海上重力儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展及展望

陳 毅，黃大志，王子珩

（江蘇海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

海洋約占據(jù)了地球表面積的71%，蘊(yùn)藏著豐富的礦物和生物資源，更有著取之不盡的清潔可再生能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、海流能和波浪能等[1]。目前，海洋可再生能源的開(kāi)發(fā)以風(fēng)能占比最大，截至2021 年底，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)5 237 臺(tái)，容量達(dá)到2 535.2萬(wàn)kW，位居世界第一[2]。

與陸地上可再生能源類(lèi)似，海上可再生能源都存在間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，又隨著電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電占比的不斷增加，使得電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量，提高可再生能源利用率的重要手段。目前，可根據(jù)能量形式將儲(chǔ)能分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能[3]，見(jiàn)表1。

本文主要介紹了海洋重力儲(chǔ)能技術(shù)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有重力儲(chǔ)能技術(shù)研究，對(duì)海上重力儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望，為海洋儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供幫助。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

重力儲(chǔ)能作為一種機(jī)械式儲(chǔ)能，通過(guò)對(duì)重力儲(chǔ)能的分析，根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)將重力儲(chǔ)能分成水介質(zhì)型重力儲(chǔ)能和固體介質(zhì)型重力儲(chǔ)能。

1.1 水介質(zhì)型重力儲(chǔ)能

水介質(zhì)型重力儲(chǔ)能以抽水儲(chǔ)能為典型代表，是作為世界應(yīng)用規(guī)模最大的儲(chǔ)能技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，全球抽水儲(chǔ)能總?cè)萘窟_(dá)到181.1 GW，占儲(chǔ)能總機(jī)量的94%以上[4]。基于傳統(tǒng)陸地上抽水儲(chǔ)能的原理，國(guó)內(nèi)外已提出了許多可應(yīng)用于海洋環(huán)境中的新型抽水儲(chǔ)能技術(shù)概念，研究可分為海水抽水儲(chǔ)能、海底抽水儲(chǔ)能、重力式活塞抽水儲(chǔ)能。

1.1.1 海水抽水儲(chǔ)能

海水抽水儲(chǔ)能根據(jù)海洋作為上水庫(kù)還是下水庫(kù)劃分。上水庫(kù)海水抽水儲(chǔ)能，是通過(guò)在島嶼或海灣修筑水壩，將壩內(nèi)水庫(kù)作為下水庫(kù)，海洋作為上水庫(kù)，通過(guò)潮流水位差進(jìn)行充放電。國(guó)外提出的一種能量島[5]概念（圖1），利用島礁圍海造湖，據(jù)估計(jì)一個(gè)60 km2的能源島可以儲(chǔ)存20 kWh 的電量。但對(duì)于傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能高達(dá)數(shù)百米的水頭差，該系統(tǒng)水頭差低，儲(chǔ)能容量遠(yuǎn)低于概念上的抽水儲(chǔ)能。

圖1 能量島概念圖

在下水庫(kù)海水抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)中，海洋作為下水庫(kù)，可利用沿海高海拔地形及島嶼建造上水庫(kù)。世界上首座商業(yè)化海水抽水儲(chǔ)能電站于1999 年在日本沖繩建成，蓄水容量56 400 m3，有效落差136 m，裝機(jī)容量30 MW[6]。我國(guó)相關(guān)工程實(shí)踐還未完全展開(kāi)，但目前我國(guó)能源局于2017 年發(fā)布[7]了海水抽水儲(chǔ)能電站的普查結(jié)果，“十三五”規(guī)劃提出將“研究試點(diǎn)海水抽水蓄能”納入重點(diǎn)任務(wù)，由此可以預(yù)見(jiàn)海水抽水蓄能技術(shù)在不久之后將會(huì)成為一種開(kāi)發(fā)電力持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的主要技術(shù)。海水抽水蓄能電站的建設(shè)，一方面海洋作為水庫(kù)，可減少前期造價(jià)；另一方面，需要解決包括技術(shù)攻關(guān)、設(shè)備研發(fā)、海洋生物和珊瑚礁對(duì)機(jī)組影響等問(wèn)題。

