抽水蓄能有利于清潔能源消納

曹楚生

（天津大學／中水北方勘測設計研究公司，天津市 300222）

抽水蓄能有利于清潔能源消納

曹楚生

（天津大學／中水北方勘測設計研究公司，天津市 300222）

電網中水電、火電、核電、風電以及太陽能發電等電源考慮聯合蓄能電站運行后，對清潔能源消納、節能減排和保護生態環境十分有利。然而，為應對風能、太陽能、生物能等清潔可再生間歇性能源的迅速興起，電網須有足夠的調蓄能力予以支持，否則過大的峰谷差將影響網內機組的平穩運行。因此，配置足夠規模的抽水蓄能等設施，可優化電力系統的組成，理順能源可持續發展的循環機制。

水電；抽水蓄能；電網；清潔能源消納；可持續發展；節能減排

1 能源發展形勢

我國電能長久以來以火電為主，據統計，2015年以煤電為主的火電裝機容量為9.9億kW，占全國總裝機容量的65.7%，水電、風電等裝機容量分別為3.2億、1.3億kW，分別僅占21.2%和8.6%，這使我國化石能源消耗日增。因煤、油、氣等燃燒使用后排出的有害氣體造成的溫室效應而導致的氣候變暖已成為全球重大問題。我國排出的CO2等有害氣體在數量上已位居世界前列。歐、美、日等工業發達地區或國家已制訂計劃在預定的時段內逐步發展清潔能源和潔凈煤等發電技術，最終做到趨近零排放。我國政府也大力發展清潔能源，如水電、風電、太陽能發電、核電，優化電源組成，積極發展清潔和可再生能源至關重要。現將這方面的發展和前景分述于下：

（1）水電。我國水能資源蘊藏量6.76億kW，其中可開發容量3.78億kW，為世界之冠。古稱我國有“三江三河”，近悉雅魯藏布江、瀾滄江、怒江水資源也極豐富。故上述可開發容量等尚會有所增加（增加10%～20%）。2020、2030、2050年，常規水電裝機容量分別為3.45億、4.3億、4.7億kW，抽水蓄能裝機容量分別為0.5億、0.7億、2.8億kW。

（2）風電。我國風力資源豐富，年均風速大于6m/s的面積達66萬km2，按6～8MW/km2計算，可裝機40億～50億kW。雖然這種估算偏大，但也可看出風電資源很豐富，發展前景很好。預測到2020年風電裝機容量將達2億kW。

（3）太陽能。我國2/3國土面積日均輻射量大于4kWh/m2，如按此估算，儲量極為可觀。但由于采集、儲存和應用等原因，目前估算至2020年太陽能光伏發電裝機容量1億kW，光熱發電裝機容量100萬kW，以后隨著技術進步，具有較大的發展前景。

（4）核電。是一種技術成熟可大規模取代化石燃料的清潔能源。在國外發展中曾有起伏，現在核能利用已占各種電能總和的13.5%。核電在我國起步晚，估計到2020年約為0.8億kW。

綜上所述，上述可再生能源中水電目前尚有較大的開發空間，一些條件較好的站點已在修建中，再過10余年后將逐漸進入尾聲。非水能可再生能源（簡稱可再生新能源）中，風電近年進展迅速、前景看好，太陽能、生物能等正在起步階段，應發揮各自優勢，著力加快這些可再生新能源技術整體的發展。應該指出，隨著時間的推移，到2020、2030年和2050年，我國能源缺口將分別達到18%、20%和30%，可再生新能源和核電將主要承擔起補充上述能源缺口的任務。由此可見，至2050年，這些可再生新能源已從過去補充或輔助能源進入主導能源，21世紀下半葉將更顯示其重要性，逐漸成為電能發展的主力。總之，這些可再生新能源的開發利用可替代日益短缺的煤、油、氣和水能資源，且它們的資源相對豐富，有可靠的保障能力，可大規模開發利用。但其中，風能和太陽能等都具有顯著的不穩定性和間斷性，所在電網必須具有足夠的事故備用容量和可靠的蓄能設備。

現如今正處于新舊能源交替時期，火電、水電發展迅猛，已達高潮，由于煤炭、石化和水能資源日趨短缺，2020～2030年，這種發展將趨緩，而新能源將逐漸取代前者。結合我國當前情況，節能減排任重道遠，除應抓緊可再生新能源的開發，從耗能工業、交通、電力和能源等行業的生產運行分別進行優化外，還應通過其他不同途徑予以完善。

