重力储能可以解决清洁能源的一个主要缺点

陈讲运清洁能源

原创

2022-11-23 07:47 · 来自北京

在风平浪静、天空多云时寻找绿色能源一直是一个挑战。将其存放在巨大的混凝土块中可能是答案。

商业演示单元提升每个重达 35 吨。照片：乔瓦尼·弗龙多尼

在瑞士山谷中，一台不寻常的多臂起重机将两个35吨重的混凝土块高高地吊到空中。这些块小心翼翼地沿着起重机的蓝色钢架向上延伸，悬挂在66米宽的水平臂两侧。总共有三条臂，每条臂都装有将另一对块吊到天空所需的电缆、绞盘和抓钩，使该设备看起来像一只巨大的金属昆虫，用钢网提升和堆叠砖块。虽然这座塔高75米，但它很容易与瑞士南部Lepontine阿尔卑斯山的森林侧翼相形见绌，这些侧翼从谷底向各个方向升起。

三十米。三十五。四十。混凝土砌块由瑞士电网供电的电机缓慢向上吊起。它们在九月温暖的空气中悬挂了几秒钟，然后固定块的钢缆开始解开，它们开始缓慢下降，加入堆放在塔脚的几十个类似的块。这是精心设计的钢筋混凝土舞蹈的时刻。当每个块下降时，提升块的电机开始反向旋转，产生的电力通过沿着起重机侧面向下延伸的粗电缆进入电网。在街区下降的30秒内，每个街区产生约一兆瓦的电力：足以为大约1000个家庭供电。

这座塔是总部位于瑞士的Energy Vault的原型，该公司是众多寻找利用重力发电新方法的初创公司之一。一个全尺寸版本的塔可能包含7，000块砖，并提供足够的电力为数千个家庭供电八小时。以这种方式储存能源可以帮助解决向可再生电力过渡面临的最大问题：找到一种零碳方式，在没有风和阳光照射时保持灯亮。“我们面临的最大障碍是获得低成本存储，”Energy Vault首席执行官兼联合创始人Robert Piconi说。

如果没有办法使世界电力供应脱碳，到2050年，我们将永远无法实现温室气体净零排放。电力生产和供热占全球排放量的四分之一，而且由于你能想象到的几乎所有活动都需要电力，清理电网会产生巨大的连锁反应。如果我们的电力变得更环保，我们的家庭、工业和交通系统也会变得更环保。随着我们生活中越来越多的部分电气化，这将变得更加重要，尤其是供暖和运输，这将很难以任何其他方式脱碳。根据国际原子能机构的数据，到2050年，所有这些电气化预计将使电力生产翻一番。但是，如果没有一种简单的方法来储存大量能量，然后在我们需要的时候释放它，我们可能永远无法消除对肮脏、污染、化石燃料发电站的依赖。

这就是重力储能的用武之地。该技术的支持者认为，重力为存储问题提供了一个简洁的解决方案。Piconi和他的同事说，重力系统可以提供我们目前忽视的廉价，充足和持久的能量储存，而不是依赖锂离子电池，锂离子电池会随着时间的推移而降解，并且需要从地下挖出稀土金属。但为了证明这一点，他们需要建立一种全新的电力储存方式，然后说服一个已经全力以赴使用锂离子电池的行业，未来的储能涉及从高处坠落的极重物。

Energy Vault首席技术官Andrea Pedretti和首席执行官兼联合创始人Robert Piconi。照片：斯宾塞·洛厄尔

ENERGY VAULT的试验场位于提契诺州的一个叫Arbedo-Castione的小镇上，这是瑞士26个州中最南端的州，也是唯一一个唯一官方语言是意大利语的州。瑞士阿尔卑斯山的山麓是重力储能初创公司的合适地点：从Energy Vault的办公室向东驱车一小段路程即可到达康特拉大坝，这是一座混凝土建筑，在《黄金眼》的开场中很有名，詹姆斯·邦德（James Bond）从大坝220米高的表面蹦极而下，潜入苏联绝密的化学武器设施。就在Arbedo-Castione的北部，另一座高耸的大坝阻挡了Blenio山谷上游，阻挡了Luzzone水库的水。

