蓄能運行有利于風電等新能源的可持續(xù)發(fā)展

曹楚生

(1．天津大學，天津 300072;2．水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300222)

1 前言

筆者有幸參與中國工程院海上風電論壇會議，會議上聽取了工程介紹和現(xiàn)場考察，感到東海大橋海上風電示范工程，在開工短短幾年內(nèi)已初具規(guī)模，其中3臺風機已成功投入運行，實令人可喜可賀!參與會議的專家代表對東海大橋海上風電示范工程的宏觀和微觀問題，如設(shè)計科研、建設(shè)施工、風機研制、防腐防雷、成本經(jīng)濟、風險管理、環(huán)境生態(tài)等方面各抒己見。對設(shè)計科研、建設(shè)施工、風機研制、防腐防霉、成本經(jīng)濟、風險管理、環(huán)境生態(tài)以及陸上海上(風電)、國內(nèi)國外、并網(wǎng)和不并網(wǎng)、多元化應用(海水淡化、電化鋁等)、氣候變化等進行探討。此外還提出了一些耐人深思的問題如:會不會發(fā)不出電、聯(lián)不進網(wǎng);集中、分散開發(fā)孰優(yōu);還指出風電存在的隨機不穩(wěn)定和間斷性應設(shè)法予以改進。筆者認為，蓄能運行有利于風電等新能源和整個電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。

2 電能發(fā)展新形勢

我國電能以火電為主，近年已近九成，煤炭石化等能源燃燒后排出的有害氣體因其溫室效應而造成氣候變暖已成為全球重大問題。近些年已制定節(jié)能減排規(guī)劃，除逐步改用潔凈煤等發(fā)電技術(shù)外，還提出一系列發(fā)展清潔能源如水電、核電、風電、太陽能電等的決定。故在優(yōu)化電源組成，積極發(fā)展清潔和可再生能源至關(guān)重要。今將文獻［1］～［4］在這方面發(fā)展和前景分述于下:

1)水電。我國水能資源蘊藏量6．76×108kW，其中可開發(fā)容量3．78×108kW，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(fā)容量等尚會有所增加(增加10% ～20%)。預計 2020，2030，2050 年水電裝機分別為 2．6 ×108kW、3．5 ×108kW、4．5 ×108kW。

2)核電。核電是一種技術(shù)成熟并可取代化石燃料的清潔能源。在發(fā)達國家中曾有起伏，今核能已約占各種電能總和的17%。核電在我國起步晚，僅約占1%，估計到2020年約0．3×108kW。

3)風電。我國年均風速＞6 m/s的面積達66×104km2，按 6～8 kW/km2，可裝機 40×108～50×108kW。當然這種估算可能偏大，但也指出風電資源豐富、發(fā)展前景很好。據(jù)悉我國陸上和近海風電發(fā)展很快，目前已建成風電逾1 000×104kW以上，預測到2020年風電裝機將達0．3×108kW以上。

4)太陽能。我國2/3國土面積日均輻射量＞4 kW·h/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，目前預計至2020年太陽能發(fā)電裝機僅約0．01×108kW。

綜上所述，非水能可再生能源中風電近年進展迅速、前景看好，水電目前尚有較大的開發(fā)空間，一些條件較好的站點都已在修建和籌建中，在10余年內(nèi)將逐漸進入尾聲。

應該指出我國能源隨時間的推移，到2020—2050年我國能源缺口將分別達到18% ～30%［3］，可再生新能源和核電將首次主要承擔起補充上述能源缺口的任務(wù)。由此可見至2050年這些可再生新能源將從目前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(fā)展的主力。總之這些可再生新能源的開發(fā)利用可替代日益短缺的煤、油、氣和水能資源，對節(jié)能減排十分有利，且它們的資源相對豐富，有可靠的保障能力，可大規(guī)模開發(fā)利用。但其中風能和太陽能等都具有顯著的隨機不穩(wěn)定性和間斷性，所在電網(wǎng)必須具有足夠的事故備用容量和可靠的蓄能設(shè)施。

水電火電和可再生新能源等的可持續(xù)發(fā)展，需要通過蓄能運行可使電網(wǎng)中各種能源和諧共處，形成可持續(xù)發(fā)展體系，按各自有利方式平穩(wěn)運行，達到共贏局面，凸顯其節(jié)能的巨大作用。

抽水蓄能歷史悠久已逾百年，對電網(wǎng)調(diào)峰作用明顯，已逐漸得到發(fā)展壯大。尤其在歐美日等工業(yè)發(fā)達國家進展尤為迅猛，抽水蓄能的裝機容量已達常規(guī)水電站的1/3～1，即可逆式抽水蓄能機組最多的已接近或超過常規(guī)發(fā)電機組的裝機容量。

