Technologie et applications du stockage de l'énergie par gravité

Principes du stockage de l'énergie par gravité

Le stockage d'énergie par gravité fait partie du stockage d'énergie mécanique, et son support de stockage d'énergie est principalement constitué de matières solides et d'eau. Le principe de base du stockage d'énergie par gravité est de soulever et d'abaisser le support de stockage d'énergie en fonction de la différence de hauteur, afin de compléter le processus de charge et de décharge du système de stockage d'énergie.

● Lorsque l'eau est utilisée comme moyen de stockage de l'énergie par gravité, le système de stockage de l'énergie peut utiliser des tuyaux, des puits et d'autres structures présentant de meilleures performances d'étanchéité. La plus grande limite de l'eau est que sa flexibilité et sa capacité de stockage d'énergie seront fortement limitées par la source d'eau et le terrain ;

● Lorsqu'un matériau solide est utilisé comme support, le matériau lourd solide doit choisir un matériau de densité plus élevée, tel que le métal, le ciment, le sable de pierre, etc. pour obtenir une densité d'énergie relativement élevée. Le nouveau stockage d'énergie par gravité sera réalisé par le biais d'une variété de voies.

À la fin du XIXe siècle, il existait des centrales électriques à accumulation par pompage ; l'application du stockage de l'énergie par gravité en Chine a été relativement tardive, et la première petite centrale électrique hybride à accumulation par pompage a été construite en 1968. À l'heure actuelle, il existe plusieurs schémas de stockage de l'énergie par gravité en fonction des différents moyens de stockage de l'énergie et de la trajectoire de la chute : le stockage par pompage, la différence de hauteur des structures, la chute en montagne et les puits souterrains.

Classification des technologies de stockage de l'énergie par gravité

La technologie de stockage d'énergie par gravité comprend principalement le stockage d'énergie par gravité à piston, le stockage d'énergie par gravité en suspension, la tour de stockage d'énergie en blocs de béton, le stockage d'énergie par gravité en montagne et d'autres technologies de production d'énergie par stockage d'énergie par gravité.

Stockage de l'énergie par gravité à l'aide d'un piston

Le stockage d'énergie par gravité de type piston proposé par la California Gravity Power Company est basé sur l'unité de stockage par pompage, qui utilise le piston lourd dans l'arbre pour remplacer la masse d'eau pour le stockage de l'énergie. Lorsque l'énergie est abondante, l'eau est pompée et mise sous pression par la pompe à eau et la turbine pour soulever le piston de l'objet lourd afin de stocker l'énergie, c'est-à-dire que le corps de l'eau ne stocke pas directement l'énergie ;

Lors de la production d'électricité, le piston de poids tombe et son énergie potentielle est transférée à l'écoulement de l'eau, qui est convertie en énergie mécanique par la turbine de la pompe à eau pour faire fonctionner le générateur. Comparée à la centrale électrique à accumulation par pompage avec la même énergie potentielle, la technologie de production d'électricité par accumulation d'énergie par gravité de type piston peut réduire la hauteur de construction, réduire la dépendance à l'égard des conditions géographiques et des ressources en eau, et faciliter la sélection du site et l'agencement de la centrale électrique. 

Stockage d'énergie par gravité en suspension

La société écossaise Gravitricity a proposé un mécanisme qui utilise une plate-forme de forage abandonnée et un cabestan pour le stockage de l'énergie. Elle utilise des plates-formes de forage et des mines abandonnées pour soulever et abaisser à plusieurs reprises des plates-formes de forage de 16 mètres de long et de 500 à 5 000 tonnes dans des puits de 150 à 1 500 mètres de long.

Grâce au treuil électrique, l'appareil de forage est tiré jusqu'à la mine abandonnée lorsque la consommation d'énergie est faible, et l'appareil de forage descend directement lorsque la consommation d'énergie atteint son maximum, ce qui permet de "libérer" l'énergie stockée. L'entreprise affirme que le système peut réagir en moins d'une seconde, qu'il a une durée de vie de 50 ans et qu'il est efficace à 90 %.

Tour de stockage d'énergie en blocs de béton

Gravitricity estime que le treuil et le système de contrôle avancés peuvent être suffisamment flexibles pour répondre rapidement, en une seconde, à la demande de pointe du réseau. Energy Vault a proposé un système de production d'électricité par stockage d'énergie par gravité basé sur des tours de stockage d'énergie en blocs de béton. Le projet est censé fonctionner pendant 30 à 40 ans et son coût sera deux fois moins élevé que celui des solutions de stockage par batterie existantes à l'échelle du réseau.