水和高度——瑞士拥有丰富的这两种资源，这就是为什么该国是地球上最古老、使用最广泛的大规模储能的早期先驱：抽水蓄能。在瑞士的最北部是世界上最古老的抽水蓄能设施。Engeweiher抽水蓄能设施建于1907年，其基本前提与Energy Vault的塔相同。当电力供应充足时，水从附近的莱茵河向上泵送，以填充90，000立方米的Engeweiher水库。当能源需求最高时，其中一些水通过一组闸门释放并下降到水力发电厂，在那里水的向下运动转动涡轮机的叶片并发电。Engeweiher现在兼作当地的景点，受到附近沙夫豪森镇的慢跑者和遛狗者的欢迎，但自20世纪初以来，抽水蓄能已经走了很长一段路。世界上超过94%的大型储能是抽水蓄能的，其中大部分是在1960年代和90年代之间建造的，以利用夜间运行的核电站产生的廉价电力。

抽水蓄能的简单性使其成为比尔·格罗斯（Bill Gross）的明显起点，比尔·格罗斯（Bill Gross）是一位连续创业者，也是加州创业孵化器Idealab的创始人。“我一直想找到一种方法来制造我认为是人工坝的东西。我们怎么能把大坝的属性，这些大坝是如此伟大，却在我们想去的任何地方建造它？“他说。尽管新的抽水蓄能电站仍在建设中，但该技术存在一些很大的缺点。新项目需要数年的时间来规划和建造，而且它们只在高度和水量充足的地方工作。格罗斯希望重现抽水蓄能的简单性，但在某种程度上，这意味着储能可以在任何地方建造。2009年，他与他人共同创立了一家名为Energy Cache的初创公司，该公司计划通过使用杰里操纵的滑雪缆车将砾石袋抬到山坡上来储存能量。

格罗斯和他的联合创始人亚伦·菲克（Aaron Fyke）最终于2012年在加利福尼亚州欧文代尔的一个山坡上建造了该设备的小型原型，但他们很难找到客户，不久之后这家初创公司就倒闭了。“多年来，我一直在思考这个问题。我为此感到难过，“他说。“但我一直在想，储能必须拥有的真正东西是，你需要能够把它放在任何你想要的地方。当格罗斯沉思于他失败的创业公司时，储能的理由只会越来越强。在2010年至2016年期间，太阳能发电的成本从每千瓦时38美分（28便士）上升到仅11美分。格罗斯确信，也许是时候回到他的重力存储想法了，有一个新的创业公司和一个新的设计。他确切地知道他想建造它。

商业演示单位提出的区块“插入”到下面的区块中。照片：乔瓦尼·弗龙多尼

安德里亚·佩德雷蒂（Andrea Pedretti）有建造不可能的结构的背景。在他位于提契诺州的家族土木工程公司，他帮助建造了挪威一年一度的康斯伯格爵士音乐节的主舞台：一条20米高的浮动PVC毯子，带有凸出的喇叭，将声音倾泻到城镇广场。2016年，佩德雷蒂接到格罗斯的电话，要求他帮助设计一种非常不同的结构：一种储能装置，可以在不需要山脉的情况下重建抽水蓄能。两人开始起草结构的粗略想法，计算每个结构的建造成本，并在提契诺州和加利福尼亚之间的频繁通话中讨论设计。“[格罗斯]总是痴迷于降低一切成本——他非常擅长这一点，”现任Energy Vault首席技术官的Pedretti说。他们最早的设计之一采用了一个高100米，宽30米的钢壁水箱的形式，水将被泵送到顶部，然后释放回底部，转动连接到发电机的涡轮机。

