利用重力儲存能量可行嗎？
作者 : Bill Schweber，資深技術編輯
對於這些電網級儲能方案，你認為它們能夠投入大規模應用嗎？這些方案是否能有效地代替電池儲能電廠(Battery Farm)、水庫、壓縮空氣，或是其他現用或計畫中的方案？
工程師們都知道大型能源系統包含三個主要部份：能源產生、儲存和傳輸。每個階段都有其獨一無二的特性，但這些特性之間常常會重疊且相互影響。然而，能源儲存還迫切需要一些可行的解決方案，尤其是當間歇再生的能源(例如風能和太陽能)無法立即使用時，就必須將其儲存起來備用，以免浪費。
儲能方案有很多種，包括電化學電池、超級電容器、飛輪系統、電解製氫、可逆鹽態(reversible salt state)，以及壓縮空氣和抽水等各種儲能選項。在這些儲能方式中，沒有哪一種是最好的，每種技術都取決於不同原因而各有利弊，原因包括尺寸、規模、可用空間和安全問題等等，例如儲存幾千瓦/時(kWh)、百萬瓦/時(GWh)甚至兆瓦/時(MWh)的能源都有不同的要求。簡言之，這些儲能方式都很難達到電網級儲能量。
許多現有的大型電網級儲能設施都利用水庫進行儲能，儲存能量時將水抽到高處，需要時再利用水流下的勢能發電。這個原理很簡單，但是這樣的方案需要兩個大型水庫，且水庫之間必須有足夠的垂直距離。
其他還有一些替代方案處於製作原型和試運行的不同階段。有些是純機械式的，不使用水；有些使用水，但又有別於傳統的雙水庫技術。
瑞士公司Energy Vault提供了一種全機械系統，採用自動化堆疊和拆卸總重量達35噸(1噸是1,000公斤，約2,200磅)的砌塊進行儲能，整個系統使用六個起重機臂，安裝在空曠區域(圖1)。這種複雜的系統使用先進的演算法來決定在哪裡堆疊、堆疊什麼以及最佳的堆疊順序。
系統必須解決的問題包括：在砌塊和起重機移動時風的影響、擺錘效應、纜繩拉伸，以及如何透過調整砌塊的「空投」順序來保持恒定輸出。Energy Vault稱該系統是模組化的，儲存容量範圍為20~80MWh，4~8MW放電能夠持續8~16小時。Energy Vault在瑞士Ticino搭建了一座110公尺高的大型展示系統。
圖1：Energy Vault的儲能系統使用了六個起重機，可自動進行砌塊的堆疊和拆卸。(圖片來源：Energy Vault)
相較於Energy Vault露天堆砌重物的方案，Gravitricity的系統將500到5,000噸的單個重物懸掛在各自的豎井中(圖2)。每個重物都有一個絞盤，用來拉起或釋放重物，釋放重物時即可為發電機供能。該公司稱每個系統可產生1~20MW的峰值功率，並持續輸出15分鐘至8小時。該公司目前正在蘇格蘭建造和測試一座使用25噸重物、輸出250kW額定功率的展示系統。
圖2：Gravitricity的儲能系統可懸掛500至5,000噸的重物，每個豎井只承載一個重物。（圖片來源：Gravitricity）
New Energy Let’s Go的方案則使用重物和水。該系統是將一塊巨大的岩石放置在可移動的活塞上，由電動泵和液壓系統將水壓入岩石下方，並使岩石上升而儲存能量(圖3)。需要釋放能量時，岩石下的水在高壓下輸送至渦輪機和發電機。這個系統的儲能容量據稱在1～10GWh之間。
圖3：New Energy Let’s Go的儲能系統使用重物和水，並將重物放置在可移動活塞上。(圖片來源：New Energy Let’s Go)
Gravity Power提供的方案也使用水。在該系統中，一個大型活塞被懸吊在裝滿水的豎井中，活塞採用滑動密封設計以防止漏水，另外還有一個回水管連接到地面的水泵渦輪機(圖4)。當系統開始工作時，豎井中會立刻蓄滿水，隨後密封，工作過程中不需要另外加水。需要儲存能量時，馬達/發電機泵讓水通過回水管壓進豎井，使活塞向上移動。發電時，活塞下降，將豎井中的水從回水管壓回，並經由渦輪驅動馬達/發電機。Gravity Power表示每個豎井的儲存能量可達數百MWh。目前巴伐利亞州Weilheim市正在建設一個兆瓦(MW)級的展示工廠。
圖4：Gravity Power的儲能方法是根據大型活塞在一個封閉迴路、充滿水的豎井和回程路徑間的運動。（圖片來源：Gravity Power）
這些設計中的一個重要考量是它們要能夠瞬間將輸出拉滿。在許多電網應用中，當來源和負載都無法預測時，這就會非常有幫助。
這些方法都需要在外形尺寸、選址、複雜度、成本、潛在可靠性和容量，以及主觀或客觀存在的安全問題等各方面，做出一些取捨。找出其中最好的一種方案會很有意思，這取決於很多因素，包括地點、功率級、當地成本、能源需求和替代方案等，但也有可能各種方案都會成功。
