2022年储能行业之储能技术专题分析 抽固体重力储能原理与抽水蓄能完全相同

1. 储能行业将迎来快速发展阶段

“双碳”目标下，风电、光伏为代表的可再生能源快速发展，但新能源出力具有 间接性、波动性、随机性的特点，消纳较为困难，储能系统可与风电场、光伏电站、 电网、负荷形成混合系统，源网荷储一体化将建立动态新型电力系统，提升新能源消 纳能力。当前各地政府已经要求配储比例，储能行业将迎来快速发展阶段。

EV 重力储能技术融合多学科领域，迭代后技术已获得多项认证。Energy Vault 公司基于抽水蓄能（PHS）原理通过专有设计、先进算法技术融入材料科学、结构设 计知识成功搭建了独特的固体重力储能解决方案（GES）。EV 公司主要产品为基础多 臂起重机储能产品 EV1、模块化重力储能组件 EVx、高度可拓展化的大规模储能装置 EVRC，高度适配电网充放电需求。2020 年，EV1CUD 项目通过美国三大公用事业首次 技术验证，EV1CUD 连接瑞士国家电网，实现商用。2021 年，EVx 产品通过最大 WWIPP 进行的第二次技术验证。

首个规模 100MWh 可扩展 EVx 项目落户如东经济开发区。2021 年 11 月，中国天 楹与如东县政府签订《新能源产业投资协议》，中国天楹重力储能及成套设备制造项 目落户沿海经济开发区，该项目建设规模为 100MWh，功率为 25MW，根据 EV 官网显示， 重力块在建筑内根据轨道进行势能-动能转化，采用模块化设计，单个建筑物为单个 模块，通过扩展模块数量进行存储容量扩容，该项目具有技术寿命长、转化效率高、 存储介质零退化、无化学火灾风险等优点。

2. 重力储能技术：简单的实现原理，极高的技术壁垒

抽水蓄能是最早被开发利用的“重力储能技术”，但存在水头损失，能量利用效 率仅为 70%~85%。抽水蓄能电站分为上、下两个水库，其工作原理为在电力负荷低谷 时的将水抽至上水库，电能转化为势能，电力负荷高峰期时再放水至下水库的水电站， 势能转变为电能。放水过程水仅受重力作用水流在出水口形成湍流，短时间内阻力 增大，流速自动降低，所以抽水蓄能不需要调节水速；同时摩擦损耗、湍流、黏性 阻力等造成的水头损失使抽水蓄能转化效率为 70%~85%。

固体重力储能原理与抽水蓄能完全相同，仅介质不同。不同于抽蓄使用液体作 为介质，固体重力储能（以下简称重力储能）顾名思义是使用固体（重力块）作为介 质。它主要借助山体、地下竖井、人工构筑物等结构，通过电动机把电能转化为固体 的势能，把重力块提至相应的高度摆正，电力系统需要电能时放下重力块，带动轴承 系统将势能转化为转子动能，再通过转子切割磁力线发出电能。重物一般需要密度较 高，确保构筑物体积适中。

拥有与抽水蓄能同样简单的原理，但实现起来却困难重重，导致这项技术的研发 晚于抽水蓄能十几年。我们认为其难点主要体现在 2 个方面，即：1）如何升降单个 重力块充放电；2）如何升降数千个重力块充放电。（报告来源：未来智库）

技术难点 1：如何升降单个重力块充放电

抽水蓄能利用水推动水轮机，在某个固定的位置将水的动能转化为水轮机的动能， 并且水的剩余动能通过自然湍流耗散为热能，整个过程无需控制水的流速，仅控制水 的流量。 重力储能无法在一个固定的位置转化能量，而是在升降的过程中实现的，因此，重力储能必须能够控制自己的速度，并且为了最大化能量转化效率，还不能通过刹车 等动作浪费为热能，必须通过电动力与重力对抗，从而转化为电能。