后来，他们考虑建造一系列高架塑料槽，当水落在水平之间时，这些水槽会倾斜。没有一个设计将成本降低到足够低，所以佩德雷蒂和格罗斯回到了他们最初的想法之一：使用起重机来提升和放下重量。起重机很便宜，技术无处不在，佩德雷蒂推理道。这样，他们就不必为了将他们的想法付诸实践而重新发明轮子。

然而，棘手的部分是找到一种自主举起和堆叠重物的方法。存储系统的工作原理是围绕中央塔将数千个块堆叠成同心环，这需要精确放置块，并能够补偿风和由电缆末端摆动的重物引起的钟摆效应。在Arbedo-Castione的演示塔上，固定支撑起砖块的电缆的手推车来回移动以补偿这一运动;佩德雷蒂位于加利福尼亚州西湖村的办公室里的黑板上仍然写满了他用来计算平稳提升和堆叠积木的最佳方法的方程式。

2017 年 7 月，Pedretti 上线并以 5，000 欧元的价格购买了一台 40 岁的起重机。“它生锈了，但很好。它完成了这项工作，“他说。他与他在Energy Vault的同事Johnny Zani一起更换了起重机的电子设备，并将其安装在Energy Vault当前测试场以北一个名为Biasca的小镇上。在他们对软件的第一次测试中，他们指示起重机提起一袋泥土并将其移动到不远处的特定点。“这太神奇了——它第一次就奏效了。这永远不会发生！它承受了重量，移动了它，并在十米外停了下来，“佩德雷蒂说。一周后，他们把一袋泥土换成了一堆亮蓝色的桶，并拍摄了起重机堆放桶的视频。“这是基本上启动公司的视频，”佩德雷蒂说。

2017年10月，Energy Vault正式成为一家公司，前医疗保健高管和格罗斯的另一位合作者罗伯特·皮科尼（Robert Piconi）担任首席执行官。现在，他们必须说服投资者，他们拥有40年历史的起重机只是一家可以帮助解决世界日益增长的可再生电力困境的公司的开始。

能源库75米高的商业示范单元，夜间，瑞士Arbedo-Castione。照片：乔瓦尼·弗龙多尼

我们正在经历一场电力生产的革命。在世界许多地方，燃烧化石燃料发电的时代即将结束。2020 年，英国创下了创纪录的 67 天没有启动其为数不多的燃煤电厂之一，对于一个不到 10 年前三分之一的电力来自煤炭的国家来说，这是一个惊人的壮举。自2010年以来，风能和太阳能的快速部署将可再生能源在全球电力中的份额从20%上升到略低于29%。根据国际能源署的数据，到2023年，风能和太阳能的总装机容量将超过天然气。到2024年，它将超过煤炭，一年后，可再生能源作为一个整体将成为全球最大的单一发电来源。“如果我们真的想应对气候变化，我们最好处于一个朝着高可再生能源渗透系统迈进的境地，”麻省理工学院能源计划的研究科学家Dharik Mallapragada说。“从技术角度来看，这是我们最好的卡片。只要尽可能多地将风能和太阳能部署到系统中。

电网脱碳的竞赛带来了我们以前从未遇到过的挑战。运行电网是一种高压线行为，必须始终仔细平衡发电量与需求。系统总是处于危险地偏离平衡的边缘。产生过多的电力，电网就会崩溃。发电量太少，电网崩溃。这正是 2021 年 2 月在德克萨斯州发生的事情，当时几十年来最冷的冬季风暴之一袭击了该州。

德克萨斯人争先恐后地打开暖气，抵御温度如此之低，以至于通往天然气和核电站的管道冻结了。随着需求激增和供应在2月15日凌晨暴跌，德克萨斯州电气可靠性委员会（ERCOT）控制室的工作人员疯狂地打电话给公用事业公司，要求他们切断客户的电力供应。数以百万计的德克萨斯人几天没有电。有些人在等待电力恢复正常时死于自己家中体温过低。危机发生几天后，ERCOT首席执行官比尔·马格内斯（Bill Magness）承认，整个电网距离不受控制的停电只有“几秒钟和几分钟”的时间，这可能导致数千万居民数周停电。

