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人類利用依賴重力進(jìn)行儲(chǔ)能的想法與實(shí)踐并非新鮮事物，實(shí)際上，最早使用重力驅(qū)動(dòng)機(jī)械的形式可追溯到克里斯蒂安·惠更斯于1656年發(fā)明的擺鐘。
碼頭上孑然佇立在銀灰色的冰冷海水旁的，是一座四層樓高的裸露梯井。懸吊著的并非電梯，而是一塊重達(dá)50噸的鐵，鋼纜正由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，緩緩地將鐵塊升至半空——這是一部巨大的重力儲(chǔ)能電池。
隨著一陣金屬的低吟，巨大的鐵塊開始下落，推動(dòng)發(fā)電機(jī)以 250 千瓦的功率將電力注入電網(wǎng)。
蘇格蘭初創(chuàng)公司 Gravitricity 的工程師 Douglas Hitchcock 說，在峰值功率下，鐵塊可以在 11 秒內(nèi)完成全部下降，但出于測(cè)試目的，它只低速下落了幾米便停下。
4 月 22 日，Gravitricity 宣布，其重力儲(chǔ)能電池的小型演示裝置已投入使用，能夠在數(shù)秒內(nèi)在充能和放電間切換，從電網(wǎng)中汲取或向電網(wǎng)中輸送大量能量。這一設(shè)計(jì)可以成為化學(xué)電池的替代方案。
儲(chǔ)能市場(chǎng)正隨著可再生能源的進(jìn)步飛速發(fā)展。但光能和風(fēng)能等可再生能源并不會(huì)根據(jù)人類的需要而出現(xiàn)，在陽光或風(fēng)力充足時(shí)產(chǎn)生的巨大電能需要被儲(chǔ)存下來以供后續(xù)使用。如何以可接受的成本儲(chǔ)存更多能量，并控制這一過程來帶的資源消耗和環(huán)境污染，也隨之成為了一大議題。Gravitricity 正是為數(shù)不多的致力于開發(fā)基于重力的儲(chǔ)能裝置的公司之一。
重力儲(chǔ)能的前世今生
人類利用依賴重力進(jìn)行儲(chǔ)能的想法與實(shí)踐并非新鮮事物，實(shí)際上，最早使用重力驅(qū)動(dòng)機(jī)械的形式可追溯到克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）于 1656 年發(fā)明的擺鐘。在這套系統(tǒng)中，連接在皮帶輪或鏈輪上的鎖鏈所懸掛的重物是其機(jī)芯的重要組件，并由擒縱結(jié)構(gòu)控制配重的運(yùn)動(dòng)來為鐘擺提供動(dòng)力，維持其前后擺動(dòng)，這實(shí)際上已將重力勢(shì)能作為了整個(gè)設(shè)備的能量來源。這種以重力作為計(jì)時(shí)裝置的“電源”存在了數(shù)百年，并未被發(fā)條等其他機(jī)械結(jié)構(gòu)完全取代，直至使用電力驅(qū)動(dòng)的石英鐘出現(xiàn)。
不過，即便在電力出現(xiàn)后，與重力相關(guān)的儲(chǔ)能手段也并未被拋棄，甚至在 20 世紀(jì)重新回到了能源領(lǐng)域的聚光燈下——第一個(gè)基于重力的抽水蓄能水力發(fā)電（pumped storage hydroelectricity, PSH）系統(tǒng)于 1907 年由瑞士開發(fā)，而上世紀(jì) 30 年代后，使用水的重力勢(shì)能儲(chǔ)存能量就在全球遍地開花，成為了迄今為止電網(wǎng)儲(chǔ)能的最大容量形式。根據(jù) 2020 年美國(guó)能源部發(fā)布的全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫報(bào)告，PHS在全球主動(dòng)儲(chǔ)能裝置容量中占比約 95%。中國(guó)在抽水蓄能領(lǐng)域雖然起步晚，但由于后發(fā)效應(yīng)起點(diǎn)較高，目前已處于世界先進(jìn)水平，抽水蓄能能力最強(qiáng)，具有最高的發(fā)電量和裝載容量（日本和美國(guó)分別在發(fā)電量和容量排名第二）。
重力儲(chǔ)能也并非只在大型設(shè)施上才能一展身手。2012 年 Deciwatt 就開發(fā)了一款名為 GravityLight 的產(chǎn)品，能夠使用任何 0.5kg 到 1.0kg 的日常用品作為重力來源為燈泡供電實(shí)現(xiàn)照明，每次懸掛配重可維持超過半小時(shí)的照明，團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目旨在利用這種低成本和長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)，在非洲等供電不足甚至沒有建設(shè)電網(wǎng)的地區(qū)進(jìn)行推廣。
大型重力電池的未來
由于能源和環(huán)境問題受到與日俱增的關(guān)注，中等規(guī)模的重力儲(chǔ)能也在近年得到了研究者、開發(fā)者和投資者的青睞。
