抽水蓄能電站潛力分析

戰(zhàn)略與規(guī)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(chǔ)能唯一可行的技術(shù)，可用來(lái)滿足2020年歐盟可再生能源目標(biāo)要求。現(xiàn)有水壩和水庫(kù)可被轉(zhuǎn)換成此模式的水電站而幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)境和社會(huì)產(chǎn)生影響。然而，整個(gè)歐洲還未曾對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的潛力進(jìn)行過(guò)深入探討。這促使各方展開(kāi)合作研究，以開(kāi)發(fā)一種新的評(píng)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(kāi)發(fā)所面臨的障礙等方面研究了抽水蓄能電站在歐洲的開(kāi)發(fā)潛力。

抽水蓄能電站；發(fā)展前景；潛力分析

近年來(lái)，歐洲水電資源已得到充分開(kāi)發(fā)，但抽水蓄能潛力從未得到深入分析。雖然私人公司或地區(qū)或國(guó)家已對(duì)潛在抽水蓄能容量、抽水蓄能轉(zhuǎn)型開(kāi)展研究，但整個(gè)歐洲并未就此展開(kāi)討論與分析。

環(huán)保、場(chǎng)地缺乏和某些社會(huì)認(rèn)可的問(wèn)題限制了常規(guī)水電在歐洲的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)在注意力已轉(zhuǎn)向抽水蓄能電站。

新的抽水蓄能項(xiàng)目受到和常規(guī)水電項(xiàng)目類(lèi)似的限制。然而，由現(xiàn)有水電和非水電水庫(kù)轉(zhuǎn)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(xiàn)有備選水庫(kù)已經(jīng)建成，因此不會(huì)產(chǎn)生新的環(huán)境影響，生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)，任何問(wèn)題已經(jīng)得到緩解。

抽水蓄能作為可再生能源只相當(dāng)于第一次抽水所用的電能，減去15%～30%的循環(huán)效率損失。所以雖然它肯定不會(huì)增加更多的由可再生能源產(chǎn)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(fā)電的能力。

能量存儲(chǔ)為大量吸收可變的可再生電源(如風(fēng)力和太陽(yáng)能)到系統(tǒng)中的3個(gè)主要的選項(xiàng)之一(其他兩個(gè)選項(xiàng)是改進(jìn)的互連電網(wǎng)和更靈活的常規(guī)發(fā)電站)。抽水蓄能電站目前被視為唯一的儲(chǔ)能技術(shù)，它能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)歐盟2020年能源目標(biāo)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(chǔ)能形式，但所需的基建費(fèi)用可能會(huì)非常高，合適場(chǎng)所的可獲性也正在減少。因此，識(shí)別剩余的任何站點(diǎn)是至關(guān)重要的，以便從能力和經(jīng)濟(jì)方面來(lái)選擇最為有利的場(chǎng)地。

在缺少歐洲范圍內(nèi)評(píng)估抽水蓄能潛力的情況下，近來(lái)開(kāi)發(fā)了一種新方法。該方法是在歐洲委員會(huì)的戰(zhàn)略能源技術(shù)信息系統(tǒng)(SETIS)的保護(hù)下，通過(guò)聯(lián)合研究委員會(huì)(JRC)與愛(ài)爾蘭科克大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。目標(biāo)一直是致力于開(kāi)發(fā)基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的方法和模型，來(lái)確定單一水庫(kù)轉(zhuǎn)換成抽水蓄能系統(tǒng)的潛力。然后，評(píng)估這些新項(xiàng)目可能提供給各電力系統(tǒng)的其他能量存儲(chǔ)。該方法已應(yīng)用于克羅地亞和土耳其的案例研究。目前聯(lián)合研究中心已將該模型應(yīng)用到整個(gè)歐洲。筆者認(rèn)為，未來(lái)改進(jìn)的模型可以最小的工作量有效地應(yīng)用于整個(gè)歐盟，從而獲得更準(zhǔn)確的評(píng)估。

