编者按：有公司提出一个新的储能技术脑洞，用圆柱体的岩石嵌放在形状相同的储水池中，有富余电力时，泵会把水压入储水池中，岩石抬起电能转化成重力势能。而当电网需要电能供应时，闸门会打开，岩石下降，挤压储水池中的水流经泵来发电，重力势能转化成电能。

工作原理

其原理如图所示：用圆柱体的岩石（像一个活塞一样）嵌放在形状相同的储水池中，有富余电力时（例白天有光伏发电时），泵会把水压入储水池中，此时岩石活塞就会被水压提起，即电能转化成了重力势能。而当电网需要电能供应时（例晚上无光伏发电时），闸门会打开，此时岩石活塞会下降，挤压储水池中的水流经泵来发电，此时重力势能会转化成电能。

该技术主要优点是可以实现电网等级的大容量长时间（6～14h）储能，能量转换效率同样很高（可以达到80%左右），而且可以反复使用，对于电网削峰填谷、消纳大量的可再生能源非常有用。


根据物理知识，我们可以看出，该储能站的储电容量取决于1）岩石活塞的质量；2）其能被抬升的高度。而为了进一步计算，在这里为了简化数学模型：我们假设活塞的高度与其半径r相同，因此岩石活塞的质量∝r3（正比于）；而活塞能被抬升的高度实际上也取决于（正比于）其高度，最多是其本身高度的一半，否则可能会侧倾。

因此经过以上计算，可以得出结论：该储能站的储电容量∝r4，即正比于岩石活塞半径的四次方。而考虑到这样的项目的施工建设成本基本只是正比于面积，即∝r2。因此，只要在自然条件，施工能力允许的条件下，r越大，即项目建的越大，单位电量储能成本就越有优势（储能技术中，单位电量的成本是核心因素）。该公司也指出：岩石活塞的直径要达到100米的话，其成本就可以和抽水蓄能相竞争，而如果使用直径250米的活塞，储能成本可以达到200欧/kWh。


如果按岩石密度2600kg/m³来折算，半径125米的储能电站可以储电8GWh，这已经可以与德国境内最大的Goldisthal抽水蓄能电站（8.4GWh）相比了。而如果半径达到250米，理论上就可以储电124GWh，基本可以与世界上大多数抽水蓄能电站相匹敌。

新技术的使用总是伴随着各种技术上工程上的挑战，德国人自己介绍的要点主要有：

1）把活塞与水池壁之间做好密封（sealing）处理。

2）把活塞用密封环密封，以抵抗水压。

3）此外，在工程施工上，该技术实际上借鉴了许多矿井采掘方面的经验。

大概的原理示意图如下，可见他们在此做了大量的工作。密封活塞用的材料是geomembranes（我也不知道是什么，翻译为土工膜；隔泥网膜），这样可以使水不会漏出；而在活塞与水池壁中间使用的则是一层滚动膜（A rolling membrane）。囿于篇幅，本文将不在这里详细展开密封中使用的技术介绍，详情可以参考该企业的网站。

选址要求与环境影响

1）靠近水体。因为同样要使用大量的水，所以该项目建议仍然是修建在湖泊的附近，而且湖泊要足够大水量充足，这样才不会因为储能的用水导致水平面的剧烈变化，从而对生态产生过于明显的影响。另外，该技术用水都是处于内部密闭空间中，水在其中不会发生蒸发、变化或遭受污染，因此使用过程中可以直接与水体进行水交换，不需要再经过额外的净化处理环节。（评：仍然是要水，不过不像抽水一样非要找一个有海拨差的地方了）

2）地质因素考虑。该技术应该部署在具有坚实岩床的地区。该公司在全球范围内已经对117个地方进行了地质勘探研究，使用了国际认证的岩石质量评定（Rock Mass Rating, RMR）系统进行了认定，其中3%被认定为非常适合，43%被认定为适合，而其它地方要么需要非常昂贵的岩石稳定化处理，要么条件只适合建设小型储能站。（评：对地质条件有一定要求）


3）要与高压电网相连。考虑到该系统功率大，应该与最低电压10kV的电网相连，而且最好与新能源发电、电网等距离够近，这样可以减少传输等方面的损失。（评：我国建的各种特高压线路此时正好派上用场）

相比于传统抽水蓄能的优势？

1）因为岩石密度比水高，因此可以达到比抽水蓄能电站更高的能量密度。

2）考虑到更高的能量密度以及对于坑道等条件的利用，该技术占地更小，空间利用率高。

3）相应的，用水量只有抽水电站的1/4，而且不存在抽水蓄能电站的蒸发、暴露污染等系列问题。

4）该结构在地震到来时，岩石活塞因为相当于是“漂浮”在水中，地震波对于结构的影响会被缓冲掉很多，因此安全系数上有保证。

小结：明日技术可以期待，电网级储能需要相应技术突破

受制于电化学反应本身的理论容量极限、动力学极限，外加原料资源和工程施工等因素，电池技术在应对真正电网级的储能调峰任务时总是有些吃力的，除非有真正新体系电池出现，能满足长寿命、低成命、工艺简单等需求，而目前来看能满足这一要求的电池技术并不多。而新闻满天飞的快充技术中，总体来说，技术好点的是针对kWh级电动汽车体量级的技术（达到MWh的还是少了点），对于解决电网级储能有一定参考意义（虽然问题依然很多）。但对于这样的技术笔者仍然持有十分的敬意，因为此时需要综合把材料、电池、电控、电网各种因素考虑进去，工程上要倾注相当的心血，而且这些技术在微网等级的情境下也是可以适用的，能切实解决很多问题。

而技术差点的噱头快充技术基本也就只能充个充电宝了，这类技术如果不能放大，基本上也只能是个玩具而已，没有太大意义。笔者曾经强调过，实验室做0.1g，放大到做一个充电宝，再到做一个汽车，最后到电网级储能，量级差别是巨大的，根本不是一回事，看似都实现了半小时充电，其中要付出的心血完全不在一个量级上，指望这些技术来解决电网级的大规模调峰目前恐怕还难点，或者说，很远。

似乎扯的有点远。回来小结一下：发展储能技术对于人类社会的发展，能源的转型至关重要，此时能实现大容量低成本/高能量密度的储能技术相对来说更符合我们的需求。而电网储能可能更侧重于大容量低成本，而电化学电池在此方面可能不见得有多擅长，锂电和铅酸在应对电网储能时已经遇到的问题大家都很清楚，无需赘述。因此电网级的大规模储能很可能需要新型电池体系（也得是单位电价成本便宜的，能量密度高都可以排第二，快充的重要性更可以往后，根本就不是第一矛盾），或者就是要依靠机械能储能来解决这些问题（抽水蓄能、压缩空气，以及本文的技术可能也是有希望的）。


位于图片右上方的PSH（抽水蓄能）与CAES（压缩空气）更符合电网大规模储能需求，锂离子电池可能更适合电动汽车、中小规模的分布式等更灵活的储能需求

该公司在网站中表示，现在还没有建成相关的项目，该想法是2010年提出的，他们的目标是在2020年建成示范站，目前还正在国际上选址，寻找合适的建造地。但是考虑到该技术有可能能解决电网大规模储能、解决能源消纳等一部分问题，笔者认为还是要期待这样的技术能有更大的发展，从而为能源转型提供更多的支持和可能性。

德国人加油，也希望中国人能更加努力，做出更多新成果，而且能做出些有工程落地前景，经得起推敲、质疑和检验的技术。

原标题：储能技术脑洞：可实现电网等级的大容量长时间储能