英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London，ICL）的清潔能源顧問 Oliver Schmidt 說，基于重力的儲(chǔ)能有一些明顯優(yōu)勢(shì)。目前首選的儲(chǔ)能技術(shù)——鋰離子電池，充電和放電的循環(huán)次數(shù)有限，在容量損失之前只能工作數(shù)年，而重力儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)（絞車、鋼纜和配重）的壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。“這些依靠機(jī)械工程的玩意兒，” Schmidt 說，“要比（電化學(xué)的東西）便宜得多。”Gravitricity的熟悉工程師 Miles Franklin 也表示，鋰離子電池使用的材料會(huì)帶來諸多環(huán)境問題，并且難以回收，而一桶鐵并沒有這方面的問題，帶來的碳足跡也小得多。
根據(jù) Gravitricity 的報(bào)告，其重力儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用都遠(yuǎn)低于鋰離子電池。Schmidt 根據(jù)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行推算稱，對(duì)于一個(gè)運(yùn)行 25 年的項(xiàng)目，鋰離子電池每兆瓦時(shí)的壽命成本為 367 美元（約合人民幣 2360 元），而重力儲(chǔ)能的成本約為每兆瓦時(shí) 171 美元（約合人民幣 1100 元），僅為前者的一半不到。麻省理工學(xué)院（MIT）的儲(chǔ)能研究者 Jessika Trancik 說，盡管需要更多實(shí)際數(shù)據(jù)的支持，這一數(shù)字的確十分誘人。
與此同時(shí)，這一領(lǐng)域的其他公司也開發(fā)了各有千秋的重力儲(chǔ)能手段。總部位于美國(guó)加利福尼亞的 Gravity Power 的想法距離抽水蓄電一步之遙：它利用可再生能源將水抽到沉重的活塞下。當(dāng)需要?jiǎng)恿r(shí)，釋放活塞下落，迫使水通過水力發(fā)電機(jī)；德國(guó)公司 New Energy Let’s Go 也使用了類似的設(shè)計(jì)；總部位于瑞士的 Energy Vault 希望使用帶有電機(jī)和發(fā)電機(jī)的多臂起重機(jī)來堆疊和拆卸由數(shù)百塊 35 噸磚塊組成的 120 米高的“巴別塔”，改變自身高度來滿足起起落落的能源需求。開發(fā)經(jīng)理 Ruth Apps 表示，計(jì)劃將配重增加到 500 噸，這將需要龐大的塔基，因此需要將尺寸巨大的系統(tǒng)建造在地下。該公司正在尋找捷克、波蘭和南非的廢棄礦山，以開展其首個(gè)商業(yè)項(xiàng)目。
但 Schmidt 也警告，這項(xiàng)技術(shù)仍然“非常不成熟”，電池價(jià)格在不斷下降，而這些研究重力發(fā)電的公司卻進(jìn)展緩慢。相對(duì)領(lǐng)先的Energy Vault 在2019年宣布獲得了 1.1 億美元（當(dāng)時(shí)約 7.7 億人民幣）的投資，將于近年開始商業(yè)開發(fā)。英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)（Lancaster University）的環(huán)境政策研究者 Rebecca Willis 認(rèn)為，如果重力儲(chǔ)能不能從氣候政策中獲得支持，將可能陷入與其他儲(chǔ)能技術(shù)一樣的困境——在大多數(shù)地方，能夠輕松開啟和關(guān)閉的小型天然氣站仍然是應(yīng)對(duì)電力需求波動(dòng)最便宜的方法。
目前，Gravitricity 僅有 14 名員工和 300 萬英鎊的投資，對(duì)未來并不抱有不切實(shí)際的幻想。在建設(shè)前述的演示設(shè)備時(shí)，他們就已經(jīng)遇到了預(yù)料之外的困難，例如多股鋼纜在稱重時(shí)因力矩不足而散開。在解決這些棘手的問題后，該公司計(jì)劃在 2023 年建造一座峰值功率為 4 兆瓦的電站，相比目前的演示裝置將會(huì)更加完整，具有更重的重物和一千米深的梯井。
在 Gravitricity 的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)為英國(guó)北海石油鉆井平臺(tái)服務(wù)的供應(yīng)船。但在晴朗的日子里，蘇格蘭的能源前景也可從此盡收眼底：風(fēng)力渦輪機(jī)裝點(diǎn)了 20 公里長(zhǎng)的地平線。
傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)的遺產(chǎn)正轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦湍茉吹拿篮们熬埃珿ravitricity 最近也有兩名來自石油和天然氣行業(yè)的新員工加入。能源社群為之感到興奮：“他們獲得了全新的人生靈感”。