2012年發(fā)布了題為“單個(gè)水壩轉(zhuǎn)換的抽水蓄存水電能潛力”的報(bào)告，報(bào)告由歐共體聯(lián)合研究委員會(huì)等研究機(jī)構(gòu)共同完成。

1 抽水蓄能轉(zhuǎn)換

該報(bào)告為轉(zhuǎn)換成抽水蓄能的能力定義了一個(gè)方法。已經(jīng)決定要開(kāi)發(fā)兩種布置來(lái)分析這種方法是否能實(shí)現(xiàn)。

(1) 布置A(TA)。當(dāng)一座水庫(kù)已經(jīng)存在，需要增加第2座水庫(kù)(通常位于較高的海拔)，并配置壓力鋼管和設(shè)備。愛(ài)爾蘭特洛希爾(Turlough Hill)項(xiàng)目是布置A的一個(gè)例子，其中，一個(gè)天然湖泊形成下庫(kù)，而其上庫(kù)則是修建的。

(2) 布置B(TB)。當(dāng)兩座水庫(kù)已經(jīng)存在，且它們之間的距離和高差合適。布置B由兩水庫(kù)之間增加的壓力鋼管以及發(fā)電和抽水設(shè)備組成?，F(xiàn)有天然湖泊可視為兩座水庫(kù)中的一個(gè)，這些水壩可在同一河流上或在平行的河谷內(nèi)。奧地利裝機(jī)480 MW的林貝格(Limberg)Ⅱ號(hào)電廠項(xiàng)目是TB轉(zhuǎn)換的一個(gè)例子。

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

同時(shí)該國(guó)也有一個(gè)強(qiáng)有力的承諾，到2020年可再生能源在總能源消費(fèi)中的份額達(dá)20%。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是該國(guó)有多個(gè)互連電網(wǎng)，電網(wǎng)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(chuàng)造了可以?xún)?chǔ)存周邊國(guó)家風(fēng)力發(fā)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(gè)國(guó)家(運(yùn)行中的大型水壩260座，小水壩413座，并計(jì)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(chǎng)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(guó)只利用了35%的估計(jì)的經(jīng)濟(jì)水電潛能。土耳其政府希望到2020年將水電裝機(jī)容量增加到35 000 MW。此外，政府計(jì)劃到2023年風(fēng)力發(fā)電進(jìn)一步增加至20 000 MW，使土耳其成為一個(gè)理想的抽水蓄能轉(zhuǎn)型國(guó)家。

用布置A和布置B將現(xiàn)有水庫(kù)改造成抽水蓄能電站的決策流程見(jiàn)圖1。首先，必須確定用于轉(zhuǎn)型的所有的地形和物理特性，并對(duì)環(huán)境因素、至受保護(hù)的自然場(chǎng)所的距離和至電網(wǎng)的距離等作出假設(shè)。然后，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)都以一種統(tǒng)一和一致的方式進(jìn)行評(píng)估。

圖1 抽水蓄能轉(zhuǎn)換中需要實(shí)施的決策流程

儲(chǔ)水容量小于100萬(wàn)m3的水壩和發(fā)電裝機(jī)容量小于標(biāo)稱(chēng)容量1 MW的水庫(kù)和水電站項(xiàng)目被排除在研究之外。各種類(lèi)型的大壩都被認(rèn)為適合于轉(zhuǎn)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(kù)之間的距離必須達(dá)到5 km或以上，指標(biāo)性的最小水庫(kù)水面為50 000 m2(布置A需要70 000 m2)。認(rèn)為可能影響潛力開(kāi)發(fā)的其他因素包括：

(1) 一個(gè)新的建設(shè)地點(diǎn)(如壓力鋼管或水庫(kù))200 m范圍內(nèi)存在居住點(diǎn)。對(duì)于布置2(其中兩座大壩已經(jīng)存在)，在居住點(diǎn)200 m范圍內(nèi)應(yīng)該沒(méi)有發(fā)電、抽水和壓力鋼管設(shè)施。