Lorsque l'énergie est abondante, la grue soulève les blocs de béton du sol, les empile comme des blocs de construction et convertit l'énergie en énergie potentielle de la tour de blocs de béton, c'est-à-dire l'étape de stockage de l'énergie ; lorsque la production d'énergie est nécessaire, les blocs de béton sont lâchés dans l'ordre pour libérer l'énergie potentielle des objets lourds et la convertir en énergie électrique.

Stockage d'énergie par gravité en montagne

Le Mountain Gravity Energy Storage (MGES) proposé par IIASA Research utilise principalement le terrain des zones montagneuses escarpées pour stocker de l'énergie grâce à l'énergie potentielle du sable et du gravier. Lorsque l'énergie est abondante, un système électrique similaire à un téléski est utilisé pour soulever le conteneur rempli de sable et de gravier jusqu'au sommet de la montagne pour le stocker ;

Lors des pics de consommation d'électricité, le sable et le gravier sont transportés du sommet vers le sol par gravité, et l'énergie potentielle du sable et du gravier est libérée pour produire de l'électricité. L'institut estime que le système de stockage d'énergie par gravité en montagne est une méthode de stockage d'énergie plus durable et à plus grande échelle que le système de stockage d'énergie par gravité en montagne. meilleures piles rechargeables système de stockage d'énergie par batterie au lithium.

Le stockage d'énergie par gravité en montagne semble simple et facile à mettre en œuvre, mais l'efficacité du système de téléphérique utilisé n'est pas facile à améliorer, les avantages globaux du système de production d'électricité par stockage d'énergie peuvent ne pas être idéaux, et les solutions techniques correspondantes doivent être développées.

Avantages et inconvénients du stockage de l'énergie par gravité

Avantages

Le principe est simple et le seuil technique est bas ; en même temps, grâce à l'utilisation d'un support physique pour stocker l'énergie, son efficacité de stockage de l'énergie est aussi élevée que 90%, et il ne faut que 2,9 secondes pour augmenter la puissance de sortie de 0 à 100%, et la durée de vie est de plus de 30 ans ;

En outre, il n'est pas nécessaire d'imposer des exigences plus élevées en matière de sélection des sites, comme c'est le cas pour les centrales à accumulation par pompage, de sorte que son coût de construction ne représente qu'un tiers de celui des centrales à accumulation par pompage, et que le coût par kilowattheure ne représente que deux tiers de celui des centrales à accumulation par pompage.

● Stockage d'énergie physique pure, haute sécurité et respect de l'environnement.

Le stockage d'énergie par gravité n'implique pas de réactions chimiques dans les processus de travail tels que le transport d'objets lourds, le stockage d'énergie potentielle et la production d'énergie mécanique, et son fonctionnement est sûr et fiable. La production d'électricité par stockage d'énergie par gravité est propre et à faible teneur en carbone, avec peu d'impact sur l'environnement naturel.

● Forte adaptabilité environnementale, adaptée au stockage d'énergie "distribué".

Il n'existe pas de conditions ni d'exigences particulières pour le stockage, le transport et la production d'énergie d'objets lourds. Par conséquent, les centrales électriques à accumulation d'énergie par gravité ne sont soumises à aucune condition externe, telle que le choix du site et les restrictions météorologiques.

L'application est très souple, et une disposition flexible peut être réalisée du côté du réseau et du côté de l'alimentation en fonction des besoins du système électrique.

● La durée du cycle de production d'électricité est longue et le coût est faible.

Les objets lourds sont principalement fabriqués en béton ou en matériaux locaux, ou utilisent d'autres matériaux recyclés, qui peuvent être recyclés pendant des décennies, et la perte d'objets lourds est faible pendant le fonctionnement. Si les matériaux sont utilisés correctement, le coût des objets lourds peut être considérablement réduit.

● Longue durée et pas de problème d'autodécharge.

Il est relativement facile d'agrandir les entrepôts supérieurs et inférieurs de la centrale de stockage d'énergie par gravité, et il n'y aura pas de perte pendant le stockage de l'énergie potentielle des objets lourds. Elle présente la commodité et les avantages inhérents au stockage de l'énergie à long terme.