碼頭上孑然佇立在銀灰色的冰冷海水旁的，是一座四層樓高的裸露梯井。懸吊著的并非電梯，而是一塊重達(dá)50噸的鐵，鋼纜正由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，緩緩地將鐵塊升至半空——這是一部巨大的重力儲(chǔ)能電池。
隨著一陣金屬的低吟，巨大的鐵塊開始下落，推動(dòng)發(fā)電機(jī)以 250 千瓦的功率將電力注入電網(wǎng)。
蘇格蘭初創(chuàng)公司 Gravitricity 的工程師 Douglas Hitchcock 說，在峰值功率下，鐵塊可以在 11 秒內(nèi)完成全部下降，但出于測(cè)試目的，它只低速下落了幾米便停下。
4 月 22 日，Gravitricity 宣布，其重力儲(chǔ)能電池的小型演示裝置已投入使用，能夠在數(shù)秒內(nèi)在充能和放電間切換，從電網(wǎng)中汲取或向電網(wǎng)中輸送大量能量。這一設(shè)計(jì)可以成為化學(xué)電池的替代方案。
儲(chǔ)能市場(chǎng)正隨著可再生能源的進(jìn)步飛速發(fā)展。但光能和風(fēng)能等可再生能源并不會(huì)根據(jù)人類的需要而出現(xiàn)，在陽光或風(fēng)力充足時(shí)產(chǎn)生的巨大電能需要被儲(chǔ)存下來以供后續(xù)使用。如何以可接受的成本儲(chǔ)存更多能量，并控制這一過程來帶的資源消耗和環(huán)境污染，也隨之成為了一大議題。Gravitricity 正是為數(shù)不多的致力于開發(fā)基于重力的儲(chǔ)能裝置的公司之一。
重力儲(chǔ)能的前世今生
人類利用依賴重力進(jìn)行儲(chǔ)能的想法與實(shí)踐并非新鮮事物，實(shí)際上，最早使用重力驅(qū)動(dòng)機(jī)械的形式可追溯到克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）于 1656 年發(fā)明的擺鐘。在這套系統(tǒng)中，連接在皮帶輪或鏈輪上的鎖鏈所懸掛的重物是其機(jī)芯的重要組件，并由擒縱結(jié)構(gòu)控制配重的運(yùn)動(dòng)來為鐘擺提供動(dòng)力，維持其前后擺動(dòng)，這實(shí)際上已將重力勢(shì)能作為了整個(gè)設(shè)備的能量來源。這種以重力作為計(jì)時(shí)裝置的“電源”存在了數(shù)百年，并未被發(fā)條等其他機(jī)械結(jié)構(gòu)完全取代，直至使用電力驅(qū)動(dòng)的石英鐘出現(xiàn)。
惠更斯于 1656 年發(fā)明的擺鐘（維基百科）
不過，即便在電力出現(xiàn)后，與重力相關(guān)的儲(chǔ)能手段也并未被拋棄，甚至在 20 世紀(jì)重新回到了能源領(lǐng)域的聚光燈下——第一個(gè)基于重力的抽水蓄能水力發(fā)電（pumped storage hydroelectricity, PSH）系統(tǒng)于 1907 年由瑞士開發(fā)，而上世紀(jì) 30 年代后，使用水的重力勢(shì)能儲(chǔ)存能量就在全球遍地開花，成為了迄今為止電網(wǎng)儲(chǔ)能的最大容量形式。根據(jù) 2020 年美國(guó)能源部發(fā)布的全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫報(bào)告，PHS在全球主動(dòng)儲(chǔ)能裝置容量中占比約 95%。中國(guó)在抽水蓄能領(lǐng)域雖然起步晚，但由于后發(fā)效應(yīng)起點(diǎn)較高，目前已處于世界先進(jìn)水平，抽水蓄能能力最強(qiáng)，具有最高的發(fā)電量和裝載容量（日本和美國(guó)分別在發(fā)電量和容量排名第二）。
重力儲(chǔ)能也并非只在大型設(shè)施上才能一展身手。2012 年 Deciwatt 就開發(fā)了一款名為 GravityLight 的產(chǎn)品，能夠使用任何 0.5kg 到 1.0kg 的日常用品作為重力來源為燈泡供電實(shí)現(xiàn)照明，每次懸掛配重可維持超過半小時(shí)的照明，團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目旨在利用這種低成本和長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)，在非洲等供電不足甚至沒有建設(shè)電網(wǎng)的地區(qū)進(jìn)行推廣。
大型重力電池的未來
由于能源和環(huán)境問題受到與日俱增的關(guān)注，中等規(guī)模的重力儲(chǔ)能也在近年得到了研究者、開發(fā)者和投資者的青睞。
