勵各地先行先試，通過示范應用帶動新型儲能技術進步和產業升級，積極拓展新型儲能的多元化商業應用模式，健全新型儲能的社會資本融資手段，鼓勵各地根據實際需要對新型儲能項目投資建設、并網調度、運行考核等方面給予政策支持。強化標準的規范引領和安全保障作用，積極建立健全新型儲能全產業鏈標準體系，加快制定新型儲能各技術路線的技術標準、安全標準、應用管理標準等，為新型儲能的產業化發展奠定基礎。

深化國際合作，聚焦新型儲能推動技術產業共贏

作為應對氣候變化領域的重點產業，新型儲能是當前國際競爭的熱點，也是未來雙多邊合作的重點。推動新型儲能的國際合作，要遵從優勢互補、互利共贏的原則，充分發揮政府間多、雙邊能源合作機制作用，聚焦新型儲能前沿技術領域，加強國際信息交流與信息共享，鼓勵與國外企業、科研機構開展新型儲能相關重大技術聯合研發，重視新型儲能領域的知識產權保護，積極引進相關技術和設備，推動國內先進儲能技術、標準、裝備“走出去”。發揮國內儲能市場優勢，加大與國際金融機構的合作力度，完善相關合作機制，吸引國際資本參與國內新型儲能的產業化發展。聚焦“一帶一路”沿線國家能源轉型市場，以開放姿態與歐美等發達國家具有先進技術和資金優勢的機構合作，聯合開展新型儲能及相關項目，實現共贏。

（編輯 季節）