1.1.2 海底抽水儲(chǔ)能

美國(guó)麻省理工學(xué)院的Slocum 等[8]于2013 年提出了一種海洋可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)（ORES）模型，如圖2所示，該系統(tǒng)由一個(gè)球形容器，耦合可逆式水泵水輪機(jī)，通過(guò)海水靜壓力差進(jìn)行儲(chǔ)能與釋能。2017 年，德國(guó)Fraunhofer 風(fēng)能和能源系統(tǒng)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的“StEnSea”項(xiàng)目在博登湖進(jìn)行測(cè)試[9]，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)理論模型等比例（1∶10）縮小建造了一個(gè)直徑3 m 的混凝土球形容器，試驗(yàn)水深100 m，最終試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)現(xiàn)了38.7%儲(chǔ)能效率。與該系統(tǒng)類(lèi)似的，由Cazzaniga 等[10]提出的DOGES 概念中，只是將混凝土球形容器換成柱狀鋼管。這些類(lèi)似的系統(tǒng)都能夠合理利用海洋空間，大規(guī)模制造可對(duì)海洋可再生能源消納利用，但同時(shí)容器強(qiáng)度問(wèn)題、系統(tǒng)海底錨固及電纜的鋪設(shè)等問(wèn)題有待解決。

圖2 球型海底抽水儲(chǔ)能模型

1.1.3 重力式活塞抽水儲(chǔ)能

基于重力式的活塞抽水儲(chǔ)能，由Berrada 等[11]提出，如圖3 所示。該裝置在一個(gè)密閉循環(huán)的通道中，利用活塞的重力給予水壓力，通過(guò)可逆式水泵-水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電；儲(chǔ)能階段，通過(guò)驅(qū)動(dòng)水泵抽水，利用水壓力將活塞抬起，轉(zhuǎn)化為活塞的重力勢(shì)能。據(jù)理論研究，該系統(tǒng)單機(jī)儲(chǔ)能容量可達(dá)到數(shù)十兆瓦時(shí)，具有毫秒級(jí)啟動(dòng)速度和秒級(jí)全功率響應(yīng)，75%～80%循環(huán)效率，使用壽命估計(jì)為40 年[12]。隨后，該團(tuán)隊(duì)分別利用壓縮空氣及鋼絲繩對(duì)系統(tǒng)做出了改進(jìn)，得到了更高的儲(chǔ)能容量和功率。這項(xiàng)技術(shù)將固體和水介質(zhì)型重力儲(chǔ)能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了反復(fù)運(yùn)作，長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電。同時(shí)限制條件少，通過(guò)部署沿海城市海濱，為近海可再生能源的消納與存儲(chǔ)提供一種新的可能。但目前該系統(tǒng)在于活塞與管壁的密閉性、整體的密閉帶來(lái)的壓力及壓力給予管道材料強(qiáng)度問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

圖3 重力式活塞抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.2 固體介質(zhì)型重力儲(chǔ)能

目前，海上固體介質(zhì)型重力儲(chǔ)能的研究仍處于理論階段，但是陸地上的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已有不少相關(guān)的研究及示范性工程實(shí)例。