但近20年來由于種種原因，該國等電能結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，煤電核電相對減少，而調(diào)峰性能較好的燃氣輪機、液化天然氣等大量增加，且除抽水蓄能外的其他蓄能設(shè)施也不斷涌現(xiàn)，故相比之下，抽水蓄能在這些國家發(fā)展顯著放緩或停頓［5］。

而我國情況正相反，煤電比重一直居高不下，抽水蓄能仍在持續(xù)發(fā)展中。但當前我國油氣開發(fā)引進、輸送儲存正在大力發(fā)展中，估計在不久未來我國這類調(diào)峰性能較好的電能的使用率亦會增加，情況也會隨之變化。

3 各種蓄能設(shè)施

當水電發(fā)展受水能資源限制，不能與其他電源同步增長，造成電流周波和電壓加大，影響輸電質(zhì)量。

尖峰時缺電，可臨時增設(shè)燃氣輪機等解決，而低谷時多余電所占比重達一定程度后，將會影響電網(wǎng)輸電質(zhì)量，并增加能耗和有害氣體等排放量的增加，使電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展受到阻礙。

抽水蓄能可使電網(wǎng)中各種類型機組如火電、水電、核電等機組都可在優(yōu)良工況下平穩(wěn)運行，可盡量延長上述諸機組的運行時間和減少啟停次數(shù)，節(jié)約能耗，減少有害氣體排放并保證運行安全作用顯著，在技術(shù)和經(jīng)濟上都是可行和有效的。

作為水電的補充，抽水蓄能使水電重新步入了新的境界。水電原本已無新的水能資源以供開發(fā)，但可利用電網(wǎng)低谷無用電能，通過抽水蓄能儲存轉(zhuǎn)換，在尖峰時發(fā)電，使水利水電的發(fā)展起死回生，增加了新的活力。

近20年來我國抽水蓄能電站建設(shè)迅速崛起，已建在建裝機容量約2 000×104kW，而正好在此期間歐美日等國抽水蓄能呈背道而馳，其發(fā)展速度卻顯著放緩。究其原因主要在于電能組成、蓄能設(shè)施和電網(wǎng)調(diào)峰情況不同。發(fā)達國家電能中煤電、核電發(fā)展趨緩或停頓，而油氣電站發(fā)展較快(如圖1所示燃氣輪機、液化氣等)且有較好的調(diào)峰性能。

抽水蓄能常有2種形式:a．發(fā)電－抽水可逆式抽水蓄能機組抽水泵+常規(guī)水電機組組成;b．此外早在國外就還有各種不同的壓縮空氣蓄能和蓄電池等其他蓄能設(shè)施，壓縮空氣蓄能電站常修建在人工開鑿的巖洞或溶洞里，較早的有德國Huntorf和美國Alabama壓縮空氣蓄能電站，裝機容量分別為29×104kW、11×104kW［6］。蓄能設(shè)施和電網(wǎng)調(diào)峰性狀和電能組成是息息相關(guān)的。

近悉美國Utah州擬修建北Eden抽水蓄能電站，為美國停止修建此類電站20年來的首例。該州和我國相似盛產(chǎn)煤炭，燃煤電站占90%，由于風電等發(fā)電不穩(wěn)定并有間斷性，故提出此蓄能電站以增加電網(wǎng)的調(diào)峰能力。該電站水頭為227～283 m，裝機容量70×104kW［7］。今從國外近月新期刊“Waterpower＆ dam construction(14 Oct 2009)”獲悉美國水電協(xié)會(NHA)提出利用新技術(shù)對原有水電機組進行革新改造可增加新出力2 300×104～6 000×104kW和70萬新就業(yè)崗位，并提出應支持水電、抽水蓄能和小水電，制定優(yōu)惠政策和發(fā)展基金。這說明隨著電能組成的改變，抽水蓄能或其他蓄能設(shè)施會應運而生。近些年國外期刊時有報道大力發(fā)展風電信息，據(jù)悉美國VCH公司稱擬至2030年使風電比重從2%激增至20%，近年來我國陸上和海上風電發(fā)展很快，除抽水蓄能外也相應地發(fā)展了一些獨特的蓄電、蓄能設(shè)施。

圖1 通過蓄能運行形成的循環(huán)鏈──能源可持續(xù)發(fā)展結(jié)構(gòu)圖Fig．1 The circuling chain gained from the storagemanagement──the sustainable development sketch