2 抽水蓄能的興起

我國已進入了一個空前繁榮的新時期。國民經濟及工農業等的急劇增長，城鄉用水及電力的供應時有供不應求的現象，且日趨嚴重。而水利水電進展神速，一些地區水資源和水能資源已出現開發殆盡現象，再修建新的工程將受到限制，并影響水利水電的可持續發展。甚至有人認為，我國水資源和水利水電的開發利用已瀕臨極限。

水利水電的發展離不開當地電網。一般電網由水電和火電等組成，因水電具有較好的調峰性能，可改善電網輸電質量，當該地區水能資源開發殆盡，水電不能與火電同步增長，水電所占比重低下時（小于20%～30%），造成電網中可調峰電能減少，而低谷時又造成電流周波和電壓加大，影響輸電質量。隨著時間的推移，由于國民經濟和生活質量的提高，電網的容量往往逐漸由小到大。但當水電發展受水能資源限制，新能源（如風電、太陽能、核電、生物能發電等）大量興起時，電網中水電可調峰電能比重減低。當地區電力負荷急劇變動時，更顯示出調峰電源的不足。當水電發展受阻，不能與其他電源同步增長時，電網中峰谷差加大，尖峰時缺電而低谷時又有多余，這種現象將會與日俱增。尖峰時缺電，可臨時增設燃氣輪機等解決，而低谷時多余電能所占比重達一定程度后，將會影響電網輸電質量，并增加能耗和有害氣體排放量較難處理，使電力系統的進一步發展受到阻礙。

由于社會對電力的需要日益增長，我國各地區電網中主要能源煤電增加很快，而常規水電受水能資源的限制，往往不能與他種能源成比例地增加，因此電網中水電比重日益降低，這樣將導致調峰電源缺乏，造成電網中能源比例失調，在不得已時常采用以下兩種措施：①火電機組深度調峰（大于40%～50%），有的甚至采用分班制，不僅造成煤耗能耗增加，并影響火電機組的穩定運行和電網輸電的質量；②水電棄水調峰，在我國很多以煤電或火電為主的電網，為不因調峰而使占絕對多數的機組受阻，讓水電在洪水期間甚至在需要時棄水調峰。據統計，全國2015年水電平均利用小時數僅為3621h/年（一般水電的設計值常在4000～5000h/年）。

作為水電的補充，抽水蓄能電站使水電重新步入了新的境界。雖然已無新的水能資源供開發，但可利用電力系統低谷電能，通過抽水蓄能儲存轉換，在尖峰時發電，這樣蓄能運行使水利水電的發展增加了新的活力。近十余年來，我國已建和在建抽水蓄能電站容量約0.43億kW。

水電不能與火電等同步增長，電網中的峰谷差日益增加。由于調峰電源的短缺，不僅影響電網的平穩運行和輸電質量，更加劇有害氣體的排放，節能減排已成為全球關注的問題。節能減排主要應從上述有關工業、交通、能源等著手，而發展抽水蓄能對各種能源可持續發展十分有利的，現將抽水蓄能的優點闡述如下：

（1）抽水蓄能雖不能生產電能，但可利用低谷剩余電能抽水，在峰荷時發電既可調峰填谷、調頻調相、旋轉備用和應急事故備用等，故實質上起到了一種能量儲存轉換和改善優化等功能。當前一些電網總容量日益增加，水電比重日益下降，低谷剩余電能將與日俱增，為抽水蓄能的發展提供必要的動力。

（2）抽水蓄能與煤電、油電、氣電比，跟蹤負荷和調峰性能好、開停機靈活并節煤節油；與常規水電比，具有填谷功能，節能減排功效倍增。

（3）抽水蓄能電站的工程量和投資等指標優于火電和常規水電。若擬建一座百萬千瓦級常規水電，常有大壩和大型泄洪、輸泄水和導流建筑物，淹沒移民數常以數萬和數十萬人計，而抽水蓄能往往僅以百人或千人計。

