抽水蓄能電站潛力分析

戰略與規劃

抽水蓄能電站潛力分析

抽水蓄能電站是提供大量蓄電儲能唯一可行的技術，可用來滿足2020年歐盟可再生能源目標要求?，F有水壩和水庫可被轉換成此模式的水電站而幾乎不會對環境和社會產生影響。然而，整個歐洲還未曾對這項技術的潛力進行過深入探討。這促使各方展開合作研究，以開發一種新的評估方法。從分析方法、克羅地亞與土耳其抽水蓄能潛力、抽水蓄能開發所面臨的障礙等方面研究了抽水蓄能電站在歐洲的開發潛力。

抽水蓄能電站；發展前景；潛力分析

近年來，歐洲水電資源已得到充分開發，但抽水蓄能潛力從未得到深入分析。雖然私人公司或地區或國家已對潛在抽水蓄能容量、抽水蓄能轉型開展研究，但整個歐洲并未就此展開討論與分析。

環保、場地缺乏和某些社會認可的問題限制了常規水電在歐洲的進一步發展，現在注意力已轉向抽水蓄能電站。

新的抽水蓄能項目受到和常規水電項目類似的限制。然而，由現有水電和非水電水庫轉換而成的抽水蓄能的情況不太可能是這樣。其原因包括，用于抽水蓄能的現有備選水庫已經建成，因此不會產生新的環境影響，生態系統已經適應，任何問題已經得到緩解。

抽水蓄能作為可再生能源只相當于第一次抽水所用的電能，減去15%～30%的循環效率損失。所以雖然它肯定不會增加更多的由可再生能源產生的電力，但其最大益處是能整合各種可變形式的可再生能源發電的能力。

能量存儲為大量吸收可變的可再生電源(如風力和太陽能)到系統中的3個主要的選項之一(其他兩個選項是改進的互連電網和更靈活的常規發電站)。抽水蓄能電站目前被視為唯一的儲能技術，它能夠為實現歐盟2020年能源目標提供大量容納可再生電所需要的大量蓄能。雖然它是目前可用的最大和最成熟的儲能形式，但所需的基建費用可能會非常高，合適場所的可獲性也正在減少。因此，識別剩余的任何站點是至關重要的，以便從能力和經濟方面來選擇最為有利的場地。

在缺少歐洲范圍內評估抽水蓄能潛力的情況下，近來開發了一種新方法。該方法是在歐洲委員會的戰略能源技術信息系統(SETIS)的保護下，通過聯合研究委員會(JRC)與愛爾蘭科克大學聯合開發的。目標一直是致力于開發基于地理信息系統(GIS)的方法和模型，來確定單一水庫轉換成抽水蓄能系統的潛力。然后，評估這些新項目可能提供給各電力系統的其他能量存儲。該方法已應用于克羅地亞和土耳其的案例研究。目前聯合研究中心已將該模型應用到整個歐洲。筆者認為，未來改進的模型可以最小的工作量有效地應用于整個歐盟，從而獲得更準確的評估。

2012年發布了題為“單個水壩轉換的抽水蓄存水電能潛力”的報告，報告由歐共體聯合研究委員會等研究機構共同完成。

1 抽水蓄能轉換

該報告為轉換成抽水蓄能的能力定義了一個方法。已經決定要開發兩種布置來分析這種方法是否能實現。

(1) 布置A(TA)。當一座水庫已經存在，需要增加第2座水庫(通常位于較高的海拔)，并配置壓力鋼管和設備。愛爾蘭特洛希爾(Turlough Hill)項目是布置A的一個例子，其中，一個天然湖泊形成下庫，而其上庫則是修建的。

(2) 布置B(TB)。當兩座水庫已經存在，且它們之間的距離和高差合適。布置B由兩水庫之間增加的壓力鋼管以及發電和抽水設備組成?，F有天然湖泊可視為兩座水庫中的一個，這些水壩可在同一河流上或在平行的河谷內。奧地利裝機480 MW的林貝格(Limberg)Ⅱ號電廠項目是TB轉換的一個例子。

克羅地亞由于其規模和全國水電普及率高而被認為是適合案例研究的首個國家?？肆_地亞水電裝機容量2 076 MW，水電供電量占全年用電量的31%。該國擁有3座正在運行的抽水蓄能電站：裝機276 MW的韋萊比特(RHE Velebi)電站，其抽水容量為240 MW；裝機4.6 MW的富日內(Fuzine)電站，其抽水容量為4.8 MW；裝機1.14 MW的黎蓬尼斯(Lepenice)電站，其抽水容量為1.25 MW。

同時該國也有一個強有力的承諾，到2020年可再生能源在總能源消費中的份額達20%。另一個優勢是該國有多個互連電網，電網直接連接斯洛文尼亞、波斯尼亞、黑塞哥維那、塞爾維亞和匈牙利，從而創造了可以儲存周邊國家風力發電剩余電力的潛力。