因此，整个重力储能的能量转化过程可大致分为以下几个阶段： 充电状态运动过程：加速上升、匀速上升、减速上升三个阶段，电能转化为势 能。 1）加速上升阶段：电动机工作，牵引力拉动重力块体加速运动，速度由 0 上升 至恒定，这部分消耗电能为 E1，重力块积累的势能为 MgH1，积累的动能为 E1- Mg H1； 2）匀速上升阶段：速度恒定，消耗电能 E2克服重力做工，由于重力块速度不变， 因此电能全部转化为重力块势能 MgH2，即 E2= MgH2； 3）减速上升阶段：渐弱电动力，在自身重力作用下，重力块速度由恒定降低为 0，进入顶部平台横移放置，消耗电能为 E3，重力块积累的势能为 MgH3，减少的动能 为 Mg H3- E3= E1- Mg H1。 综上，如果暂时忽略其他损耗，储存的能量为 Mg(H1+H2+H3)=E1+E2+E3，即重力势 能全部由电能转化而来，且转化效率为 100%。本质上是由于全部通过电动力对抗重 力来控制重力块的速度，因此电能全部进入势能得到存储。

放电状态运动过程：加速下降，匀速下降，减速下降三个阶段，电能转化为势 能。 1）加速下降阶段：发电机工作，在自身重力作用下，重力克服发电机阻力使重 力块加速运动，速度由 0 上升至恒定，这部分发出的电能为 E1，重力块减少的势能为 MgH1，重力块动能=MgH1-E1； 2）匀速下降阶段：速度恒定，重力克服发电机阻力做工，发出电能 E2，由于重 力块速度不变，因此重力块势能 MgH2全部转化为电能，即 E2=MgH2；3）减速下降阶段：加强发电机阻力，使其大于重力并控制重力块速度由恒定降 低为 0，进入底部平台横移放置，发出电能为 E3，重力块减少的势能为 MgH3，减少的 动能为 E3-MgH3=MgH1-E1 同样的，如果暂时忽略其他损耗，发出的电能为 E1+E2+E3=Mg(H1+H2+H3)，即重力 势能全部转化为电能，且转化效率为 100%。本质上是由于全部通过重力对抗发电机 阻力来控制重力块的速度，因此势能全部转化为电能发出。

下降过程中，如果没有通过电动力与重力对抗，而是采用刹车机制，则在不同 的运动参数下，其能量转化效率存在上限。在起落速度 2m/s 情况下，转化效率上限 在 75%-96.7%之间，为保证转化效率在 90%以上，最低高度差为 120m 条件下，重力块 加速度需 0.4m/s，最低高差为 80m 及以上时，重力块加速度需达到 0.6m/s。1 m/s 情境下，转化效率上限在 85%~99%之间, 为保证转化效率在 90%以上，重力块相对高 差 80m 及以上时，加速度最少为 0.2m/s。因此，通过发电机阻力完整回收能量为电 能是该套系统的核心。

理论上，该系统能量转化效率较高。从上述分析可以看出，不考虑系统固有损耗 的情况下，实际转化效率是 100%，但毕竟也存在一些摩擦损耗、发电机损耗、变流 器损耗等，综合转化效率可达 85%-90%。

技术难点 2：如何升降数千个重力块充放电

升降单个重力块的问题得到解决后，接下来，面临的是个更难的问题，即如何 协调控制数千个重力块升降。不同于抽水蓄能开闸即可放水，重力储能需要针对每个 重力块给出明确的指令，才会开始正确的运动。 因此，重力块运动控制算法至关重要。类似于电化学系统的 EMS 能量管理系统， 重力储能也需要即时调整自己的出力来响应电力系统的需求，因此同时升降的数量、速度每个时刻都不一样，只有均匀出力的情况下才可以做到有规则的上升下降。那么 在响应系统需求时，调用哪个重力块，或者对哪些正在运动的重力块的运动状态进行 调整，都需要运动控制算法的配合。