3 新形勢下的抽水蓄能

火電出現了超臨界和超超臨界機組，工業發達國家都在競相研發中，我國也在引進消化新技術、新設備。據悉，過去我國中高壓機組的煤耗為500～600kg/kWh，而今亞臨界、超臨界、超超臨界機組可降至300～270kg/kWh，這說明煤耗已削減一半，且機組的壓負荷運行限制幅度可從過去的20%～30%增至50%，這對電網調峰是有利的，在技術上是很大的進步。有人說，火電也有較好的調峰能力，殊不知火電由于壓負荷運行，往往使機組不能在最優或較優工況下穩定運行，對節能減排是不利的。

抽水蓄能是一種較古老的技術，但由于近年來土建開挖填筑技術不斷提高，出現了碾壓式堆石壩、土石壩和碾壓混凝土壩，不但開挖料可作為填筑料的補充，還相應增加了上、下水庫庫容；此外，考慮地下洞室圍巖地應力的襯砌設計的理論、方法都有較大的革新和改進。這些土建、機電等方面的技術進步和革新為簡化工程結構和高水頭蓄能電站的發展作出貢獻。有人說，抽水蓄能4kWh電換3kWh電不合算，殊不知這4kWh電為抽水時所耗用的低谷電，而發出的3kWh電在峰荷，其能耗比前面4kWh電的能耗還低，對節約煤耗是有利的。

抽水蓄能作為水電的補充，可使電網中各種類型機組，如火電水電核電機組等都可在較好的工況下平穩運行，可盡量延長上述機組的運行時間和減少啟停次數，節約能耗，減少有害氣體排放，并保證運行安全，作用巨大，在技術和經濟上都是可行和有效的。

風能、太陽能、核能、生物能等可再生新能源將迅速發展，電網更應有足夠的調蓄能力予以支持。可以預期，配置適當容量的抽水蓄能后，可優化電力系統的組成，理順能源可持續發展的構圖，使原本無法充分利用的部分低谷電能，循環更新、變廢為寶，在促進和發展循環經濟和節能減排，改善環境等方面作用巨大。

水電因來水有豐有枯，保證出力一般在20%～30%，而對火電無此類規定。但因燃料供應跟不上需要，火電的出力也受限。如前所述，抽水蓄能有調峰填谷的作用，還有應急事故備用的作用，其替代容量的比值很高。抽水蓄能本身的作用明顯，而且還可相應增加該系統中水、火電機組的出力，可以通過計算知其效益。國內外實踐和分析研究認為，當抽水蓄能占該電網總裝機容量的10% 左右時，可使電網中各種機組均可在各自最優或較優工況下運行，可使各種機組均得益，使水電機組的替代容量增至80%～90%，而火電機組在低谷時也不必進行深度調峰，故增加出力和尖峰發電量的效益十分巨大。

4 抽水蓄能的特殊功能

水利水電發展往往受限于水資源和水能資源，火電受限于礦石資源和有害氣體的排放，核電無調峰能力，而可再生新能源風能、太陽能既不穩定，會隨機跳動，而且有間歇性。在上述電源發展受阻時，如考慮蓄能運行即增設抽水蓄能后，情況往往會有大的改觀，呈現新的發展空間。抽水蓄能的特殊功能闡述如下：

（1）儲存轉換、更新利用、以豐補歉、循環再生。可再生新能源和水電火電發展都離不開其他資源和行業的相互支持、共同提高。抽水蓄能作為水電的補充，可彌補水能資源和能源的不足，使電網中低谷時剩余電能轉換成尖峰時的電能。實質上，其作用相當于使電網中日益增長的、如不用反會帶負面影響的剩余電能轉換成為可再次利用的電能，和再生能源一樣，再次使用。這樣，水利水電和其他資源通過抽水蓄能和電網載體可以和諧共處，共謀發展，形成可持續發展的循環機制，如圖1所示。低谷抽水存入上水庫，可供尖峰時再發電和需要時供水，形成了可持續發展的循環鏈，電和水可重復再生利用。抽水蓄能作為水電的補充可以促進水利水電和能源的可持續發展。如不設抽水蓄能，不能形成循環鏈，阻止了可持續發展，往往只能采用“火電深度調峰”，“水電棄水調峰”或“以水定電”等不合理措施，導致電能和水能的大量流失。

（2）新的發展空間。考慮蓄能運行后，提出以下新途徑：

1）江河入海口水域的開發。利用水下地形修建較長的擋潮閘壩以圍海造地并攔蓄海水，并考慮蓄能運行，荷蘭長達十數公里的EastSchelt閘，不僅對發展沿海灘涂，并對整條河流的水量調蓄都很有好處。我國長江、珠江等海口等正在進行這種研究和設計。