如果沒有任何資料為基礎，單憑「直覺」，我就會對多個起重機的方案持懷疑態度，因為它看起來太複雜，又暴露在戶外，而且需要最複雜的管理和演算法。不過話又說回來，我之前在預測USB埠時就馬失前蹄了，我當時認為：「誰需要這個啊？我們已經有足夠的輸入/輸出(I/O)轉換方案了。」然而，顯然地，USB現在已經被廣泛使用了。
對於這些電網級儲能方案，你認為它們能夠投入大規模應用嗎？這些方案是否能有效地代替電池儲能電廠(Battery Farm)、水庫、壓縮空氣，或是其他現用或計畫中的方案？
(參考原文：Using gravity for energy storage: viable idea or impractical?，by Bill Schweber)
本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年5月號雜誌
圖1：Energy Vault的儲能系統使用了六個起重機，可自動進行砌塊的堆疊和拆卸。(圖片來源：Energy Vault)
相較於Energy Vault露天堆砌重物的方案，Gravitricity的系統將500到5,000噸的單個重物懸掛在各自的豎井中(圖2)。每個重物都有一個絞盤，用來拉起或釋放重物，釋放重物時即可為發電機供能。該公司稱每個系統可產生1~20MW的峰值功率，並持續輸出15分鐘至8小時。該公司目前正在蘇格蘭建造和測試一座使用25噸重物、輸出250kW額定功率的展示系統。
圖2：Gravitricity的儲能系統可懸掛500至5,000噸的重物，每個豎井只承載一個重物。（圖片來源：Gravitricity）
New Energy Let’s Go的方案則使用重物和水。該系統是將一塊巨大的岩石放置在可移動的活塞上，由電動泵和液壓系統將水壓入岩石下方，並使岩石上升而儲存能量(圖3)。需要釋放能量時，岩石下的水在高壓下輸送至渦輪機和發電機。這個系統的儲能容量據稱在1～10GWh之間。
圖3：New Energy Let’s Go的儲能系統使用重物和水，並將重物放置在可移動活塞上。(圖片來源：New Energy Let’s Go)
Gravity Power提供的方案也使用水。在該系統中，一個大型活塞被懸吊在裝滿水的豎井中，活塞採用滑動密封設計以防止漏水，另外還有一個回水管連接到地面的水泵渦輪機(圖4)。當系統開始工作時，豎井中會立刻蓄滿水，隨後密封，工作過程中不需要另外加水。需要儲存能量時，馬達/發電機泵讓水通過回水管壓進豎井，使活塞向上移動。發電時，活塞下降，將豎井中的水從回水管壓回，並經由渦輪驅動馬達/發電機。Gravity Power表示每個豎井的儲存能量可達數百MWh。目前巴伐利亞州Weilheim市正在建設一個兆瓦(MW)級的展示工廠。
圖4：Gravity Power的儲能方法是根據大型活塞在一個封閉迴路、充滿水的豎井和回程路徑間的運動。（圖片來源：Gravity Power）
這些設計中的一個重要考量是它們要能夠瞬間將輸出拉滿。在許多電網應用中，當來源和負載都無法預測時，這就會非常有幫助。
這些方法都需要在外形尺寸、選址、複雜度、成本、潛在可靠性和容量，以及主觀或客觀存在的安全問題等各方面，做出一些取捨。找出其中最好的一種方案會很有意思，這取決於很多因素，包括地點、功率級、當地成本、能源需求和替代方案等，但也有可能各種方案都會成功。
如果沒有任何資料為基礎，單憑「直覺」，我就會對多個起重機的方案持懷疑態度，因為它看起來太複雜，又暴露在戶外，而且需要最複雜的管理和演算法。不過話又說回來，我之前在預測USB埠時就馬失前蹄了，我當時認為：「誰需要這個啊？我們已經有足夠的輸入/輸出(I/O)轉換方案了。」然而，顯然地，USB現在已經被廣泛使用了。
對於這些電網級儲能方案，你認為它們能夠投入大規模應用嗎？這些方案是否能有效地代替電池儲能電廠(Battery Farm)、水庫、壓縮空氣，或是其他現用或計畫中的方案？
(參考原文：Using gravity for energy storage: viable idea or impractical?，by Bill Schweber)
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相似於「位能」轉換，值得以「差速煞車」的收放來控制重力加持的「時機」。