风能和太阳能比例高的电网容易受到电力供应突然波动的影响。当天空变暗或风变得平静时，发电就会从电网中消失，让公用事业公司使用化石燃料来填补缺口。相反的情况也带来了问题。加州大约32%的电力来自可再生能源，但在凉爽的春季，当天空晴朗，风力稳定时，这一比例可能会飙升至近95%。

不幸的是，太阳能在中午左右达到峰值，几个小时前电力需求达到最高水平，因为人们下班回家，打开空调，打开电视。由于太阳能不是在深夜产生的，因此这种高峰需求通常由天然气发电厂来满足。当加州独立系统运营商的研究人员在图表上绘制太阳能生产和峰值能源需求之间的差距时，他们注意到这条线描绘了鸭子的圆肚子和细长的脖子，并将可再生能源最令人烦恼的复杂问题之一命名为“鸭子曲线”。看起来可爱的曲线是一个问题，以至于加州有时不得不付钱给邻国，让他们从手中拿走多余的太阳能，以避免电力线过载。在夏威夷，太阳能发电峰值和需求峰值之间的差异更加明显，这条曲线还有另一个名字：“尼斯湖水怪曲线”。

所有这些问题都归结为电力的一个基本怪癖：它不可能储存。燃煤电厂产生的电火花不能静止不动;它必须去某个地方。为了保持电网平衡，电网运营商不断匹配供需，但你向电网中添加的风能和太阳能越多，你给这种平衡行为带来的不确定性就越大。公用事业公司通过保留化石燃料发电厂来在必要时调度可靠的能源来对冲这种情况。

储能提供了摆脱这种束缚的一种方式。通过将电能转换为不同形式的能量——锂离子电池中的化学能，或Energy Vault悬挂砖块中的引力势能——您可以保留这种能量并在需要时准确部署它。通过这种方式，您可以从可再生能源中榨取更多价值，并减少对化石燃料发电厂备份的需求。“这是一个必须发生的转变，电池技术和储能更普遍地是向可再生能源转变的重要组成部分，”IDTechEx高级技术分析师Alex Holland说。据彭博新能源财经报道，储能正处于指数级增长的边缘：其2019年的报告预测，到2040年，储能将增长122倍，需要高达五万亿英镑的新投资。

退役燃煤电厂场地如何重新用于能源库弹性中心的渲染图。照片：能源库公司

即使他的公司于2018年开始设计多臂起重机，Piconi也越来越清楚，他的储能系统的下一个版本需要进行大修。首先，一座全尺寸的塔将重达天文数字，并且需要深厚的地基来保持其稳定。仅这些区块就将达到约245，000吨 - 几乎是迪拜哈利法塔摩天大楼重量的一半。暴露的设计也带来了潜在的问题。如果雪被困在两个块之间，它可以被压实成冰，使堆叠更多的块变得不可能。沙尘暴可能证明存在类似的风险。

为了解决这些问题，Piconi和他的同事决定将他们的重力存储系统安装在巨大的模块化建筑中 - 他们称之为EVx的系统。每座拟建建筑的高度至少为100米，包含数千个重量。摆脱起重机简化了处理如此多重量的物流。现在，重量不必精确地堆叠在同心圆中，而是可以通过手推车系统垂直提升并存放在建筑物顶部的架子上，直到它们准备好再次下降。

设计也可以根据存储要求进行更改：长而薄的建筑将在相对较短的时间内提供大量能量，而为建筑物增加进一步的宽度将增加它可以释放能量的时间跨度。一个千兆瓦时的系统可以提供大约足够的能量为大约100，000个家庭供电10小时，占地面积为25至30英亩。“我的意思是，它非常庞大，”皮科尼说，但他指出，这些系统很可能部署在不缺乏空间的地方，包括现有的风能和太阳能农场附近。该系统也引起了渴望使用更多可再生能源的耗电重工业的兴趣。