英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London，ICL）的清潔能源顧問 Oliver Schmidt 說，基于重力的儲(chǔ)能有一些明顯優(yōu)勢(shì)。目前首選的儲(chǔ)能技術(shù)——鋰離子電池，充電和放電的循環(huán)次數(shù)有限，在容量損失之前只能工作數(shù)年，而重力儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)（絞車、鋼纜和配重）的壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。“這些依靠機(jī)械工程的玩意兒，” Schmidt 說，“要比（電化學(xué)的東西）便宜得多。”Gravitricity的熟悉工程師 Miles Franklin 也表示，鋰離子電池使用的材料會(huì)帶來諸多環(huán)境問題，并且難以回收，而一桶鐵并沒有這方面的問題，帶來的碳足跡也小得多。
根據(jù) Gravitricity 的報(bào)告，其重力儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用都遠(yuǎn)低于鋰離子電池。Schmidt 根據(jù)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行推算稱，對(duì)于一個(gè)運(yùn)行 25 年的項(xiàng)目，鋰離子電池每兆瓦時(shí)的壽命成本為 367 美元（約合人民幣 2360 元），而重力儲(chǔ)能的成本約為每兆瓦時(shí) 171 美元（約合人民幣 1100 元），僅為前者的一半不到。麻省理工學(xué)院（MIT）的儲(chǔ)能研究者 Jessika Trancik 說，盡管需要更多實(shí)際數(shù)據(jù)的支持，這一數(shù)字的確十分誘人。
與此同時(shí)，這一領(lǐng)域的其他公司也開發(fā)了各有千秋的重力儲(chǔ)能手段。總部位于美國(guó)加利福尼亞的 Gravity Power 的想法距離抽水蓄電一步之遙：它利用可再生能源將水抽到沉重的活塞下。當(dāng)需要?jiǎng)恿r(shí)，釋放活塞下落，迫使水通過水力發(fā)電機(jī)；德國(guó)公司 New Energy Let’s Go 也使用了類似的設(shè)計(jì)；總部位于瑞士的 Energy Vault 希望使用帶有電機(jī)和發(fā)電機(jī)的多臂起重機(jī)來堆疊和拆卸由數(shù)百塊 35 噸磚塊組成的 120 米高的“巴別塔”，改變自身高度來滿足起起落落的能源需求。開發(fā)經(jīng)理 Ruth Apps 表示，計(jì)劃將配重增加到 500 噸，這將需要龐大的塔基，因此需要將尺寸巨大的系統(tǒng)建造在地下。該公司正在尋找捷克、波蘭和南非的廢棄礦山，以開展其首個(gè)商業(yè)項(xiàng)目。
但 Schmidt 也警告，這項(xiàng)技術(shù)仍然“非常不成熟”，電池價(jià)格在不斷下降，而這些研究重力發(fā)電的公司卻進(jìn)展緩慢。相對(duì)領(lǐng)先的Energy Vault 在2019年宣布獲得了 1.1 億美元（當(dāng)時(shí)約 7.7 億人民幣）的投資，將于近年開始商業(yè)開發(fā)。英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)（Lancaster University）的環(huán)境政策研究者 Rebecca Willis 認(rèn)為，如果重力儲(chǔ)能不能從氣候政策中獲得支持，將可能陷入與其他儲(chǔ)能技術(shù)一樣的困境——在大多數(shù)地方，能夠輕松開啟和關(guān)閉的小型天然氣站仍然是應(yīng)對(duì)電力需求波動(dòng)最便宜的方法。
目前，Gravitricity 僅有 14 名員工和 300 萬英鎊的投資，對(duì)未來并不抱有不切實(shí)際的幻想。在建設(shè)前述的演示設(shè)備時(shí)，他們就已經(jīng)遇到了預(yù)料之外的困難，例如多股鋼纜在稱重時(shí)因力矩不足而散開。在解決這些棘手的問題后，該公司計(jì)劃在 2023 年建造一座峰值功率為 4 兆瓦的電站，相比目前的演示裝置將會(huì)更加完整，具有更重的重物和一千米深的梯井。
在 Gravitricity 的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)為英國(guó)北海石油鉆井平臺(tái)服務(wù)的供應(yīng)船。但在晴朗的日子里，蘇格蘭的能源前景也可從此盡收眼底：風(fēng)力渦輪機(jī)裝點(diǎn)了 20 公里長(zhǎng)的地平線。
傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)的遺產(chǎn)正轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦湍茉吹拿篮们熬埃珿ravitricity 最近也有兩名來自石油和天然氣行業(yè)的新員工加入。能源社群為之感到興奮：“他們獲得了全新的人生靈感”。
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