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，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，重力系統作為主要儲能單元，而電池僅在電力供應嚴重過剩或短缺的時段用于快速響應儲能。該系統利用光伏幕墻和風力發電機組產生的電力，在充電階段提升豎井內的重物。然后在放電階段釋放這些儲存的勢能，驅動發電機旋轉。

該系統由電動發電機組、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驗證。具體來說，早在2022年，英國重力儲能初創企業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，該系統包含兩個 25 噸重的懸掛重物和兩臺連接到電網的發電機。該公司還于 2021 年啟動了兩個容量分別為 4 兆瓦和 8 兆瓦商業項目。”研究人員針對625種通用建筑設計對該系統進行了建模，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，電網電力成本可在0.195美元/kWh至0.888美元/kWh之間實現。這些結果與加拿大及其他可再生能源資源匱乏地區的類似建筑一體化可再生能源系統的結果一致。

研究人員解釋說：“建筑面積較大的高層建筑往往能實現較低的平準化電力成本，但電網電力成本也較高。”他們指出，隨著建筑物能源使用強度的提高，重力儲能系統的容量必須增加。

建模結果顯示，重力儲能系統可實現9至17年的回收期，大多數情況下折現回收期在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，行業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，但挑戰在于工程規模化、確保具有競爭力的資本成本，以及與電網或工業環境的集成。因此，市場應用仍然取決于能否證明這些系統在其預期使用壽命內優于電池、化學能源和其他重力能源，尤其是對于需要持續數小時甚至全天供電且容量不衰減的應用。”他繼續說道：“獨立分析表明，就在中國以外發達市場實現可靠、主流部署而言，商業成熟度可能要到2020年代末，這還要取決于現有已經商行的旗艦項目幾年的運營數據。目前，地上重力儲能已在初步規模上得到商業驗證，但尚未實現批量折扣式的大規模應用。未來三年持續的合同和可靠性表現應該會使其達到完全的商業成熟度。”

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