一个潜在客户是中东的一家氨制造商，另一个是澳大利亚的大型矿业公司。Piconi表示，大多数客户会直接购买存储系统，但有些客户可以按月租用存储即服务模式。到目前为止，Energy Vault最大的交易是与大型工业客户进行的。“随着事情的发展，人们正在寻找替代品，[太阳能]已经下降到如此之低，这些工业应用变得非常有趣，”Piconi说。

Energy Vault面临的最重要的问题是，它能否将建筑物的成本降低到足以使重力成为最具吸引力的储能形式。自1991年以来，锂离子电池的成本下降了97%，分析师预计未来几十年价格将继续下降。“真的，任何存储技术都必须与锂离子竞争，因为锂离子正处于这种令人难以置信的成本降低轨道上，”伦敦帝国理工学院的访问研究员Oliver Schmidt说。在接下来的几十年里，数以亿计的电动汽车将下线，几乎每一辆都将包含锂离子电池。在2018年年中，特斯拉的Gigafactory每年生产超过20吉瓦时的锂离子电池，超过了全世界安装的电网规模电池存储总量。电动汽车的繁荣正在推动锂离子的成本下降，而储能也随之而来。

Energy Vault系统的价格可能不会下降到现在。每个设施都需要建造一座新建筑，尽管格罗斯表示，该团队已经在研究通过减少所需材料数量和自动化部分建筑来降低成本的方法。它的一个优点是重量。每个EVx系统中的数千个30吨砌块可以由建筑工地的土壤或其他用于垃圾填埋的材料制成，再加上一点粘合剂。2021 年 7 月，Energy Vault 宣布与意大利能源公司 Enel Green Power 合作，使用退役风力涡轮机叶片中的玻璃纤维作为其砖块的一部分。在Arbedo-Castione的测试现场，它有一个砖压机，每15分钟可以生产一个新的块。“这就是我们设计供应链的方式的伟大之处。没有什么可以阻止我们。是泥土。这是废物。我们可以在四个月内制造出这些砖机，我们可以制造25到50台，“皮科尼说。

重力首席机械工程师Steven Kirk和机械工程师Julie Le Négaret参与了矿井中250千瓦演示系统的建设。照片：彼得·迪布丁

总部位于爱丁堡的储能初创公司Gravitricity找到了一种降低重力储能成本的新方法：将其重量放到废弃的矿井中，而不是建造塔楼。“我们相信，要使成本、工程和物理适用于大型系统......我们需要利用地球的地质来承受重量，“Gravitricity董事总经理查理布莱尔说。2021 年 4 月，Gravitricity 开始对在苏格兰利斯组装的 15 米高的演示系统进行测试，但该公司的第一个商业系统可能最终在捷克，那里的政界人士渴望为即将退役的煤矿找到新的用途。另一个潜在的地点是南非，它有很多自己的矿山，加上电网不稳定和频繁停电的额外问题。

重力性的目标是能源市场与Energy Vault不同的部分：在关键时刻提供短时间的电力爆发，以防止昂贵的能源基础设施受到破坏。电网设计为在特定频率下运行;欧洲电网的运行频率为 50 赫兹，而美国则为 60 赫兹。该频率是通过在电网的供需之间保持平衡来维持的，但是其中任何一个的突然峰值都可能导致频率上升或下降。在化石燃料发电厂中，旋转涡轮机就像减震器一样，平滑频率的微小变化，而运营商增加或减少能源供应以满足需求。

太阳能和风力发电厂不是这样工作的，所以当它们停止发电时，电网需要另一种电力来源来快速介入以保持频率，同时其他地方的发电量正在增加。布莱尔说，Gravitricity的系统将能够在不到一秒的时间内响应频率变化，将其系统与其他技术相结合可以进一步缩短响应时间。这种称为频率响应的服务非常重要，以至于电网运营商为能够以瞬间定时响应的公司支付了高昂的溢价。

