近日，加拿大滑鐵盧大學的研究人員設計了一種固體重力儲能系統(tǒng)，可用于在高層城市建筑中儲存可再生能源電力。

該重力儲能系統(tǒng)旨在與安裝在南、東、西墻上的光伏外墻以及小型屋頂風力發(fā)電機組和鋰離子 (Li-ion) 電池結合運行。

在擬議的配置中，重力系統(tǒng)作為主要儲能單元，而電池僅在電力供應嚴重過?；蚨倘钡臅r段用于快速響應儲能。該系統(tǒng)利用光伏幕墻和風力發(fā)電機組產(chǎn)生的電力，在充電階段提升豎井內(nèi)的重物。然后在放電階段釋放這些儲存的勢能，驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。

該系統(tǒng)由電動發(fā)電機組、提升繩索、傳動齒輪以及鋼塊或混凝土塊組成，其功能與城市建筑中的傳統(tǒng)電梯類似，運行速度也基本相同。

該研究的主要作者穆罕默德·A· 哈桑(Muhammed A. Hassan ) 介紹道：“這種設計在技術上是可行的，并且最近也得到了商業(yè)驗證。具體來說，早在2022年，英國重力儲能初創(chuàng)企業(yè)Gravitricity 公司已在英國愛丁堡利斯港展示了一個 15 米高、250 千瓦的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩個 25 噸重的懸掛重物和兩臺連接到電網(wǎng)的發(fā)電機。該公司還于 2021 年啟動了兩個容量分別為 4 兆瓦和 8 兆瓦商業(yè)項目?！毖芯咳藛T針對625種通用建筑設計對該系統(tǒng)進行了建模，考慮了立面面積與體積的比值、長寬比以及高與占地面積的比值等因素。他們還采用了多目標遺傳算法（MOGA）來評估平準化電力成本（LCOE）以及每棟建筑對電網(wǎng)電力的依賴程度。

Gravitricity在英國利斯港250 千瓦重力儲能演示項目

分析表明，該混合系統(tǒng)的平準化電力成本（LCOE）可在0.051美元/kWh至0.111美元/kWh之間實現(xiàn)，電網(wǎng)電力成本可在0.195美元/kWh至0.888美元/kWh之間實現(xiàn)。這些結果與加拿大及其他可再生能源資源匱乏地區(qū)的類似建筑一體化可再生能源系統(tǒng)的結果一致。

研究人員解釋說：“建筑面積較大的高層建筑往往能實現(xiàn)較低的平準化電力成本，但電網(wǎng)電力成本也較高?！彼麄冎赋觯S著建筑物能源使用強度的提高，重力儲能系統(tǒng)的容量必須增加。

建模結果顯示，重力儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)9至17年的回收期，大多數(shù)情況下折現(xiàn)回收期在25年以下。

研究人員表示：“這證實了其長期財務可行性。”然而，他也強調(diào)，行業(yè)共識在幾個方面仍然至關重要，包括運營復雜性、前期成本，以及需要通過多年的實際運行來證明其全天候可靠性。

他補充道：“雖然機械原理已得到驗證，但挑戰(zhàn)在于工程規(guī)?；?、確保具有競爭力的資本成本，以及與電網(wǎng)或工業(yè)環(huán)境的集成。因此，市場應用仍然取決于能否證明這些系統(tǒng)在其預期使用壽命內(nèi)優(yōu)于電池、化學能源和其他重力能源，尤其是對于需要持續(xù)數(shù)小時甚至全天供電且容量不衰減的應用?！彼^續(xù)說道：“獨立分析表明，就在中國以外發(fā)達市場實現(xiàn)可靠、主流部署而言，商業(yè)成熟度可能要到2020年代末，這還要取決于現(xiàn)有已經(jīng)商行的旗艦項目幾年的運營數(shù)據(jù)。目前，地上重力儲能已在初步規(guī)模上得到商業(yè)驗證，但尚未實現(xiàn)批量折扣式的大規(guī)模應用。未來三年持續(xù)的合同和可靠性表現(xiàn)應該會使其達到完全的商業(yè)成熟度。”

該系統(tǒng)是在《應用科學》雜志上發(fā)表的“利用固體重力儲存的混合可再生能源系統(tǒng)構建幾何感知生命周期優(yōu)化”中介紹的。