图片来源：Pixabay编译 武大可
编辑 魏潇
码头上孑然伫立在银灰色的冰冷海水旁的，是一座四层楼高的裸露梯井。悬吊着的并非电梯，而是一块重达50吨的铁，钢缆正由电机驱动，缓缓地将铁块升至半空——这是一部巨大的重力储能电池。
随着一阵金属的低吟，巨大的铁块开始下落，推动发电机以 250 千瓦的功率将电力注入电网。
苏格兰初创公司 Gravitricity 的工程师 Douglas Hitchcock 说，在峰值功率下，铁块可以在 11 秒内完成全部下降，但出于测试目的，它只低速下落了几米便停下。
4 月 22 日，Gravitricity 宣布，其重力储能电池的小型演示装置已投入使用，能够在数秒内在充能和放电间切换，从电网中汲取或向电网中输送大量能量。这一设计可以成为化学电池的替代方案。
储能市场正随着可再生能源的进步飞速发展。但光能和风能等可再生能源并不会根据人类的需要而出现，在阳光或风力充足时产生的巨大电能需要被储存下来以供后续使用。如何以可接受的成本储存更多能量，并控制这一过程来带的资源消耗和环境污染，也随之成为了一大议题。Gravitricity 正是为数不多的致力于开发基于重力的储能装置的公司之一。
重力储能的前世今生
人类利用依赖重力进行储能的想法与实践并非新鲜事物，实际上，最早使用重力驱动机械的形式可追溯到克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）于 1656 年发明的摆钟。在这套系统中，连接在皮带轮或链轮上的锁链所悬挂的重物是其机芯的重要组件，并由擒纵结构控制配重的运动来为钟摆提供动力，维持其前后摆动，这实际上已将重力势能作为了整个设备的能量来源。这种以重力作为计时装置的“电源”存在了数百年，并未被发条等其他机械结构完全取代，直至使用电力驱动的石英钟出现。
惠更斯于1656年发明的摆钟（维基百科）不过，即便在电力出现后，与重力相关的储能手段也并未被抛弃，甚至在 20 世纪重新回到了能源领域的聚光灯下——第一个基于重力的抽水蓄能水力发电（pumped storage hydroelectricity, PSH）系统于 1907 年由瑞士开发，而上世纪 30 年代后，使用水的重力势能储存能量就在全球遍地开花，成为了迄今为止电网储能的最大容量形式。根据 2020 年美国能源部发布的全球储能数据库报告，PHS在全球主动储能装置容量中占比约 95%。中国在抽水蓄能领域虽然起步晚，但由于后发效应起点较高，目前已处于世界先进水平，抽水蓄能能力最强，具有最高的发电量和装载容量（日本和美国分别在发电量和容量排名第二）。
重力储能也并非只在大型设施上才能一展身手。2012 年 Deciwatt 就开发了一款名为 GravityLight 的产品，能够使用任何 0.5kg 到 1.0kg 的日常用品作为重力来源为灯泡供电实现照明，每次悬挂配重可维持超过半小时的照明，团队项目旨在利用这种低成本和长寿命的设计，在非洲等供电不足甚至没有建设电网的地区进行推广。
大型重力电池的未来
由于能源和环境问题受到与日俱增的关注，中等规模的重力储能也在近年得到了研究者、开发者和投资者的青睐。
英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London，ICL）的清洁能源顾问 Oliver Schmidt 说，基于重力的储能有一些明显优势。目前首选的储能技术——锂离子电池，充电和放电的循环次数有限，在容量损失之前只能工作数年，而重力储能结构（绞车、钢缆和配重）的寿命可长达数十年。“这些依靠机械工程的玩意儿，” Schmidt 说，“要比（电化学的东西）便宜得多。”Gravitricity的熟悉工程师 Miles Franklin 也表示，锂离子电池使用的材料会带来诸多环境问题，并且难以回收，而一桶铁并没有这方面的问题，带来的碳足迹也小得多。
根据 Gravitricity 的报告，其重力储能设备的运行成本和维护费用都远低于锂离子电池。Schmidt 根据这一数据进行推算称，对于一个运行 25 年的项目，锂离子电池每兆瓦时的寿命成本为 367 美元（约合人民币 2360 元），而重力储能的成本约为每兆瓦时 171 美元（约合人民币 1100 元），仅为前者的一半不到。麻省理工学院（MIT）的储能研究者 Jessika Trancik 说，尽管需要更多实际数据的支持，这一数字的确十分诱人。
与此同时，这一领域的其他公司也开发了各有千秋的重力储能手段。总部位于美国加利福尼亚的 Gravity Power 的想法距离抽水蓄电一步之遥：它利用可再生能源将水抽到沉重的活塞下。当需要动力时，释放活塞下落，迫使水通过水力发电机；德国公司 New Energy Let’s Go 也使用了类似的设计；总部位于瑞士的 Energy Vault 希望使用带有电机和发电机的多臂起重机来堆叠和拆卸由数百块 35 吨砖块组成的 120 米高的“巴别塔”，改变自身高度来满足起起落落的能源需求。开发经理 Ruth Apps 表示，计划将配重增加到 500 吨，这将需要庞大的塔基，因此需要将尺寸巨大的系统建造在地下。该公司正在寻找捷克、波兰和南非的废弃矿山，以开展其首个商业项目。
但 Schmidt 也警告，这项技术仍然“非常不成熟”，电池价格在不断下降，而这些研究重力发电的公司却进展缓慢。相对领先的Energy Vault 在2019年宣布获得了 1.1 亿美元（当时约 7.7 亿人民币）的投资，将于近年开始商业开发。英国兰卡斯特大学（Lancaster University）的环境政策研究者 Rebecca Willis 认为，如果重力储能不能从气候政策中获得支持，将可能陷入与其他储能技术一样的困境——在大多数地方，能够轻松开启和关闭的小型天然气站仍然是应对电力需求波动最便宜的方法。
目前，Gravitricity 仅有 14 名员工和 300 万英镑的投资，对未来并不抱有不切实际的幻想。在建设前述的演示设备时，他们就已经遇到了预料之外的困难，例如多股钢缆在称重时因力矩不足而散开。在解决这些棘手的问题后，该公司计划在 2023 年建造一座峰值功率为 4 兆瓦的电站，相比目前的演示装置将会更加完整，具有更重的重物和一千米深的梯井。
在 Gravitricity 的测试现场，时不时会出现为英国北海石油钻井平台服务的供应船。但在晴朗的日子里，苏格兰的能源前景也可从此尽收眼底：风力涡轮机装点了 20 公里长的地平线。
传统能源产业的遗产正转变为新型能源的美好前景，Gravitricity 最近也有两名来自石油和天然气行业的新员工加入。能源社群为之感到兴奋：“他们获得了全新的人生灵感”。
主要来源与参考资料：
https://www.sciencemag.org/news/2021/04/gravity-based-batteries-try-beat-their-chemical-cousins-winches-weights-and-mine-shafts
Milham 1945, pp. 74, 197–212
https://www.sandia.gov/ess-ssl/global-energy-storage-database-home/
http://www.xinhuanet.com/energy/2021-03/22/c_1127238482.htm