土耳其由于存在大量壩址而被選定為適合案例研究的第2個國家(運行中的大型水壩260座，小水壩413座，并計劃新建1 418座水電站)。這就等同于有大量的潛在抽水蓄能場地。雖然目前水電只提供土耳其電力需求量的20%，有人提出該國只利用了35%的估計的經濟水電潛能。土耳其政府希望到2020年將水電裝機容量增加到35 000 MW。此外，政府計劃到2023年風力發電進一步增加至20 000 MW，使土耳其成為一個理想的抽水蓄能轉型國家。

用布置A和布置B將現有水庫改造成抽水蓄能電站的決策流程見圖1。首先，必須確定用于轉型的所有的地形和物理特性，并對環境因素、至受保護的自然場所的距離和至電網的距離等作出假設。然后，對每個站點都以一種統一和一致的方式進行評估。

圖1 抽水蓄能轉換中需要實施的決策流程

儲水容量小于100萬m3的水壩和發電裝機容量小于標稱容量1 MW的水庫和水電站項目被排除在研究之外。各種類型的大壩都被認為適合于轉換，但要求其水頭等于或大于150 m，否則是不可行的。 兩座水庫之間的距離必須達到5 km或以上，指標性的最小水庫水面為50 000 m2(布置A需要70 000 m2)。認為可能影響潛力開發的其他因素包括：

(1) 一個新的建設地點(如壓力鋼管或水庫)200 m范圍內存在居住點。對于布置2(其中兩座大壩已經存在)，在居住點200 m范圍內應該沒有發電、抽水和壓力鋼管設施。

(2) 能量轉換點100 m范圍內存在交通基礎設施。

(3) 適合的電網基礎設施距離非水電大壩超過20 km。

利用地理信息系統(GIS)形文件為每個被推薦的國家建立一個完整的國家地圖。數字地形地圖提供地形信息，但還需要有關河流和水體、高程數據、居住地點、環境敏感性，以及各種輸電和配電等級的電網等其他信息。

“國際大壩委員會世界注冊水壩”被認為是最全面的數據庫，并被證明是這項研究的主要數據來源。缺少的數據段通過全球的水庫和大壩(GRanD)數據庫來解決。然而，在克羅地亞和土耳其只有20%和15%水壩通過全球的水庫和大壩(GRanD)數據庫與地理關聯，剩余的大壩不得不使用谷歌地圖用人工方法完成數據補充工作。這是一個費時的工作，雖然慎之又慎，但數據仍然可能有誤。

遙感高程數據取自由航天飛機雷達測繪的地形數據庫?？肆_地亞和土耳其的電力基礎設施地理信息系統(GIS)形文件無法獲得。雖然地圖是研究全球能源網絡獲得，但對于這項研究來說這些地圖精確度有限。

2 克羅地亞與土耳其抽水蓄能潛力

在克羅地亞容量100萬m3以上大壩水庫有23座，所有這些都是通過GIS模型進行分析的。較多的水壩海拔在101～200 m之間，其余都屬其他范圍。克羅地亞的研究結果發現，布置B的站點在這些制約條件下沒有解決辦法。彼此相距5 km范圍內的任何兩水壩之間的高差都沒有達到150 m或以上，不能提供足夠的水頭。在找到布置TB的解決辦法之前，必須放寬該方法的限制條件，允許對布置B采用11 km的間隔距離。

在克羅地亞共有13個很有希望適合布置方案A的站點，其蓄能量高達60 GW·h。雖然研究存在局限性，但可得出結論，這個國家將現有壩庫轉換成抽水蓄能電站的潛力至少是現有的抽水蓄能電站容量的3倍。

根據分析，在土耳其共有612座水庫庫容大于100萬m3，絕大多數大壩是在海拔0～400 m和801～1 200 m之間。自然保護區被排除以前，總共有448個潛在的布置A站點，其蓄能量達4 372 GW·h?？紤]環境的制約，總量降至444個潛在站點，損失儲能量555 GW·h。

在布置B分析中(含自然的保護區)，612座水壩只有兩個潛在的站點，平均水頭294 m，儲能量304 GW·h。

3 抽水蓄能開發所面臨的障礙

根據現有的和潛在的站點之間的水頭差和距離、擬建的第2座水庫周圍地形的平坦程度和第1座水庫容積，采用研究中開發的模型，確定轉換站點。模擬中還施加了關于建設新水庫涉及居住站點等方面的限制。然而，該模型無法根據地質及水文條件分析潛在的站點，地質和水文條件這兩者可能是抽水蓄能發展的潛在障礙。事實上，以下因素都被認定為發展的可能障礙：

(1) 地質。對每個潛在轉換站點都需要進行詳細的地質分析，以評估轉換成抽水蓄能電站的可行性。地下壓力水管的建設也可能受地質條件的限制。

(2) 水文。在可能的轉換站點處或其附近缺乏地表水可能是一個潛在的障礙?，F有水庫的水文分析是必要的，以確定水的供應量和水位是否有季節性變化。在氣候干旱的區域或國家，如南歐，這是一個重要的標準。例如塞浦路斯的水壩很少能蓄水到滿庫，甚至很少接近滿庫，其尺寸會加大以便在豐水年使收集的水量最大，干旱年使用蓄水。在這些情況下，增加第二水庫將提高高峰雨季儲存的水量。然而，在此期間，水庫不能被用于抽水蓄能，但可作為永久性蓄水。