2018 年瑞士一家Energy Vault[13]公司推出了一種塔吊式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)EV1。該技術(shù)利用一臺(tái)全自動(dòng)化六臂式塔式起重機(jī)，將混凝土砌塊吊起和放下，有序堆積在起重機(jī)周?chē)M(jìn)行儲(chǔ)能和放電。該公司在2018 年建造1∶4 比例規(guī)模的試運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。2020 年該公司在瑞士提契諾正式建造了第一個(gè)示范性工程（圖4）。該工程系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能容量可達(dá)35 MWh、可在2.9 s 內(nèi)4 MW 峰值功率，持續(xù)發(fā)電時(shí)間在8～16 h 之間并且往返一次儲(chǔ)能效率可達(dá)90%，使用壽命估計(jì)30～40 a[14]。2021 年同一公司升級(jí)推出新的EVx 儲(chǔ)能塔設(shè)計(jì)，引入可拓展高度的模塊化框架，新的模塊化設(shè)計(jì)將比EV1 儲(chǔ)能塔具有更高的儲(chǔ)能容量并且具有80%～85%的儲(chǔ)能效率。同時(shí)，提出的EVRC 通過(guò)將多個(gè)EVx 儲(chǔ)能塔優(yōu)化集成到其中，可以從10 MWh 擴(kuò)展到幾十GWh 的儲(chǔ)能容量。

圖4 EV1 示范性工程

該重力儲(chǔ)能塔的多重物存儲(chǔ)模式，大大提高了儲(chǔ)能容量和可持續(xù)發(fā)電時(shí)間，同時(shí)模塊化和集成化設(shè)計(jì)，帶來(lái)了更高的適應(yīng)性和可拓展性。塔身高度受限于材料強(qiáng)度、高強(qiáng)度的作業(yè)為機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)老化和磨損等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)Luo 等[15]發(fā)布了一項(xiàng)利用海洋深度落差的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)明，通過(guò)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)將大型浮式海上平臺(tái)定位在水面上，在平臺(tái)設(shè)置多組電力提升和發(fā)電裝置，并使用水下機(jī)器人在水中利用控制系統(tǒng)配合重物搬運(yùn)。國(guó)外Novgorodcev 等[16]提出了一種重力和浮力結(jié)合的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)（SBGESS），該系統(tǒng)利用系泊系統(tǒng)固定在水中一定深度，安裝等質(zhì)量的重物和浮體，通過(guò)纜繩與平臺(tái)連接，同時(shí)釋放重物和浮體，等同質(zhì)量的力產(chǎn)生的垂向合力相互抵消，大大降低了支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。海洋環(huán)境的特殊性，相對(duì)于陸地上，重力儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)和材料需要更高的要求，如耐海水沖擊、耐腐蝕、耐風(fēng)化等。

2 前景展望

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)漸漸向深遠(yuǎn)海海域發(fā)展，一方面可以得到更優(yōu)質(zhì)的風(fēng)能和更高裝機(jī)規(guī)模，另一方面，可避免大量風(fēng)電場(chǎng)集中對(duì)近海周邊海洋環(huán)境、城市規(guī)劃、交通航道造成影響，減少不必要的土地資源浪費(fèi)[17]。此時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)伴隨著風(fēng)電場(chǎng)“下海”更具有經(jīng)濟(jì)意義[18]。重力儲(chǔ)能技術(shù)原理簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能效率高、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，使其應(yīng)用于海上成為一種新的可能。重力儲(chǔ)能將更加綠色環(huán)保，固體型儲(chǔ)能介質(zhì)可以利用工業(yè)上的建筑垃圾和鐵質(zhì)廢料，一方面解決了部分工業(yè)垃圾的處理問(wèn)題，另一方面有利于減少系統(tǒng)建設(shè)成本。

鑒于目前的科技水平和對(duì)經(jīng)濟(jì)前景考慮，海上重力儲(chǔ)能定位更多是一種補(bǔ)充儲(chǔ)能[19]，增援未來(lái)的一種技術(shù)儲(chǔ)備。單一的儲(chǔ)能技術(shù)存在一定局限性，但隨著海上風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量和并網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，重力儲(chǔ)能技術(shù)具有的諸多特點(diǎn)，可補(bǔ)足部分儲(chǔ)能技術(shù)的不足，為海上電力系統(tǒng)提供了一種新的可能，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景。