重力储能的时刻终于到来了吗？在过去的十年中，多家重力创业公司已经启动，失败，然后以不同的形式重新出现。他们都没有为客户出售和构建系统，尽管Energy Vault已经签署了八项交易，其中几个项目计划在2022年中期开始。2021 年 9 月，该公司宣布，在与一家特殊收购收购公司 （SPAC） 合并后，该公司将很快在纽约证券交易所上市：这是 IPO 的时尚替代方案，为公司提供更快、更容易的上市途径。Energy Vault上市背后的公司Novus Capital也是另一个SPAC的幕后推手，该SPAC于2021年2月将农业技术公司AppHarvest上市。从那以后，AppHarvest的股价一直在急剧下滑，该公司现在受到集体诉讼，指控该公司在其预期的财务业绩上误导投资者。

最新的SPAC对Energy Vault的估值为11亿美元（8.08亿英镑），但一些专家并不相信重力储能的潜力像其支持者所说的那样广泛。“有很多资金在流动，一般来说，绿色储能技术。我认为你可以在一定程度上驾驭这股浪潮，“IDTechEx的分析师Alex Holland说。2019年，Energy Vault宣布软银愿景基金投资1.1亿美元，尽管软银在2020年暂停融资之前仅提供了其中的2500万美元。软银后来在 2021 年 8 月作为 C 轮融资的一部分重新投资了能源库，并再次作为 SPAC 交易的一部分。Energy Vault的其他投资者包括Saudi Aramco Energy Ventures，Prime Movers Lab和几家投资公司。

与其他早期存储公司一样，Energy Vault必须在如何推销自己时取得谨慎的平衡：具有足够的破坏性，以吸引寻找下一件大事的投资者，但又足够可靠和便宜，公用事业公司会考虑将其作为其能源基础设施的一部分。一方面，大胆创新计划一个完全可再生的世界，另一方面是廉价储能的残酷经济学。该公司提契诺州办公室的一面墙上挂着比尔·盖茨（Bill Gates）的一条带框的推文，称Energy Vault是一家“令人兴奋的公司”。墙的另一边是另一句带框的名言，这次是罗伯特·皮科尼本人，关于将储存的能源调度到低于化石燃料成本的水平。

施密特也惊讶地看到十亿美元的估值。当能源系统由80%以上的可再生能源组成时，对长期存储的需求才真正开始发挥作用。对于大多数国家来说，这个数字还有很长的路要走。与此同时，我们仍然有其他实现灵活性的方法：火力发电厂燃烧生物质和碳捕获，电网之间的互连以及减少电力需求。

施密特认为，锂离子将满足世界上大部分对新存储的需求，直到国家电网达到80%的可再生能源，然后对长期存储的需求将通过一系列竞争技术来满足，包括液流电池，压缩空气，热存储和重力存储。“可再生能源的第一个挑战，当你达到高渗透率时，是每秒，每分钟到分钟的波动性，如果你不能解决这些稳定性问题，你永远不会达到80%的可再生能源渗透率，”Fluence的董事总经理Marek Kubik说，Fluence是一家储能公司，已经建造了3.4吉瓦的电网规模电池存储 - 几乎所有都是锂离子。“今天，锂离子刚刚成为主导技术，因为成本下降，这不是由固定存储行业推动的，而是由电动汽车推动的。这是一股非常强大的力量。

然而，Pedretti指出，锂离子电池会随着时间的推移而退化，必须更换。重力是一种理论上不应该失去功效的储存形式。“今天，人们考虑的是短期的，”他说。“政治家，经理，每个人都以短期表现来衡量。将世界转向可再生电力将需要将思维从仅仅几年转变为几十年甚至未来几个世纪。他补充说，建造瑞士水坝和抽水蓄能电站的人并没有采取短期观点。沙夫豪森的恩格韦赫抽水蓄能电站仍承包再运行31年;到该合同结束时，它将运行近一个半世纪。为零碳世界建设电网是一种类似的长期思考：“过去，建造大坝的人不会考虑短期问题。他们考虑得更长远。而今天，这已经不见了。