任何現有的或新的水庫也需要進行來水中泥沙推移質評估，水庫隨著時間的推移逐漸淤積，水庫體積減少可能會造成問題。抽水蓄能電站也不能使用全部現有庫容，否則淤泥和雜物將被抽到水泵水輪機中。

(3) 基礎設施。對交通運輸和電網基礎設施的分析，需要關注抽水蓄能站點區內的道路是否能支持高流量的交通和重型建筑機械。

電網基礎設施可能還需要升級，提供雙向電流，以便既能抽水又能發電。對于非水電大壩電網基礎設施要更詳細查看。例如要考慮的問題包括靠近變電站的程度和備用容量的可獲性，以及升級任何容量不足的變電站的可行性等。

(4) 經濟?；ㄙM用的不確定性可能會阻礙轉型。抽水蓄能電站項目的基建費用有很大的可變性。由于這種項目的勞動力和材料密集度很高，基建費用差異很大，與具體的站點和國家有關。

新技術的發展可能會克服一些障礙。無級調速、可逆式水泵水輪機會增加計劃建設的抽水蓄能設施操作的靈活性，裝備將更優良，以支持可變的可再生能源發電的一體化。

諸如基于沿海海水抽水蓄能這一新概念(這種情況下海作為下級水庫使用)，將開拓更多數量的潛在站點。目前世界上正在運行的唯一的這類電站是日本沖繩裝機30 MW的示范電站。也有人提出使用地下洞穴作為下水庫抽水蓄能，如果成功，采用這種方案就能消除與興建水庫有關的任何環境問題。

作者根據自己的認識在報告結尾部分指出，此次模擬實踐是基于一個或兩個現有的水壩識別和量化歐洲國家抽水蓄能潛力的首次嘗試。然而，也應該承認，這種模擬實踐屬于研究領域，其結果可能與一個實際的項目可行性研究所需要的明確性和精度尚有幾個階段的差距。作者認為這是重要的，研究的最終目標應該是雙重的。

(1) 為決策過程提供了可靠的科學依據。

(2) 為項目所涉及各方(如政府機構空間規劃部門、工程公司和抽水蓄能電站開發商)降低轉換成本。

2012年4月，作為對該研究報告的一項后續研究工作，聯合研究中心(JRC)組建了一個專題研究小組，30多名專家參加，目的在于：

(1) 驗證聯合研究中心的方法和模型。預期的結果是對提高該方法的有效性提出種種建議，重點是采納的方法、使用的軟件和數據源、多標準的因素、成本計算方法、敏感性分析和預期輸出。

(2) 解決成員國內數據可用性和數據收集的問題，因為聯合研究中心的意圖是將該方法應用于歐盟和挪威。

(3) 讓利益相關者分享和傳播該方法。

一份題為“抽水蓄能潛力評估”的報告，包括建議和數據源，這些資料可供對利用GIS的方法評估抽水蓄能潛力感興趣的任何個人或組織使用。

報告中包含了改進該方法的各種建議。其中包括潛在的抽水蓄能站點的篩查方法的分析。例如，最小水庫規模100萬m3的規定被認為不合適，因為有許多庫容小于這一數值的水庫可以產生更多的水電發電量。有人提議初始臨界值變化范圍為50萬～100萬m3。兩座水庫之間的水平距離5 km也被認為是過于嚴格，他們認為20 km是更合理的數字，與兩座水庫之間的高程差有關。提案還建議使用最小水頭20～200 m，還可以擴展到1 500 m，以避免排除任何可能的站點。

討論建議的GIS文件：

(1) 軟件插件和工具。

(2) 另一個可供選擇的高程數據來源，如激光雷達(LIDAR)測量、軍用大地測量地圖和數據，以及日本航天系統。

(3) 其他湖泊和水庫數據源，如聯合研究中心流域表征和模擬、歐洲環境局的歐洲流域及河流網絡系統(ECRINS)、歐洲全域地圖(Euro Global Map)，以及歐洲的湖泊、水壩和水庫數據庫。

建議考慮地質數據包體的GIS文件增加地層，如檢查該地區的隧道、礦坑和地震災害等的可能性。歐洲環境局已經開發GIS巖層和數據庫，可供抽水蓄能評估使用。有人建議，也可以用模型得出具體成果，使得用一個單獨的工具做進一步的成本估計成為可能。

4 質量和詳細數據

研討會得出，運用GIS模型評價一個項目或國家和區域的抽水蓄能潛力都是可行、有效而且很方便的。而不同的是使用這些工具的強度，所需要的數據的細節以及模型和方法背后的假設。

克羅地亞和歐洲范圍內的評估在很大程度上依賴于所采取的假設。例如敏感度分析表明，將兩座水庫之間的最大距離擴大為5～20 km，則克羅地亞抽水蓄能的理論潛力就要擴大到10倍。優質的和詳細的數據，是實施這類評價工作的保證。

(劉建龍 山 松 編譯)

2013-07-08

1006-0081(2014)01-0019-04

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