2）江河上游山區河源段的開發利用是又一個新的開發空間。河源段集雨面積一般很小，只能修建小型或中型水利水電樞紐。但從我國和歐美等的經驗，某一小流域面積內有了抽水蓄能的參與，容量會有大幅度的增加，有時會從數萬千瓦增至百萬千瓦。

圖1 通過抽水蓄能形成循環鏈——能源可持續發展構圖Fig. 1 The cycle chain forming by pumped storage—energy sustainable development

3）跨流域引水，跨地區送電。必要時可考慮抽水蓄能，這樣在引水和送電范圍內進行水量及電量調度，使水資源的開發利用達到更高水平。

5 能源發展新形勢下應關注的問題

當前我國火電、水電發展迅猛，已達高潮，由于煤、油和水能資源日趨短缺，預計至2020年它們的進展將減慢，屆時，我國總裝機容量將達約19.34億kW，其中火電、常規水電、風電和核電依次為11.9億、3.45億、1.6億、0.8億kW。至2050年，總裝機容量將達36.3億kW。預計進入21世紀下半葉，風電、太陽能發電和核電等新能源將逐漸成為主力。當前正處于新舊能源交替時期，要針對具體進程關注以下問題：

（1）清潔和可再生新能源開發。核電、風電和太陽能電等的開發利用終將取代日益短缺的火電和水電資源，且它們的資源相對豐富，有可靠的保障能力，可大觀模開發利用。但它們無調峰能力，且風電和太陽能電還有顯著的不穩定性和間斷性，必須有可靠的蓄能措施和足夠的備用容量予以支持。如以水電為主的電網，有調節性能較好的水電，尤其是具有大規模抽水蓄能裝機，可以提供必要的備用容量來應對風力等出力的無規律變化。而以火電為主的電網，只能依靠壓負荷運行，使電能的燃料消耗和排放廢氣增加從而損失風力發電所獲的效益，導致成本增加。故節能減排不能只從某一電站單獨衡量，而是要從整體（全電網）的實效和數據判斷。

（2）節能減排。我國耗能工業、交通、能源等行業飛速發展，散發出的有害氣體總量已居世界前列。此外電網中峰谷差達40%以上，水電比重極低，可調峰電源短缺，不僅影響電網內各種機組的平穩運行和輸電質量，更加劇了有害氣體的排放，已成為重大問題。我國政府對此已制訂了規劃，要繼續大力發展清潔和可再生能源。

（3）優化能源結構。以煤電為主的火電為主導的局面亟需改變，但也不能操之過急。在建設中，清潔和可再生新能源要盡量采用新技術，必要時可通過引進、消化、研發；火電也要逐漸淘汰舊機組，采用新的超超臨界機組。而抽水蓄能作為水電的補充，既可在低谷時作為耗電用戶以抽水蓄能，在尖峰時發電，在優化能源結構中應一并予以考慮。

（4）開發模式和電價。抽水蓄能有獨立開發和聯合開發兩種模式：①在各種火電水電等站點外獨立興建抽水蓄能電站，利用低谷電抽水，峰荷時發電，即填谷削峰功能通過電網載體完成（見圖1）；②因電力體制改革，在某種意義上抽水蓄能與電網已聯為一體。抽水蓄能與某一電廠聯合開發模式，可融蓄能、電網、電廠于一體。

電價如何制訂，是單一制還是二部制，一直困擾著抽水蓄能的發展。合適的分時分項電價有利于抽水蓄能的健康發展。對一般蓄能電站，當峰谷電價一時不易制訂得很合理時，也有擯棄獨立自主經營而采用租賃模式，或聯合開發模式。經實踐證明，后兩種模式都是可行的，對雙方都有利，呈雙贏局面：電網都可以根據需要，安排抽水蓄能進行填谷削峰、調頻調相和事故備用等任務，而抽水蓄能電站無需單獨考慮經濟盈虧問題，化解了制訂電價的難題。以上租賃和聯合開發都有成功實例，天津桃花寺抽水蓄能電站由于地理環境和建設條件優越，是一座較好的聯合開發的范例。

