我國抽水蓄能行業前景展望

胡雨龍，馬錦彪

（國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064300）

0 引言

隨著國際社會對能源資源和環境保護等問題的日益重視，減少煤炭、石油等化石能源燃燒，加快開發和利用新型能源，已成為全球的普遍共識和戰略行動[1]。我國作為富有責任心的大國，在加快新能源的發展，減少不可再生能源的消耗上做出了巨大貢獻，并堅持不懈地向前探索著。

1 新能源快速發展帶來的問題

近些年來，風能、太陽能為代表的分布式能源飛快發展，大幅提升了非化石能源在我國電網中的消費比重。但此類能源大多受環境因素制約比較大，對電網的出力難以控制，具有分散性與間歇性。由于電能難以大量儲存，電網中同一時間的發電功率需要與負荷保持平衡方能確保電網的安全穩定運行，而分布式能源的出力與電網用戶的消耗難以同步，很多地方甚至出現了棄風、棄光一類的現象。因此需要有儲存電能的方式來調節電網出力與負荷的矛盾，保障電網運行的安全穩定。

2 儲能技術的分類及主要特點

2.1 儲能技術的分類

電能難以直接儲存，目前的儲能技術多是將電能轉化為其他形式的能量儲存，之后在電網需要時再將其他形式的能源轉化為電能。將電能轉化為物理能量的儲能方式可稱為物理儲能，物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等；將電能轉化為化學能的儲能方式可稱為電化學儲能，電化學儲能是通過有化學反應參與的可充電電池來儲存電能。此外還有其他儲能方式，包括超導儲能和超級電容器儲能等，目前因制造成本較高等原因應用較少。

2.2 各種儲能技術特點

抽水蓄能的基本原理是將電能轉化為水的勢能。在電網出力大于負荷，即供大于求時，抽水蓄能機組作為水泵，消耗電能將下池水抽至上池，增加電網的負荷；在電網負荷大于出力，即求大于供時，抽水蓄能機組作為常規水輪機運行，將上池水排入下池并為電網提供電能；進而對電網負荷實現“削峰填谷”的效果。抽水蓄能電站上下水池高度差（即水頭）約40~600 m,并需要具備一定的容量，因此建設抽水蓄能電站對地理條件要求高，前期投入高，建設周期長，并有可能伴隨生態和移民問題。但是抽水蓄能電站建成后容量大，運行壽命長，運行較穩定，儲能效率較高，約為70%~80%。

壓縮空氣儲能是在電網出力大于負荷時消耗電能將空氣壓縮并儲存于密閉的空間內，待到電網負荷高于出力時通過釋放壓縮的空氣推動汽輪機發電。壓縮空氣儲能可大量儲存，使用壽命長，對環境影響小，相對于抽水蓄能對地理條件要求低，發展前景較好。但由于壓縮空氣時會伴隨熱量的釋放，這部分能量目前還難以利用，能量損失較高，經濟性差，儲能效率約30%~40%。

飛輪儲能即將電能轉化為飛輪旋轉的動能，儲存電能則飛輪轉速加快，釋放電能飛輪轉速變慢。此過程變化快，響應速度可達毫秒級，儲能效率高，但儲能容量有限，常用于電網的調峰調頻功能。

電化學儲能是將電能轉化為化學能進行儲存，利用化學元素做儲能介質。根據儲能介質不同可分為鉛酸電池、液流電池、鈉基電池、鋰離子電池等，目前能夠規?；瘍δ艿氖倾U酸電池、鋰離子電池和液流電池。這幾種電池間互有優劣，但相比于物理儲能有一些共同的優缺點。電化學儲能的優勢在于電池儲能電站建設周期短，設計和配置靈活、有能量密度高、綜合效率高（可達85%以上）、受地理條件的限制極小，響應速度快，可達毫秒級并能更精準的控制；電池的技術相對來說不是很成熟，電池的安全性、使用壽命在逐步提升，但與抽水蓄能技術相比仍有不小的差距，且電池老化后的回收檢測再利用會造成不少的額外成本。

超導儲能是利用超導線圈儲存電磁能，由于超導體電阻等于零，因此能量轉化效率極高，幾乎沒有損耗。超級電容器兼具電容器快速充放電和可充電電池能夠儲能的優點，工作中不需要化學反應的參與。超導儲能和超級電容器儲能都具有效率高、響應速度快、壽命長等優點，但成本高昂、容量小和技術上的不完善使其難以規?；鎯δ芰?，目前多用于提高電能質量。

表1 各種儲能技術對比

3 抽水蓄能行業現狀

目前中國儲能仍以抽水蓄能為主，截至2018年9月，全國儲能規模達2 911萬kW，其中，抽水蓄能裝機2 869萬kW，占儲能總裝機比重98.5%；電化學儲能約40萬kW，占比約1.3%。在各類電化學儲能技術中，鋰離子電池占比超過75%[2]。2020年3月,針對“碳達峰”“碳中和”的基本思路和主要舉措,國家明確提出要構建以新能源為主體的新型電力系統。在系統成本下降的助推下,未來隨著光伏發電裝機和發電量占比持續提升,我國的能源清潔化轉型步伐將持續加快,光伏將逐漸成為主力電源。與此同時,儲能作為高比例可再生能源接入條件下增強電力系統靈活性、穩定性的重要手段,與光伏配套發展將成為必然的發展趨勢[3]。相應的，儲能價格機制也在逐步完善中，這有助于在國家政策的方面促進儲能行業的發展與儲能技術的研發。

抽水蓄能電站容量大、度電成本低，是目前我國電網中主要的儲能技術。相較于其他儲能技術，抽水蓄能技術相對成熟，容量大，對于提升電網調峰能力、增強電網穩定性、消納新能源對電網的沖擊有著不可替代的地位。但抽水蓄能技術的成熟只是相較于其他儲能技術而言的，現在的抽水蓄能電站運行中仍有不足之處，許多規程、標準不全，實際運行中大量參考了常規水電廠的相關規程及標準，這在一定程度上制約了抽水蓄能行業的發展。不過我國抽水蓄能行業已經積累了大量的經驗，專業的規程與標準正在逐步完善中。我國在浙江仙居抽水蓄能項目中，實現了抽水蓄能電站發電機、水輪機以及自動控制系統等關鍵技術的國產化，打破了抽水蓄能技術國外壟斷多年的局面，標志著我國抽水蓄能機組在研發制造技術上取得突破并實現了40萬kW級抽水蓄能機組關鍵技術自主化，也說明了我國抽水蓄能技術的日益成熟。隨著技術的發展，抽水蓄能電站的建設對地理條件的要求也在逐步降低，利用海水的抽水蓄能技術也在研究中。

4 分析展望

隨著我國新能源的飛速發展，儲能行業將在維護電網穩定運行、提高電能質量、消納新能源等用途上大放異彩。每一種新型電站的建設、運行維護都需要經驗的積累來完善，抽水蓄能作為目前最可靠的儲能方式有著不可替代的作用及地位。筆者推測，在未來十年中國電網的發展中，儲能技術和新能源將協同規劃與建設,抽水蓄能與電化學儲能將成為儲能行業的主力迎來飛速發展，抽水蓄能仍占據我國儲能總裝機容量的大部分。但抽水蓄能電站建設周期較長，未必能適應我國飛速發展的新能源行業的需求，而電化學儲能發展時間較短，存在運行維護不完善、尚未形成完整可靠的廢舊電池處理流程等問題亟需處理，因此其他儲能技術仍有著巨大的發展潛力。