Inconvénients

La densité énergétique est faible et l'échelle de construction est trop grande. La tour moyenne requise pour le stockage de l'énergie par gravité est de plus de 100 mètres, et sa puissance de sortie n'est équivalente qu'à celle d'une éolienne de la même hauteur ; en outre, cette technologie exige une très grande précision pour les grues à tour. Un câble d'une longueur de plusieurs dizaines de mètres doit être fabriqué en 5 000 briques, et l'erreur de position de chaque brique est inférieure à quelques millimètres ;

Chaque tour nécessite des milliers de blocs de ciment, et la coulée de blocs de ciment émet beaucoup de dioxyde de carbone.

Scénarios d'application de la technologie de stockage de l'énergie par gravité

●Sélection du site des centrales thermiques déclassées.

Le levage vertical d'objets lourds dans le cadre de la technologie de stockage d'énergie par gravité présente un faible encombrement et un choix d'emplacement flexible, et les centrales thermiques désaffectées peuvent être l'un de leurs lieux de prédilection en raison de leur infrastructure électrique.

●Synergie stockage d'énergie par air comprimé + stockage d'énergie électrochimique.

En tant que stockage d'énergie à long terme, le stockage d'énergie par gravité présente une bonne complémentarité et une bonne synergie avec le stockage d'énergie à court terme, comme la technologie de stockage d'énergie à air comprimé et le stockage d'énergie électrochimique (comme le pile ternaire au lithium et les batteries au lithium-fer-phosphate).

●Gestion globale des résidus miniers

L'utilisation des scories pour fabriquer des modules gravitaires peut résoudre le problème de l'élimination des scories et des matières premières pour le stockage de l'énergie gravitaire (modules unitaires), réduire les coûts de construction et, dans le même temps, obtenir des avantages économiques et sociaux évidents.

●Réutilisation des pales d'éoliennes

On estime que d'ici 2025, le nombre de pales d'éoliennes mises au rebut en Chine atteindra 8 112 tonnes. La vague de mise au rebut et la nécessité de nouveaux processus pour faire face à la dégradation ont fait du recyclage des centrales éoliennes mises hors service une priorité absolue.

●Concept d'agriculture urbaine sans pilote et sans émission de carbone

Le bâtiment de stockage d'énergie par gravité compte environ 30 étages, et les 9 à 22 étages du milieu sont pour la plupart des espaces inoccupés. En utilisant ces espaces, il est possible de construire des usines agricoles sans personnel et des usines de légumes intelligents, de champignons matsutake, de luzerne et d'autres cultures à forte valeur ajoutée afin de maximiser les avantages économiques.

● Concept de centre de données

De même, la construction d'un centre de données sur un étage inoccupé d'un bâtiment de stockage d'énergie par gravité peut résoudre le problème d'une source d'énergie propre avec une consommation d'énergie élevée dans le centre de données, et fournir de nouvelles idées pour atteindre l'objectif de "double carbone".

●Intégration du stockage de l'hydrogène éolien et solaire et de l'ammoniac.

Grâce au stockage de l'énergie par gravité, l'énergie éolienne et la production d'énergie photovoltaïque sont transformées en sources d'énergie stables pour la production d'hydrogène vert, et le problème du stockage et du transport de l'hydrogène est également résolu par la transformation de l'hydrogène en ammoniac.

Apporter à la région des avantages économiques et sociaux durables, stables et croissants, et maximiser la valeur des ressources.

● Stockage de CO2

Les dispositifs de stockage d'énergie par gravité peuvent tirer parti de leur longue durée de vie et de leur vaste source de matériaux pour modules de gravité, ce qui crée des conditions favorables à la séquestration du dioxyde de carbone. L'utilisation de la technologie de séquestration du carbone peut permettre une séquestration à long terme, voire permanente, du dioxyde de carbone.

L'avenir du stockage de l'énergie par gravité

Bien que la technologie de stockage de l'énergie par gravité qui vient d'être mise au point présente de nombreuses perspectives commerciales attrayantes, sa praticabilité doit encore être prouvée par des données.

Les lacunes des indicateurs techniques existants doivent également être modifiées et améliorées à l'avenir. Avec le retrait progressif de l'énergie traditionnelle de la scène historique et la détermination de la Chine à atteindre l'objectif de "double carbone", le stockage de l'énergie par gravité pourrait devenir le prochain débouché.

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