3. 重力储能技术百花齐放，EVx 先声夺人

风电光伏装机高增情境下，储能成为必要条件。发电侧，风光出力具有波动性、 不稳定性需要储能进行负荷调节。电网侧，煤电机组自我调节无法满足日益增长的风 光新增并网需求，需要更加迅速的储能参与调峰和调频。用户侧，电力供需长期存在 错配问题，需要储能系统平滑用户需求。 我们对不同场景储能装机需求进行量化测算，发电侧在政策推动下，将成为驱动 储能规模扩大的最快增长极。我们预计 2023/2024/2025 年发电侧储能装机分为可达 4/6.9/10.9GW，储能总需求规模分为别 6.38/10.02/14.88GW，对应 2021-2025 年 CAGR 为 50.12%，储能提升为独立主体后有望进一步提振发电侧分光配储、用户侧分布式 光伏配储、负荷终端配储等需求。

储能需求催生重力储能发展，当前重力储能可分为构想阶段、商用阶段。近年 来随着新能源装机规模快速提升，为了解决新能源间歇性和消纳的问题催生储能行业 迅速发展，但抽水蓄能需要落差较大的地形和充沛的水资源，电化学储能上游材料逐 年走高，当前资源不能满足需求情况下，海内外根据抽水蓄能的原理，开始设计建造 许多新型重力储能系统。

构想阶段（2014-2020）：国内外各设计院和公司均对新型重力储能提出构建和设 想，主要分为四类产品： 新型抽水蓄能。主要分为海下储能和活塞水泵，水介质型重力储能相对抽水蓄能 相应时间更短、选址更灵活，海下储能系统可以合理利用海洋空间，活塞水泵系统可 以为城市提供储能服务，储能成本和效率与抽水蓄能相当，但系统建设在海底或水低， 海缆和管道铺设较为困难。 山体落差系统。利用山体落差和固体重物的提升来进行重力储能，相比人工构筑 物结构更加稳定，承重能力更强。目前的研究主要有 ARES 轨道机车结构、MGES 缆车 结构、绞盘机结构、直线电机结构和传送链结构等，但存在土建成本较高及室外环境 对缆车、机车运行影响情况较大等特点。 地下竖井系统。葛洲坝中储能技术公司均提出利用废弃矿井和缆绳提升重物方案， 解决了废弃矿井长时间不使用的风险和浪费问题，也降低了重力储能系统的建设成本， 但存在矿井资源有限，深井吊车能力有限等问题。 构筑物系统。通过制作构筑物高度差来进行储能，目前研究主要有支撑架、承重 墙等结构，利用构筑物高度差储能，选址灵活，易于集成化和规模化，但存在室外环 境精细化控制等问题。

商用阶段（2020 至今）：当前重力储能项目只有 Energy Vault 公司、Gravitricity 公司产品投入商用。 Gravitricity 公司。试点：Gravitricity 提出悬挂式重力势能技术，并于 2021 年在爱丁堡利斯港使用 15 米高的钻机成功建造、调试并运营了一个 250kW 的重力势 能并网示范项目。商用：2022 年，Gravitricity 开发第一个商用项目，目前预选地 区为欧洲捷克 Staříč 矿区，该项目拟定 4-8MW 单重

Energy Valut 公司。2017-2018 年基于抽水蓄能原理 EV 公司搭建构想模型，并 且成功设计出精准的算法用于控制重力块轨迹和充放电节奏。第一代产品为起重机式 EV1，第二代为单模块可拓展的 EVx。经过技术迭代后，2020 年 7 月，应用 EV1 技术 的瑞士的 5MW 商业示范单元(CDU)完工并网，成功实现商业规模部署。2021 年 11 月， Energy Vault 授权中国天楹，在江苏如东启动 100MWh 重力示范项目。EV 与 DG Fuels 在路易斯安那州的 500MWh 合作项目预计也于 2022 年年中开始建设。

EV 公司技术相对其他技术路线具有多方面优势的。重力储能方案结构众多，各 有优劣。EV 公司产品经过多年研究验证，产品经过 2 次迭代，当前产品 EVx 相对于 其他重力储能产品具有易于选址、转化效率高、功率和储能容量可高度扩展、介质不 易损耗、成本相对较低、响应时间迅速等特点，系统稳定性和经济性兼顾。