火電在超臨界和超超臨界基礎(chǔ)上又有發(fā)展，目前工業(yè)發(fā)達國家都在競相研發(fā)中，還不斷有新品種出現(xiàn)。我國也在引進消化、迎頭趕上。據(jù)悉我國過去煤耗約500～600 kg/(kW·h)，而今新建大型機組已降低約一半，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(wǎng)運行是有利的，在技術(shù)上是很大的進步。有人說火電也有較好的調(diào)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(yōu)或較優(yōu)工況下穩(wěn)定運行，故這種壓負荷方式的“調(diào)峰”是有代價的。

眾所周知抽水蓄能和其他蓄能設(shè)施的替代容量的比值是很高的，而且還可相應增加該電網(wǎng)中水火電等機組的出力，可以通過計算知其效益。國內(nèi)外實踐和研究認為，當蓄能設(shè)施占該電網(wǎng)總裝機的10% 左右時，可使電網(wǎng)中各種機組均可在各自最優(yōu)或優(yōu)良工況下運行，可使各種機組均得益，使它們在電網(wǎng)中的替代容量增加:a．使水電機組的原來20% ～30%保證出力增至90%左右的替代容量;b．火電機組在低谷時不必進行深度壓負荷運行;c．可很好解決核電和風電等的調(diào)峰問題。故除可替代大量電力外，還有可觀的容量和電量效益，使節(jié)能減排面貌一新。隨著科技進步，蓄能設(shè)施會向多元化發(fā)展。

4 風電等新能源與蓄能配套有利于可持續(xù)發(fā)展

水利水電發(fā)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(diào)峰能力，而可再生新能源風能、太陽能發(fā)電既不穩(wěn)定又有間歇性。在上述諸電源發(fā)展受阻時，如考慮蓄能運行后，具有儲存轉(zhuǎn)換、更新利用、以豐補歉、循環(huán)再生的特殊功能。常用的蓄能設(shè)施:有抽水蓄能可逆式發(fā)電—抽水機組和發(fā)電機組—抽水泵;另有壓縮空氣，蓄電池等蓄電蓄能設(shè)施。我國目前以抽水蓄能為主，以后當向多元化發(fā)展。

可再生新能源和水電火電發(fā)展都離不開其他資源和行業(yè)間的相互支持、共同提高。蓄能運行使電網(wǎng)中低谷時剩余電能轉(zhuǎn)換成尖峰時的寶貴電能。實質(zhì)上其作用相當于使電網(wǎng)中日益增長的、如不用反會帶來負面影響的剩余電能轉(zhuǎn)換成為可再次利用的電能，和再生能源一樣，再次使用。如圖1中粗線顯示，由于增設(shè)了抽水蓄能和其他蓄能設(shè)施，使電網(wǎng)多余電能得以為抽水及蓄能設(shè)施供電。這樣水資源、水能資源和能源可以和諧共處，共謀發(fā)展，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)機制。對促進循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展十分有利。

5 優(yōu)化和建議

抽水蓄能和其他蓄能設(shè)施作為水電的補充和內(nèi)涵時，可發(fā)揮其儲存轉(zhuǎn)換、循環(huán)再生等特殊功能，上述諸新能源、儲存設(shè)施均在加緊籌劃并積極進行，預計不久電網(wǎng)調(diào)峰狀況將大為改觀。

同時我國當前為油氣電站的開發(fā)引進、輸送儲存正在大力發(fā)展中，電能組成正面臨改革。故相應的蓄能設(shè)施也將不斷完善。眾所周知蓄能運行有利于電網(wǎng)調(diào)峰，應盡量使之完善;而電網(wǎng)本身的電能組成亦應盡量使之具有較好的調(diào)峰性能。以上說明蓄能運行和電網(wǎng)調(diào)峰是相輔相成的。為此提出以下建議:

1)優(yōu)化蓄能運行。加速修建抽水蓄能，可以集腋成裘、化廢為寶并有利和諧社會成長［8］，條件成熟時，及時修建前述其他類型的蓄能蓄電設(shè)施。優(yōu)先發(fā)展具有較好調(diào)節(jié)性能的電站，上下水庫通過發(fā)電抽水，可增加總的調(diào)蓄作用。對梯級水電站可考慮設(shè)置、或部分改用、或預留可逆式蓄能機組的可能性。

2)改善電網(wǎng)調(diào)峰。我國當前經(jīng)濟急劇增長，具有調(diào)峰性能的水電因受限于水能資源將不能和其他電能同步增長，除加速修建蓄能電站優(yōu)化蓄能運行外，還應視前述大型油氣儲存庫站和管網(wǎng)設(shè)施等陸續(xù)建成情況，盡快增加燃氣輪機和液化天然氣電站以改善電網(wǎng)自身的調(diào)峰性能。