(2) 能量轉(zhuǎn)換點(diǎn)100 m范圍內(nèi)存在交通基礎(chǔ)設(shè)施。

(3) 適合的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施距離非水電大壩超過(guò)20 km。

利用地理信息系統(tǒng)(GIS)形文件為每個(gè)被推薦的國(guó)家建立一個(gè)完整的國(guó)家地圖。數(shù)字地形地圖提供地形信息，但還需要有關(guān)河流和水體、高程數(shù)據(jù)、居住地點(diǎn)、環(huán)境敏感性，以及各種輸電和配電等級(jí)的電網(wǎng)等其他信息。

“國(guó)際大壩委員會(huì)世界注冊(cè)水壩”被認(rèn)為是最全面的數(shù)據(jù)庫(kù)，并被證明是這項(xiàng)研究的主要數(shù)據(jù)來(lái)源。缺少的數(shù)據(jù)段通過(guò)全球的水庫(kù)和大壩(GRanD)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決。然而，在克羅地亞和土耳其只有20%和15%水壩通過(guò)全球的水庫(kù)和大壩(GRanD)數(shù)據(jù)庫(kù)與地理關(guān)聯(lián)，剩余的大壩不得不使用谷歌地圖用人工方法完成數(shù)據(jù)補(bǔ)充工作。這是一個(gè)費(fèi)時(shí)的工作，雖然慎之又慎，但數(shù)據(jù)仍然可能有誤。

遙感高程數(shù)據(jù)取自由航天飛機(jī)雷達(dá)測(cè)繪的地形數(shù)據(jù)庫(kù)?？肆_地亞和土耳其的電力基礎(chǔ)設(shè)施地理信息系統(tǒng)(GIS)形文件無(wú)法獲得。雖然地圖是研究全球能源網(wǎng)絡(luò)獲得，但對(duì)于這項(xiàng)研究來(lái)說(shuō)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(wàn)m3以上大壩水庫(kù)有23座，所有這些都是通過(guò)GIS模型進(jìn)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?？肆_地亞的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，布置B的站點(diǎn)在這些制約條件下沒(méi)有解決辦法。彼此相距5 km范圍內(nèi)的任何兩水壩之間的高差都沒(méi)有達(dá)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(duì)布置B采用11 km的間隔距離。

在克羅地亞共有13個(gè)很有希望適合布置方案A的站點(diǎn)，其蓄能量高達(dá)60 GW·h。雖然研究存在局限性，但可得出結(jié)論，這個(gè)國(guó)家將現(xiàn)有壩庫(kù)轉(zhuǎn)換成抽水蓄能電站的潛力至少是現(xiàn)有的抽水蓄能電站容量的3倍。

根據(jù)分析，在土耳其共有612座水庫(kù)庫(kù)容大于100萬(wàn)m3，絕大多數(shù)大壩是在海拔0～400 m和801～1 200 m之間。自然保護(hù)區(qū)被排除以前，總共有448個(gè)潛在的布置A站點(diǎn)，其蓄能量達(dá)4 372 GW·h?？紤]環(huán)境的制約，總量降至444個(gè)潛在站點(diǎn)，損失儲(chǔ)能量555 GW·h。

在布置B分析中(含自然的保護(hù)區(qū))，612座水壩只有兩個(gè)潛在的站點(diǎn)，平均水頭294 m，儲(chǔ)能量304 GW·h。

3 抽水蓄能開(kāi)發(fā)所面臨的障礙

根據(jù)現(xiàn)有的和潛在的站點(diǎn)之間的水頭差和距離、擬建的第2座水庫(kù)周?chē)匦蔚钠教钩潭群偷?座水庫(kù)容積，采用研究中開(kāi)發(fā)的模型，確定轉(zhuǎn)換站點(diǎn)。模擬中還施加了關(guān)于建設(shè)新水庫(kù)涉及居住站點(diǎn)等方面的限制。然而，該模型無(wú)法根據(jù)地質(zhì)及水文條件分析潛在的站點(diǎn)，地質(zhì)和水文條件這兩者可能是抽水蓄能發(fā)展的潛在障礙。事實(shí)上，以下因素都被認(rèn)定為發(fā)展的可能障礙：