6 結束語

抽水蓄能的大規模發展，有利于清潔能源消納和節能減排，建議：

（1）為應對風能、太陽能、生物能等清潔可再生間歇性能源的迅速興起，電網須有足夠的調蓄能力予以支持，否則過大的峰谷差將影響網內機組的平穩運行。建議配置足夠規模的抽水蓄能等設施，可優化電力系統的組成，理順能源可持續發展的循環機制。應該著重指出：電力系統中各種電源（水電、火電、風電、核電、太陽能發電等）要優化配置，要在技術經濟上作整體考慮，并具體考慮各自機組的運行特性曲線，務求都在較優工況下運行。

（2）優化配置、合理調度。設計、施工、業主等各方視實際情況針對各種能源特點，結合抽水蓄能，對電源組成做優化配置，合理調度運行，這樣消納清潔能源的效果才能在整個電網中體現出來。如核電、風電和太陽能發電等都有它們各自配套要求和設施。

（3）加速修建大、中、小型抽水蓄能站，對高水頭河流梯級水電站可考慮設置或部分改用，或預留可逆式蓄能機組的可能性，否則會給增建和擴建增加很多困難，如美國大古力、胡佛等電站；或事后多次擴建水泵和可逆式機組，或至今還在研究利用下游梯級擴建抽水蓄能的可能性。此外，通過發電和抽水蓄能使上下諸梯級起到聯合調度，可增加總的調蓄作用，對水利水電可持續發展有利。

（4）抽水蓄能規劃選點工作，要做到布局合理、規模適度。在電網中應優先發展一些調節性能顯著的抽水蓄能，上、下水庫選擇有利地形使具有較大庫容。

（5）我國在20年前建成的水電水利工程已大大超出了原定的設計水平年，由于國民經濟的提高，往往顯出水庫庫容和裝機容量和供水要求偏低。我國修建大壩達8萬多座，居世界首位，但水庫總庫容僅約6000億m3，僅為美國和原蘇聯的一半。故建議在新建、改建、擴建中注意考慮增建抽水蓄能和擴大水庫庫容，以增加電網和水庫的調蓄能力。

綜上所述：在當前能源發展新形勢下，可再生新能源等正在興起，并將逐漸取代當前正在發展的火電和水電。在新、舊能源交替的各個時段，要及時考慮各種電能連同抽水蓄能的優化配置、合理調度運行，同時所在電網還必須具備與各種新舊電能相配套的事故備用容量，以保證安全運行并發揮節能減排的預期效果。

[1] 錢正英.中國水利.北京：中國水利水電出版社，1989.Qian Zhengying. China Water Resources. Beijing： China Water Conservancy and Hydropower Press，1989.

[2] 潘家錚，何璟.中國大壩50年.北京：中國水利水電出版社，2000.Pan Jiazheng，He Jing.50 years Chinese Dam. Beijing： Water Conservancy and Hydropower Press，2000.

[3] 曹楚生.抽水蓄能的開發模式和電力的發展.水力發電，2000（5）：1-3.Cao Chusheng. The Development Ways of Pumped Storage Power Plant and the Power Industry Development. Water Power，2000（5）：1-3.

[4] Cao Chusheng. The Ideas and Exploration Path Soft the Retainable Development of China Small and Medium Water Power. China Small Hydropower Hangzhou Conf，2006，4.

[5] 高蘇杰. 抽水蓄能的責任[J]. 水電與抽水蓄能. 2015，1（1）：1-7.Gao Sujie. The Responsibility of Pumped Storage[J]. Hydropower and Pumped Storage，2015，1（1）：1-7.

Pumped Storage Benefits to New Energy Consumption

CAO Chusheng
（Tianjin University / China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co. Ltd. Tianjin 300222，China）

When the operation of hydropower，thermal power，nuclear power and wind power，solar power of the power grids consider combination with the pumped storage station，it will be very beneficial to new energy consumption，energy-saving reduction and environmental protection. But the power grids must have enough storage capacity to deal with the rapid rise of the clean renewable and intermittent energy including wind power，solar power and bioenergy，otherwise large difference between peak load and vale load will affect the smooth running of the power units in the power grids. Therefore distribution sufficient pumped storage station can optimize the composition of the power system and straighten out the cycle mechanism of energy sustainable development.

hydropower； pumped storage； power grids； new energy consumption； sustainable development； energy-saving reduction

TK71

A學科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.001

2017-05-01

2017-05-28