海上重力储能技术研究进展及展望

陈 毅，黄大志，王子珩

（江苏海洋大学海洋工程学院，江苏 连云港 222005）

海洋约占据了地球表面积的71%，蕴藏着丰富的矿物和生物资源，更有着取之不尽的清洁可再生能源，如风能、太阳能、潮汐能、海流能和波浪能等[1]。目前，海洋可再生能源的开发以风能占比最大，截至2021 年底，中国海上风电累计装机5 237 台，容量达到2 535.2万kW，位居世界第一[2]。

与陆地上可再生能源类似，海上可再生能源都存在间歇性、波动性、随机性等特点，又随着电网中可再生能源发电占比的不断增加，使得电力系统的安全性和经济性面临着巨大的挑战。储能技术的出现，是提高系统稳定性、改善电能质量，提高可再生能源利用率的重要手段。目前，可根据能量形式将储能分为机械储能、电化学储能、化学储能和电磁储能[3]，见表1。

本文主要介绍了海洋重力储能技术的国内研究现状，结合现有重力储能技术研究，对海上重力储能技术的应用前景进行展望，为海洋储能技术的发展提供帮助。

1 国内外研究进展

重力储能作为一种机械式储能，通过对重力储能的分析，根据存储介质将重力储能分成水介质型重力储能和固体介质型重力储能。

1.1 水介质型重力储能

水介质型重力储能以抽水储能为典型代表，是作为世界应用规模最大的储能技术。据统计，截至2020年，全球抽水储能总容量达到181.1 GW，占储能总机量的94%以上[4]。基于传统陆地上抽水储能的原理，国内外已提出了许多可应用于海洋环境中的新型抽水储能技术概念，研究可分为海水抽水储能、海底抽水储能、重力式活塞抽水储能。

1.1.1 海水抽水储能

海水抽水储能根据海洋作为上水库还是下水库划分。上水库海水抽水储能，是通过在岛屿或海湾修筑水坝，将坝内水库作为下水库，海洋作为上水库，通过潮流水位差进行充放电。国外提出的一种能量岛[5]概念（图1），利用岛礁围海造湖，据估计一个60 km2的能源岛可以储存20 kWh 的电量。但对于传统抽水储能高达数百米的水头差，该系统水头差低，储能容量远低于概念上的抽水储能。

图1 能量岛概念图

在下水库海水抽水储能系统中，海洋作为下水库，可利用沿海高海拔地形及岛屿建造上水库。世界上首座商业化海水抽水储能电站于1999 年在日本冲绳建成，蓄水容量56 400 m3，有效落差136 m，装机容量30 MW[6]。我国相关工程实践还未完全展开，但目前我国能源局于2017 年发布[7]了海水抽水储能电站的普查结果，“十三五”规划提出将“研究试点海水抽水蓄能”纳入重点任务，由此可以预见海水抽水蓄能技术在不久之后将会成为一种开发电力持续稳定供应的主要技术。海水抽水蓄能电站的建设，一方面海洋作为水库，可减少前期造价；另一方面，需要解决包括技术攻关、设备研发、海洋生物和珊瑚礁对机组影响等问题。

1.1.2 海底抽水储能

美国麻省理工学院的Slocum 等[8]于2013 年提出了一种海洋可再生能源储能系统（ORES）模型，如图2所示，该系统由一个球形容器，耦合可逆式水泵水轮机，通过海水静压力差进行储能与释能。2017 年，德国Fraunhofer 风能和能源系统技术研究所开发的“StEnSea”项目在博登湖进行测试[9]，该团队根据理论模型等比例（1∶10）缩小建造了一个直径3 m 的混凝土球形容器，试验水深100 m，最终试验模型实现了38.7%储能效率。与该系统类似的，由Cazzaniga 等[10]提出的DOGES 概念中，只是将混凝土球形容器换成柱状钢管。这些类似的系统都能够合理利用海洋空间，大规模制造可对海洋可再生能源消纳利用，但同时容器强度问题、系统海底锚固及电缆的铺设等问题有待解决。