(1) 地質(zhì)。對(duì)每個(gè)潛在轉(zhuǎn)換站點(diǎn)都需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)分析，以評(píng)估轉(zhuǎn)換成抽水蓄能電站的可行性。地下壓力水管的建設(shè)也可能受地質(zhì)條件的限制。

(2) 水文。在可能的轉(zhuǎn)換站點(diǎn)處或其附近缺乏地表水可能是一個(gè)潛在的障礙。現(xiàn)有水庫(kù)的水文分析是必要的，以確定水的供應(yīng)量和水位是否有季節(jié)性變化。在氣候干旱的區(qū)域或國(guó)家，如南歐，這是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。例如塞浦路斯的水壩很少能蓄水到滿庫(kù)，甚至很少接近滿庫(kù)，其尺寸會(huì)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(kù)將提高高峰雨季儲(chǔ)存的水量。然而，在此期間，水庫(kù)不能被用于抽水蓄能，但可作為永久性蓄水。

任何現(xiàn)有的或新的水庫(kù)也需要進(jìn)行來(lái)水中泥沙推移質(zhì)評(píng)估，水庫(kù)隨著時(shí)間的推移逐漸淤積，水庫(kù)體積減少可能會(huì)造成問(wèn)題。抽水蓄能電站也不能使用全部現(xiàn)有庫(kù)容，否則淤泥和雜物將被抽到水泵水輪機(jī)中。

(3) 基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)交通運(yùn)輸和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的分析，需要關(guān)注抽水蓄能站點(diǎn)區(qū)內(nèi)的道路是否能支持高流量的交通和重型建筑機(jī)械。

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施可能還需要升級(jí)，提供雙向電流，以便既能抽水又能發(fā)電。對(duì)于非水電大壩電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施要更詳細(xì)查看。例如要考慮的問(wèn)題包括靠近變電站的程度和備用容量的可獲性，以及升級(jí)任何容量不足的變電站的可行性等。

(4) 經(jīng)濟(jì)?；ㄙM(fèi)用的不確定性可能會(huì)阻礙轉(zhuǎn)型。抽水蓄能電站項(xiàng)目的基建費(fèi)用有很大的可變性。由于這種項(xiàng)目的勞動(dòng)力和材料密集度很高，基建費(fèi)用差異很大，與具體的站點(diǎn)和國(guó)家有關(guān)。

新技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)克服一些障礙。無(wú)級(jí)調(diào)速、可逆式水泵水輪機(jī)會(huì)增加計(jì)劃建設(shè)的抽水蓄能設(shè)施操作的靈活性，裝備將更優(yōu)良，以支持可變的可再生能源發(fā)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(jí)水庫(kù)使用)，將開(kāi)拓更多數(shù)量的潛在站點(diǎn)。目前世界上正在運(yùn)行的唯一的這類(lèi)電站是日本沖繩裝機(jī)30 MW的示范電站。也有人提出使用地下洞穴作為下水庫(kù)抽水蓄能，如果成功，采用這種方案就能消除與興建水庫(kù)有關(guān)的任何環(huán)境問(wèn)題。

作者根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)在報(bào)告結(jié)尾部分指出，此次模擬實(shí)踐是基于一個(gè)或兩個(gè)現(xiàn)有的水壩識(shí)別和量化歐洲國(guó)家抽水蓄能潛力的首次嘗試。然而，也應(yīng)該承認(rèn)，這種模擬實(shí)踐屬于研究領(lǐng)域，其結(jié)果可能與一個(gè)實(shí)際的項(xiàng)目可行性研究所需要的明確性和精度尚有幾個(gè)階段的差距。作者認(rèn)為這是重要的，研究的最終目標(biāo)應(yīng)該是雙重的。

(1) 為決策過(guò)程提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

(2) 為項(xiàng)目所涉及各方(如政府機(jī)構(gòu)空間規(guī)劃部門(mén)、工程公司和抽水蓄能電站開(kāi)發(fā)商)降低轉(zhuǎn)換成本。

