海上重力儲能技術研究進展及展望

陳 毅，黃大志，王子珩

（江蘇海洋大學海洋工程學院，江蘇 連云港 222005）

海洋約占據了地球表面積的71%，蘊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，如風能、太陽能、潮汐能、海流能和波浪能等[1]。目前，海洋可再生能源的開發以風能占比最大，截至2021 年底，中國海上風電累計裝機5 237 臺，容量達到2 535.2萬kW，位居世界第一[2]。

與陸地上可再生能源類似，海上可再生能源都存在間歇性、波動性、隨機性等特點，又隨著電網中可再生能源發電占比的不斷增加，使得電力系統的安全性和經濟性面臨著巨大的挑戰。儲能技術的出現，是提高系統穩定性、改善電能質量，提高可再生能源利用率的重要手段。目前，可根據能量形式將儲能分為機械儲能、電化學儲能、化學儲能和電磁儲能[3]，見表1。

本文主要介紹了海洋重力儲能技術的國內研究現狀，結合現有重力儲能技術研究，對海上重力儲能技術的應用前景進行展望，為海洋儲能技術的發展提供幫助。

1 國內外研究進展

重力儲能作為一種機械式儲能，通過對重力儲能的分析，根據存儲介質將重力儲能分成水介質型重力儲能和固體介質型重力儲能。

1.1 水介質型重力儲能

水介質型重力儲能以抽水儲能為典型代表，是作為世界應用規模最大的儲能技術。據統計，截至2020年，全球抽水儲能總容量達到181.1 GW，占儲能總機量的94%以上[4]?；趥鹘y陸地上抽水儲能的原理，國內外已提出了許多可應用于海洋環境中的新型抽水儲能技術概念，研究可分為海水抽水儲能、海底抽水儲能、重力式活塞抽水儲能。

1.1.1 海水抽水儲能

海水抽水儲能根據海洋作為上水庫還是下水庫劃分。上水庫海水抽水儲能，是通過在島嶼或海灣修筑水壩，將壩內水庫作為下水庫，海洋作為上水庫，通過潮流水位差進行充放電。國外提出的一種能量島[5]概念（圖1），利用島礁圍海造湖，據估計一個60 km2的能源島可以儲存20 kWh 的電量。但對于傳統抽水儲能高達數百米的水頭差，該系統水頭差低，儲能容量遠低于概念上的抽水儲能。

圖1 能量島概念圖

在下水庫海水抽水儲能系統中，海洋作為下水庫，可利用沿海高海拔地形及島嶼建造上水庫。世界上首座商業化海水抽水儲能電站于1999 年在日本沖繩建成，蓄水容量56 400 m3，有效落差136 m，裝機容量30 MW[6]。我國相關工程實踐還未完全展開，但目前我國能源局于2017 年發布[7]了海水抽水儲能電站的普查結果，“十三五”規劃提出將“研究試點海水抽水蓄能”納入重點任務，由此可以預見海水抽水蓄能技術在不久之后將會成為一種開發電力持續穩定供應的主要技術。海水抽水蓄能電站的建設，一方面海洋作為水庫，可減少前期造價；另一方面，需要解決包括技術攻關、設備研發、海洋生物和珊瑚礁對機組影響等問題。

1.1.2 海底抽水儲能

美國麻省理工學院的Slocum 等[8]于2013 年提出了一種海洋可再生能源儲能系統（ORES）模型，如圖2所示，該系統由一個球形容器，耦合可逆式水泵水輪機，通過海水靜壓力差進行儲能與釋能。2017 年，德國Fraunhofer 風能和能源系統技術研究所開發的“StEnSea”項目在博登湖進行測試[9]，該團隊根據理論模型等比例（1∶10）縮小建造了一個直徑3 m 的混凝土球形容器，試驗水深100 m，最終試驗模型實現了38.7%儲能效率。與該系統類似的，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。這些類似的系統都能夠合理利用海洋空間，大規模制造可對海洋可再生能源消納利用，但同時容器強度問題、系統海底錨固及電纜的鋪設等問題有待解決。

