废弃矿井变身新型储能系统 全球潜力高达70 TWh

摘要：利用全球数以百万计废弃的矿山，转变为能源储存系统，是一种有益的尝试。该系统的技术寿命可达20至30年，全球潜力为7-70TWh，中国是唯一具有 TWh 规模潜力的国家。

储能技术，是在清洁能源转型进程中解决风电和太阳能发电间歇性和不稳定性，以及保证电网稳定安全运行的重要手段。

季节性抽水蓄能 (SPHS) 和电解氢（绿氢）是长时储能的两种最受期待的替代方案。然而，季节性抽水蓄能的场地特异性和绿氢的高成本和低效率一直驱动着科研人员研究其他新兴长时储能解决方案。

去年，奥地利国际应用系统分析研究所（IIASA）的科学家提出了一种与众不同的重力储能技术。这种被称为电梯储能技术（LEST）的方法可将多余的可再生能源存储为势能，通过使用它将重物提升到更高的位置，然后通过使用重力驱动某种发电机来释放这种能量。详见：电梯储能系统：将摩天大楼变成重力电池

近日，他们又提出了一种基于矿井的地下重力储能 (UGES) 系统，该系统通过升降装满沙子的容器来储存和释放能量，并通过再生制动来产生电力。相关研究成果已发表在在科学期刊《能源》(Energies) 上。

1 什么是地下重力储能 (UGES) ？

UGES是一种重力储能技术，可在电价高的时候向地下矿井填充沙子发电，然后在电价便宜的时候从矿井中取出沙子储存能量。

UGES的主要组成部分是竖井、电动机/发电机、上下存储点和采矿设备。竖井两侧的一系列电动机/发电机组将使每部电梯上下移动，在下降过程中通过再生制动发电，然后在返回过程中使用部分电力。为了获得最大效率，升降机可以在地面装载沙子，在竖井底部移除该载荷，然后空载返回地面。在这种情况下，竖井底部的存储区域最终会被沙子填满。出于这个原因，当电网中的能量过剩时，电梯将不得不将一些沙子带回顶部。电动传送带和自卸卡车的组合将用于装卸。

UGES矿井有不同的深度和直径。矿井越深、越宽，可以从工厂提取更多的电力。此外，矿井的体积越大，工厂的储能能力就越高。为了最大限度地提高功率容量，矿井中的沙子容器占据了矿井约50%的体积，另外50%的空间需要用来填充和清空容器中的沙子。

地下重力储能系统的上层存储点的设计是将尽可能多的沙子存储在矿井周围的地表上，以减少在地表存储沙子所需的能量。研究人员建议在矿井周围建立一个圆形沙堆，如下图a所示。沙堆的外径将取决于土地的可用性和成本。如果土地成本很高，沙堆可以垂直上升，因为卡车会把沙子倾倒在沙堆上面。沙堆的高度可以达到50米或更高。下图b显示了上层储存点被填满，UGES设备已充满电。下层储存点包括用沙子填满整个地下矿井。矿井从其两端被填满，直到通道到达其井口。下图c显示了下层储存点被填满，UGES设备完成能量释放。

2 经济性和成本如何？

为了验证地下重力储能系统的经济性，科研人员对400万吨和4000万吨沙子的UGES项目进行了分析对比。假设矿井中的电梯平均发电量为 10 兆瓦，4000万吨沙子的UGES项目当平均高差为1000米时，则以天为单位的存储周期预计为 (87.2/24/10 * 1000 = 363.3)。该系统的容量系数很低，因为它一半时间用于储存能量，一半时间用于发电，如果系统以 70% 的容量系数使用，则发电容量系数为 35%。400万吨沙子、平均高差200米的矿山储能为1.74GWh，略小于通常的日常抽水蓄能电站。

UGES 系统的功率容量取决于每次可以降低的沙子量。这随竖井深度、容器尺寸、速度和密度而变化。假定密度为 1600 kg/m 3，一个 1000 米深、容器尺寸为 4米 × 4米、速度为 1.0 米/秒的项目的功率容量为 113 兆瓦。这个功率容量类似于小型抽水蓄能设备。由于隧道直径更大 (10 m)、速度更快 (4–6 m/s) 并且整个隧道充满水，因此抽水蓄能设备具有更高的功率容量。

同时，使用 UGES 存储能量的成本随着上下存储位置之间高度差的增加而降低。经研究人员估算，一个拥有 4000万吨沙子且平均高度差为 1000 米的矿山UGES系统，预计储能的价格为 1.6 美元/千瓦时。

UGES的主要技术限制是高功率容量（MW），这涉及到竖井升降机和设备来运输上层和下层存储点的沙子。该系统的主要优点是储能成本低，这涉及到沙子的成本和在上层存储点存储沙子所需的土地。因此，UGES 被提议用于具有小功率需求的每周、每月、季节性和多年的能量存储周期。

UGES由于其低储能成本和高电力成本，对于在每周、每月或季节性和多年度周期内产生或储存稳定的能量具有吸引力。UGES的储能成本与抽水蓄能相似，但装机容量成本更高。鉴于电池的装机容量成本较低，UGES系统应与电池储能相连，以便电厂能廉价地提供短期和长期储能服务。

对比UGES和地下抽水蓄能，由于后者的投资和运营成本较低，应优先考虑后者的技术。但是，如果地下抽水蓄能由于上层水库面积不足、缺水地区缺水、地下水和地表水污染不受控制，或由于矿区结构受损而无法应用，则应考虑采用UGES。如果重点是长期储能，如季节性、3年或10年一次的储能周期，也应使用UGES，因为地下抽水蓄能会因蒸发而导致大量损失。

3 未来潜力几何？

“当一座矿山关闭时，它会解雇数千名工人。这摧毁了仅依靠矿山获得经济产出的社区。UGES 会创造一些职位空缺，因为该矿将在停止运营后提供储能服务，”IIASA 能源、气候和环境项目研究员、该研究的主要作者 Julian Hunt 说。“矿山已经具备了基础设施并与电网相连，这大大降低了成本并促进了 UGES 工厂的实施。”

全球范围内可能有数百万个关闭或废弃的矿山，据估计，仅仅在澳大利亚就存在至少5万个。研究人员使用Global Coal Mine Tracker统计了煤矿相关的数据，用于估算 UGES 的全球潜力，其中大部分矿山位于东亚 (39.6%)，其次是南亚 (17.8%) 以及美国和加拿大 (11.6%)，地下矿井的平均深度约为 500 m。

研究人员根据统计部分的计算，并假设一个UGES项目需要 400万吨沙子，估计全球潜力略高于 7 TWh。中国是唯一具有 TWh 规模潜力的国家（5041 GWh 存储潜力），而印度和美国分别有 649 GWh 和 579 GWh。欧洲（欧盟区和非欧盟区）的潜力超过 0.55 TWh。如果单个UGES项目的沙子增加到 4000万吨，全球潜力将增加到 70 TWh。

为了使经济脱碳，我们需要重新考虑基于使用现有资源的创新解决方案的能源系统，将废弃的矿山变成能源储存系统将是一种有益的尝试。该系统的技术寿命可达 20 至 30 年，存储潜力在全球范围内可达7 至 70 TWh，未来或将成为全球低碳能源转型中长时储能的一个新的选择。