4.抽水蓄能低成本快装机适应双碳需求

目前主流的储能技术主要为抽水蓄能和电化学储能，抽水蓄能成本低、但是装机 速度很慢，无法追赶风光装机节奏；电化学储能装机速度与风光匹配，但是成本较高， 商业模式不甚清晰。目前，我们实际上缺乏一个既可以追赶风光装机节奏，又具备较 低成本可以盈利的储能技术，这已成为制约双碳进程的关键因素。 重力储能 LCOE 相对更低，成本管控路径可行性高，深度切合可持续战略。重力 储能使用全生命周期度电成本（LCOE）量化储能技术在整个生命周期中的单位放电电 量的成本，所计算的成本包括初次投资成本、维护成本、替换成本、充电成本、以及 后续回收成本。（报告来源：未来智库）

重力储能 VS 电化学储能

上游材料价格承压电池成本较高，电化学储能质量良莠不齐。以 10 MW/10 MWh 规模的磷酸铁锂电化学储能电站计算，LCOE 为 1.148 元/kWh。电池储能的初始投资 成本+替换成本占比占投资成本 56%以上，其中投资成本电池支出为 76%，维护成本主 要为电池更换成本，当前锂电池上游材料价格居高，电化学储能成本降低有限，同时 电化学储能质量良莠不齐，使用低廉价值锂电材料的充放电效率低，同时磷酸锂铁临 界温度为 800 摄氏度，如果不及时散热会发生安全事故。 重力储能能量不随时间衰减，材料来源广泛。相对于电化学储能，重力储能介质 主要为重力块，重力块介质将电能存储为势能，不会随着时间衰退，重力块材料来源 广泛，主要来自粉煤灰、风电废弃叶片、生活垃圾、固废等，兼顾经济性同时更具有 环境效益，重力储能在常温常压下进行，安全性高。

重力 VS 抽水蓄能：

抽水蓄能存在水头损失，选址困难，建造周期长。根据文山电力《重大资产置 换及发行股份购买资产并募集配套资金暨关联交易报告书（草案）》，我们可以计算出 2021 年，南网双调在运的 5 座抽水蓄能电站度电成本最高为 0.259 元/kWh。降低初 始投资成本、提高年循环次数是降低抽水蓄能度电成本的有效办法，随着抽水蓄能的 选址需要兼顾水资源和环境问题，选址难度逐年提升，未来初始投资成本降低的可能 性有限。 重力储能转化效率理论接近 100%，选址容易，建设周期约 1 年以内。重力储能 选址容易，一般选取空旷地带均可建设。构筑物式的重力储能主要建设内容为建筑， 在我国有极为成熟的产业链、广泛的材料来源和熟练的人力资源。

重力储能度电成本约为 0.5-0.8 元/kWh：以 EV 公司产品 10MW/40MWh (4 Hour System)规模的重力储能电站计算，我们依据 Bloomberg NEF 数据来看，EV 公司重力 储能 LCOE 约为锂电池 61%，即 0.74 元/kWh，2025 年可能相对锂电池 LCOE 为 51%， 约 0.54 元/kWh。我们认为，随着规模化提升，发电系统设备、机械运动设备成本均会有所降低，重力块可采用生活垃圾、煤灰废料等进一步降低成本，选取有利的地质 条件和地形条件均可进一步降低建筑成本，因此，重力储能的初始投资仍有进一步下 降的可能。

当前电化学成本偏高、抽蓄建设缓慢的情况下，重力储能形成技术补位的功能。 重力储能成本介于电化学与抽水蓄能之间，部分省份补偿标准可能已经使其具备商 业价值。重力储能建设主要为构筑物，进度在 1 年以内，国内建筑业有极为成熟的 产业链，容易迅速扩大建设规模，从而追赶风光建设速度。我们认为，重力储能技 术在抽蓄与电化学之间的空白地带将具备实用价值。 同时，重力储能选址方便，充放电时长可任意设计，规模随时可拓展，以势能储 存可做长时储能，并且储存介质可用废弃材料作为原材，极具环保价值，未来发展空 间广阔。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）