3)節(jié)能減排。為應對當今火電核電和新能源特別是風電的迅猛發(fā)展，要關(guān)注必需的蓄能配套和緊急事故備用［7，9，10］。由于削峰填谷作用可使各機組都在最優(yōu)工況下運行，對節(jié)約能耗和排污有利。

4)新的開發(fā)空間。我國修建大壩達8萬多座，居世界首位，但水庫總庫容僅約6 000×108m3，僅為美國和前蘇聯(lián)的一半。建議在新建、改建、擴建中注意擴大水庫庫容并可考慮增設(shè)抽水蓄以增加水庫的調(diào)蓄能力和裝機容量。在合適地形條件特別在江河上游山區(qū)及河源段是難得的優(yōu)越的開發(fā)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。但從我國和歐美等國經(jīng)驗看，對某一小流域面積內(nèi)有了抽水蓄能的參與，容量會有大幅度的增加，有時會從數(shù)萬千瓦增至百萬級千瓦。

6 結(jié)語

我國部分城鄉(xiāng)用水用電時有供不應求的現(xiàn)象，雖水利水電進展神速，一些地區(qū)水資源和水能資源已出現(xiàn)開發(fā)殆盡現(xiàn)象，再修建新的工程將受到限制，并影響水利水電的可持續(xù)發(fā)展。甚至有人認為我國水資源和水利水電的開發(fā)利用已瀕臨極限。

由于水電受水能資源限制，不能和其他火電核電等同步增長，可調(diào)峰電源比重日減?？紤]蓄能運行后有利于改善電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、快速爬坡、快速啟停、黑啟動和事故備用等作用明顯。蓄能運行和電網(wǎng)調(diào)峰是相互促進、相輔相成，故還應關(guān)注蓄能蓄電設(shè)施等的改進?，F(xiàn)將文章重點述于下:

1)在當前能源發(fā)展新形勢下，可再生新能源等正在興起并將逐漸部分取代當前正在迅猛發(fā)展的火電和水電。但應該指出上述諸新能源或處于初創(chuàng)或處于萌芽期，據(jù)估計20至30年后才會逐漸進入主導能源，同時相信我國油氣開發(fā)引進、輸送儲存能力達到一定程度時，特別是當上述儲存管網(wǎng)庫站已足以滿足頻繁啟動的燃氣輪機和液化氣等發(fā)電需要，將使調(diào)峰性能為之一新。

2)在此新舊能源交替的各個時段，要及時考慮各種電能連同水利水電和抽水蓄能的優(yōu)化配置、合理調(diào)度運行，同時所在電網(wǎng)還必須具備與各種新舊電能相配套的蓄能設(shè)施和事故備用容量，以保證安全運行并發(fā)揮節(jié)能減排的預期效果。

3)當前國內(nèi)外風電等新能源的快速興起，水電、火電和核電等也將進行相應的改革和發(fā)展，同時還應特別關(guān)注風電與蓄電蓄能設(shè)施配套進行，以確保安全。

4)我國主要江河經(jīng)過建國后60年的治理，水資源和水能資源已基本上或即將開發(fā)殆盡，似已進入山窮水盡無路可走的地步。為此在原開發(fā)的基礎(chǔ)上再考慮蓄能運行可使之步入新的境界，并有利于風電等新能源和整個電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］ 錢正英．中國水利［M］．北京:水利水電出版社，1989

［2］ 曹楚生．Both Pump Storage Plant and Hydropower is Favorable to the Retainable Development of Power Network［C］//聯(lián)合國水電與可持續(xù)發(fā)展會議文集．北京，2004．

［3］ 曹楚生．水利水電的蓄能運行有利于節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展．第十屆中國科協(xié)年會/河南省領(lǐng)導與院士座談會調(diào)研報告集［R］．中國科協(xié)調(diào)研宣傳部，2008．

［4］ Institution of Civil Engineers．Pumped Storage［S］．Thomas Telford，London，1990．

［5］ 邱彬如．世界抽水蓄能電站新發(fā)展［M］．北京:中國電力出版社，2006．

［6］ Rachel W right．Making the most of pumped storage，Inter［R］．Water Power＆ Dam Construction，2009．

［7］ 何 璟．電源的資源條件決定了我國需要大力發(fā)展抽水蓄能［R］．再認識抽水蓄能電站，國網(wǎng)新源控股公司，2006．

［8］ 潘家錚．和諧社會和抽水蓄能［R］．再認識抽水蓄能電站，國網(wǎng)新源控股公司，2006．

［9］ 張彥仲．依靠科技創(chuàng)新建設(shè)節(jié)約型社會．中國工程院節(jié)約型社會項目組［R］．北京，2006．

［10］ 杜祥琬，黃其勵．我國再生能源戰(zhàn)略研究［R］．北京:中國工程院，2008．