近日，加拿大滑铁卢大学的研究人员设计了一种固体重力储能系统，可用于在高层城市建筑中储存可再生能源电力。
该重力储能系统旨在与安装在南、东、西墙上的光伏外墙以及小型屋顶风力发电机组和锂离子(Li-ion)电池结合运行。
在拟议的配置中，重力系统作为主要储能单元，而电池仅在电力供应严重过剩或短缺的时段用于快速响应储能。该系统利用光伏幕墙和风力发电机组产生的电力，在充电阶段提升竖井内的重物。然后在放电阶段释放这些储存的势能，驱动发电机旋转。
该系统由电动发电机组、提升绳索、传动齿轮以及钢块或混凝土块组成，其功能与城市建筑中的传统电梯类似，运行速度也基本相同。
该研究的主要作者穆罕默德*A*哈桑(Muhammed A. Hassan )介绍道：“这种设计在技术上是可行的，并且最近也得到了商业验证。具体来说，早在2022年，英国重力储能初创企业Gravitricity公司已在英国爱丁堡利斯港展示了一个15米高、250千瓦的原型系统，该系统包含两个25吨重的悬挂重物和两台连接到电网的发电机。该公司还于2021年启动了两个容量分别为4兆瓦和8兆瓦商业项目。”研究人员针对625种通用建筑设计对该系统进行了建模，考虑了立面面积与体积的比值、长宽比以及高与占地面积的比值等因素。他们还采用了多目标遗传算法(MOGA)来评估平准化电力成本(LCOE)以及每栋建筑对电网电力的依赖程度。
Gravitricity在英国利斯港250千瓦重力储能演示项目
分析表明，该混合系统的平准化电力成本(LCOE)可在0.051美元/kWh至0.111美元/kWh之间实现，电网电力成本可在0.195美元/kWh至0.888美元/kWh之间实现。这些结果与加拿大及其他可再生能源资源匮乏地区的类似建筑一体化可再生能源系统的结果一致。
研究人员解释说：“建筑面积较大的高层建筑往往能实现较低的平准化电力成本，但电网电力成本也较高。”他们指出，随着建筑物能源使用强度的提高，重力储能系统的容量必须增加。
建模结果显示，重力储能系统可实现9至17年的回收期，大多数情况下折现回收期在25年以下。
研究人员表示：“这证实了其长期财务可行性。”然而，他也强调，行业共识在几个方面仍然至关重要，包括运营复杂性、前期成本，以及需要通过多年的实际运行来证明其全天候可靠性。
他补充道：“虽然机械原理已得到验证，但挑战在于工程规模化、确保具有竞争力的资本成本，以及与电网或工业环境的集成。因此，市场应用仍然取决于能否证明这些系统在其预期使用寿命内优于电池、化学能源和其他重力能源，尤其是对于需要持续数小时甚至全天供电且容量不衰减的应用。”他继续说道：“独立分析表明，就在中国以外发达市场实现可靠、主流部署而言，商业成熟度可能要到2020年代末，这还要取决于现有已经商行的旗舰项目几年的运营数据。目前，地上重力储能已在初步规模上得到商业验证，但尚未实现批量折扣式的大规模应用。未来三年持续的合同和可靠性表现应该会使其达到完全的商业成熟度。”
该系统是在《应用科学》杂志上发表的“利用固体重力储存的混合可再生能源系统构建几何感知生命周期优化”中介绍的。
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