圖2 球型海底抽水儲能模型

1.1.3 重力式活塞抽水儲能

基于重力式的活塞抽水儲能，由Berrada 等[11]提出，如圖3 所示。該裝置在一個密閉循環的通道中，利用活塞的重力給予水壓力，通過可逆式水泵-水輪機進行發電；儲能階段，通過驅動水泵抽水，利用水壓力將活塞抬起，轉化為活塞的重力勢能。據理論研究，該系統單機儲能容量可達到數十兆瓦時，具有毫秒級啟動速度和秒級全功率響應，75%～80%循環效率，使用壽命估計為40 年[12]。隨后，該團隊分別利用壓縮空氣及鋼絲繩對系統做出了改進，得到了更高的儲能容量和功率。這項技術將固體和水介質型重力儲能相結合，實現了反復運作，長時間發電。同時限制條件少，通過部署沿海城市海濱，為近海可再生能源的消納與存儲提供一種新的可能。但目前該系統在于活塞與管壁的密閉性、整體的密閉帶來的壓力及壓力給予管道材料強度問題需要進一步研究。

圖3 重力式活塞抽水儲能系統

1.2 固體介質型重力儲能

目前，海上固體介質型重力儲能的研究仍處于理論階段，但是陸地上的發展，國內外已有不少相關的研究及示范性工程實例。

2018 年瑞士一家Energy Vault[13]公司推出了一種塔吊式重力儲能系統EV1。該技術利用一臺全自動化六臂式塔式起重機，將混凝土砌塊吊起和放下，有序堆積在起重機周圍，進行儲能和放電。該公司在2018 年建造1∶4 比例規模的試運行系統，對核心技術進行了測試和驗證。2020 年該公司在瑞士提契諾正式建造了第一個示范性工程（圖4）。該工程系統標準儲能容量可達35 MWh、可在2.9 s 內4 MW 峰值功率，持續發電時間在8～16 h 之間并且往返一次儲能效率可達90%，使用壽命估計30～40 a[14]。2021 年同一公司升級推出新的EVx 儲能塔設計，引入可拓展高度的模塊化框架，新的模塊化設計將比EV1 儲能塔具有更高的儲能容量并且具有80%～85%的儲能效率。同時，提出的EVRC 通過將多個EVx 儲能塔優化集成到其中，可以從10 MWh 擴展到幾十GWh 的儲能容量。

圖4 EV1 示范性工程

該重力儲能塔的多重物存儲模式，大大提高了儲能容量和可持續發電時間，同時模塊化和集成化設計，帶來了更高的適應性和可拓展性。塔身高度受限于材料強度、高強度的作業為機械結構帶來老化和磨損等問題。

國內Luo 等[15]發布了一項利用海洋深度落差的重力儲能系統的發明，通過單點系泊系統將大型浮式海上平臺定位在水面上，在平臺設置多組電力提升和發電裝置，并使用水下機器人在水中利用控制系統配合重物搬運。國外Novgorodcev 等[16]提出了一種重力和浮力結合的新型儲能系統（SBGESS），該系統利用系泊系統固定在水中一定深度，安裝等質量的重物和浮體，通過纜繩與平臺連接，同時釋放重物和浮體，等同質量的力產生的垂向合力相互抵消，大大降低了支撐結構的設計要求。海洋環境的特殊性，相對于陸地上，重力儲能裝置結構和材料需要更高的要求，如耐海水沖擊、耐腐蝕、耐風化等。

2 前景展望

隨著海上風電場的建設漸漸向深遠海海域發展，一方面可以得到更優質的風能和更高裝機規模，另一方面，可避免大量風電場集中對近海周邊海洋環境、城市規劃、交通航道造成影響，減少不必要的土地資源浪費[17]。此時儲能技術伴隨著風電場“下?！备哂薪洕饬x[18]。重力儲能技術原理簡單、儲能效率高、快速響應等特點，使其應用于海上成為一種新的可能。重力儲能將更加綠色環保，固體型儲能介質可以利用工業上的建筑垃圾和鐵質廢料，一方面解決了部分工業垃圾的處理問題，另一方面有利于減少系統建設成本。

鑒于目前的科技水平和對經濟前景考慮，海上重力儲能定位更多是一種補充儲能[19]，增援未來的一種技術儲備。單一的儲能技術存在一定局限性，但隨著海上風電、光伏裝機容量和并網規模的逐漸擴大，重力儲能技術具有的諸多特點，可補足部分儲能技術的不足，為海上電力系統提供了一種新的可能，因此具有非常廣闊的應用前景。