图2 球型海底抽水储能模型

1.1.3 重力式活塞抽水储能

基于重力式的活塞抽水储能，由Berrada 等[11]提出，如图3 所示。该装置在一个密闭循环的通道中，利用活塞的重力给予水压力，通过可逆式水泵-水轮机进行发电；储能阶段，通过驱动水泵抽水，利用水压力将活塞抬起，转化为活塞的重力势能。据理论研究，该系统单机储能容量可达到数十兆瓦时，具有毫秒级启动速度和秒级全功率响应，75%～80%循环效率，使用寿命估计为40 年[12]。随后，该团队分别利用压缩空气及钢丝绳对系统做出了改进，得到了更高的储能容量和功率。这项技术将固体和水介质型重力储能相结合，实现了反复运作，长时间发电。同时限制条件少，通过部署沿海城市海滨，为近海可再生能源的消纳与存储提供一种新的可能。但目前该系统在于活塞与管壁的密闭性、整体的密闭带来的压力及压力给予管道材料强度问题需要进一步研究。

图3 重力式活塞抽水储能系统

1.2 固体介质型重力储能

目前，海上固体介质型重力储能的研究仍处于理论阶段，但是陆地上的发展，国内外已有不少相关的研究及示范性工程实例。

2018 年瑞士一家Energy Vault[13]公司推出了一种塔吊式重力储能系统EV1。该技术利用一台全自动化六臂式塔式起重机，将混凝土砌块吊起和放下，有序堆积在起重机周围，进行储能和放电。该公司在2018 年建造1∶4 比例规模的试运行系统，对核心技术进行了测试和验证。2020 年该公司在瑞士提契诺正式建造了第一个示范性工程（图4）。该工程系统标准储能容量可达35 MWh、可在2.9 s 内4 MW 峰值功率，持续发电时间在8～16 h 之间并且往返一次储能效率可达90%，使用寿命估计30～40 a[14]。2021 年同一公司升级推出新的EVx 储能塔设计，引入可拓展高度的模块化框架，新的模块化设计将比EV1 储能塔具有更高的储能容量并且具有80%～85%的储能效率。同时，提出的EVRC 通过将多个EVx 储能塔优化集成到其中，可以从10 MWh 扩展到几十GWh 的储能容量。

图4 EV1 示范性工程

该重力储能塔的多重物存储模式，大大提高了储能容量和可持续发电时间，同时模块化和集成化设计，带来了更高的适应性和可拓展性。塔身高度受限于材料强度、高强度的作业为机械结构带来老化和磨损等问题。

国内Luo 等[15]发布了一项利用海洋深度落差的重力储能系统的发明，通过单点系泊系统将大型浮式海上平台定位在水面上，在平台设置多组电力提升和发电装置，并使用水下机器人在水中利用控制系统配合重物搬运。国外Novgorodcev 等[16]提出了一种重力和浮力结合的新型储能系统（SBGESS），该系统利用系泊系统固定在水中一定深度，安装等质量的重物和浮体，通过缆绳与平台连接，同时释放重物和浮体，等同质量的力产生的垂向合力相互抵消，大大降低了支撑结构的设计要求。海洋环境的特殊性，相对于陆地上，重力储能装置结构和材料需要更高的要求，如耐海水冲击、耐腐蚀、耐风化等。

2 前景展望

随着海上风电场的建设渐渐向深远海海域发展，一方面可以得到更优质的风能和更高装机规模，另一方面，可避免大量风电场集中对近海周边海洋环境、城市规划、交通航道造成影响，减少不必要的土地资源浪费[17]。此时储能技术伴随着风电场“下海”更具有经济意义[18]。重力储能技术原理简单、储能效率高、快速响应等特点，使其应用于海上成为一种新的可能。重力储能将更加绿色环保，固体型储能介质可以利用工业上的建筑垃圾和铁质废料，一方面解决了部分工业垃圾的处理问题，另一方面有利于减少系统建设成本。

鉴于目前的科技水平和对经济前景考虑，海上重力储能定位更多是一种补充储能[19]，增援未来的一种技术储备。单一的储能技术存在一定局限性，但随着海上风电、光伏装机容量和并网规模的逐渐扩大，重力储能技术具有的诸多特点，可补足部分储能技术的不足，为海上电力系统提供了一种新的可能，因此具有非常广阔的应用前景。