2012年4月，作為對(duì)該研究報(bào)告的一項(xiàng)后續(xù)研究工作，聯(lián)合研究中心(JRC)組建了一個(gè)專(zhuān)題研究小組，30多名專(zhuān)家參加，目的在于：

(1) 驗(yàn)證聯(lián)合研究中心的方法和模型。預(yù)期的結(jié)果是對(duì)提高該方法的有效性提出種種建議，重點(diǎn)是采納的方法、使用的軟件和數(shù)據(jù)源、多標(biāo)準(zhǔn)的因素、成本計(jì)算方法、敏感性分析和預(yù)期輸出。

(2) 解決成員國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)可用性和數(shù)據(jù)收集的問(wèn)題，因?yàn)槁?lián)合研究中心的意圖是將該方法應(yīng)用于歐盟和挪威。

(3) 讓利益相關(guān)者分享和傳播該方法。

一份題為“抽水蓄能潛力評(píng)估”的報(bào)告，包括建議和數(shù)據(jù)源，這些資料可供對(duì)利用GIS的方法評(píng)估抽水蓄能潛力感興趣的任何個(gè)人或組織使用。

報(bào)告中包含了改進(jìn)該方法的各種建議。其中包括潛在的抽水蓄能站點(diǎn)的篩查方法的分析。例如，最小水庫(kù)規(guī)模100萬(wàn)m3的規(guī)定被認(rèn)為不合適，因?yàn)橛性S多庫(kù)容小于這一數(shù)值的水庫(kù)可以產(chǎn)生更多的水電發(fā)電量。有人提議初始臨界值變化范圍為50萬(wàn)～100萬(wàn)m3。兩座水庫(kù)之間的水平距離5 km也被認(rèn)為是過(guò)于嚴(yán)格，他們認(rèn)為20 km是更合理的數(shù)字，與兩座水庫(kù)之間的高程差有關(guān)。提案還建議使用最小水頭20～200 m，還可以擴(kuò)展到1 500 m，以避免排除任何可能的站點(diǎn)。

討論建議的GIS文件：

(1) 軟件插件和工具。

(2) 另一個(gè)可供選擇的高程數(shù)據(jù)來(lái)源，如激光雷達(dá)(LIDAR)測(cè)量、軍用大地測(cè)量地圖和數(shù)據(jù)，以及日本航天系統(tǒng)。

(3) 其他湖泊和水庫(kù)數(shù)據(jù)源，如聯(lián)合研究中心流域表征和模擬、歐洲環(huán)境局的歐洲流域及河流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(ECRINS)、歐洲全域地圖(Euro Global Map)，以及歐洲的湖泊、水壩和水庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

建議考慮地質(zhì)數(shù)據(jù)包體的GIS文件增加地層，如檢查該地區(qū)的隧道、礦坑和地震災(zāi)害等的可能性。歐洲環(huán)境局已經(jīng)開(kāi)發(fā)GIS巖層和數(shù)據(jù)庫(kù)，可供抽水蓄能評(píng)估使用。有人建議，也可以用模型得出具體成果，使得用一個(gè)單獨(dú)的工具做進(jìn)一步的成本估計(jì)成為可能。

4 質(zhì)量和詳細(xì)數(shù)據(jù)

研討會(huì)得出，運(yùn)用GIS模型評(píng)價(jià)一個(gè)項(xiàng)目或國(guó)家和區(qū)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(qiáng)度，所需要的數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)以及模型和方法背后的假設(shè)。

克羅地亞和歐洲范圍內(nèi)的評(píng)估在很大程度上依賴(lài)于所采取的假設(shè)。例如敏感度分析表明，將兩座水庫(kù)之間的最大距離擴(kuò)大為5～20 km，則克羅地亞抽水蓄能的理論潛力就要擴(kuò)大到10倍。優(yōu)質(zhì)的和詳細(xì)的數(shù)據(jù)，是實(shí)施這類(lèi)評(píng)價(jià)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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