大力發(fā)展抽水蓄能是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的當(dāng)務(wù)之急

張博庭

（中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，北京市 100044）

0 引言

2020年9月，在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，習(xí)近平主席做出了“中國(guó)力爭(zhēng)在2030年前二氧化碳排放達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙碳”）的莊嚴(yán)承諾。[1]

我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這一“雙碳”目標(biāo)？最近國(guó)家能源局剛剛發(fā)布的《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》[2]，與我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有什么關(guān)系？本文的作用和重點(diǎn)，并非是強(qiáng)調(diào)抽水蓄能電站的自然機(jī)理，而是要闡述加速抽水蓄能電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)落實(shí)我國(guó)雙碳目標(biāo)的必要性、重要性和緊迫性。

1 實(shí)現(xiàn)電力“雙碳”是社會(huì)“雙碳”的前提和關(guān)鍵

人類(lèi)社會(huì)實(shí)現(xiàn)零碳“碳中和”的出路在于擺脫對(duì)化石能源的依賴(lài)。從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，實(shí)現(xiàn)百分之百使用可再生能源，才是人類(lèi)的希望所在。然而，目前人類(lèi)大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用水、風(fēng)、光這些可再生能源的渠道主要是發(fā)電。所以，全社會(huì)要實(shí)現(xiàn)“零碳”（碳中和），首先應(yīng)該實(shí)現(xiàn)電力的“零碳”。然后利用“零碳”的電力，不斷地通過(guò)電能替代解決交通、建筑、化工、冶金等其他領(lǐng)域的零碳問(wèn)題。在實(shí)現(xiàn)“零碳”電力的過(guò)程中，水電（包括抽水蓄能）又是唯一一種可以人為調(diào)控的可再生能源，其地位和作用十分特殊[3]。

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍把電力“碳中和”的時(shí)間，定在社會(huì)“碳中和”的前十年到十五年。例如，美國(guó)承諾要在2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，為此，他們要求在2035年就實(shí)現(xiàn)電力“碳中和”[4]。所以，電力“零碳”是社會(huì)“零碳”的前提，不僅是必需的，而且也是世界各國(guó)公認(rèn)的。[5]

由于各國(guó)的能源結(jié)構(gòu)不同，對(duì)于“碳達(dá)峰”的問(wèn)題，電力是否應(yīng)該也提前？國(guó)際上目前沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。但是，我們國(guó)家情況，卻已經(jīng)用事實(shí)證明這一現(xiàn)象的存在。

2009年，由于我國(guó)的煤價(jià)高企，國(guó)內(nèi)煤電企業(yè)普遍虧損，使得電力企業(yè)都不愿意再新建煤電。因此，當(dāng)時(shí)整個(gè)電力系統(tǒng)對(duì)水電、核電以及當(dāng)時(shí)已經(jīng)比較成熟的風(fēng)電開(kāi)發(fā)鼎力支持。雖然后來(lái)因?yàn)?011年日本福島核事故，我國(guó)的核電大發(fā)展沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但是，當(dāng)時(shí)我國(guó)水電、風(fēng)電的大發(fā)展，不僅完全滿足了社會(huì)對(duì)電力增長(zhǎng)的需求，而且還讓我國(guó)在2013年首先實(shí)現(xiàn)電力“碳達(dá)峰”，以及全社會(huì)的“碳達(dá)峰”[6]。

此后幾年，隨著我國(guó)煤電發(fā)電量的減少，我國(guó)的全社會(huì)碳排放也持續(xù)下降。直到2017年由于電力行業(yè)中的煤電發(fā)電量開(kāi)始恢復(fù)增長(zhǎng)，全社會(huì)的碳排放量也就隨著恢復(fù)增長(zhǎng)，終結(jié)了我國(guó)開(kāi)始減碳的大好勢(shì)頭。

這個(gè)“碳達(dá)峰”之后又被逆轉(zhuǎn)，主要是由于2012年前后我國(guó)煤炭行業(yè)由于產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩，開(kāi)始了惡性循環(huán)的煤炭降價(jià)。煤電企業(yè)新建煤電的積極性再次高漲，以及2014年我國(guó)煤電的審批權(quán)下放，大批新建的煤電投產(chǎn)。不過(guò)，我國(guó)首次“碳達(dá)峰”的事實(shí)已經(jīng)證明，電力的“碳達(dá)峰”立刻就帶動(dòng)了社會(huì)的“碳達(dá)峰”。

這一現(xiàn)象似乎也引起了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視。所以，為了如期實(shí)現(xiàn)我國(guó)的“雙碳”目標(biāo)，我國(guó)國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人已經(jīng)專(zhuān)門(mén)為我國(guó)電力行業(yè)的“雙碳”，提出了具體的要求。

如圖1所示為中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本“碳達(dá)峰”到“碳中和”時(shí)間。

圖1 中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本“碳達(dá)峰”到“碳中和”時(shí)間Figure 1 The time node of carbon peak & carbon neutrility in China，USA，EU & Japan

2 總書(shū)記提出電力“雙碳”的關(guān)鍵性指標(biāo)

2020年12月12日，國(guó)家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會(huì)上宣布，到2030年，“風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上”。2021年4月22日，習(xí)近平在北京以視頻方式出席領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)上強(qiáng)調(diào)：中國(guó)將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目，“十四五”時(shí)期嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)、“十五五”時(shí)期逐步減少。

根據(jù)習(xí)主席的指示，中國(guó)工程院的相關(guān)研究認(rèn)為：我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。建議：電力轉(zhuǎn)型經(jīng)達(dá)峰、深度低碳、“零碳”3個(gè)階段。并強(qiáng)調(diào)：在目前的達(dá)峰階段（2021～2030），應(yīng)該實(shí)現(xiàn)“新增電力需求，將全部由清潔能源滿足?！盵7]

3 如何確保電力“雙碳”的指示得到落實(shí)

3.1 我國(guó)非水可再生能源發(fā)電的現(xiàn)狀和前景

我國(guó)當(dāng)前的風(fēng)、光裝機(jī)容量總共才5億多千瓦。然而，為滿足這5億多千瓦風(fēng)、光裝機(jī)容量的入網(wǎng)，我國(guó)現(xiàn)有除風(fēng)、光外的約16億kW裝機(jī)容量（其中，11億kW為煤電）幾乎都要為風(fēng)電、光伏的入網(wǎng)提供調(diào)峰服務(wù)保障。接下來(lái)不到十年，我國(guó)風(fēng)、光的裝機(jī)容量要增加近1.3倍，然而，相應(yīng)其他各類(lèi)電源顯然都不可能再同比例地增加。

此外，根據(jù)研究預(yù)測(cè)，如我國(guó)要如期實(shí)現(xiàn)“碳中和”，2050年我國(guó)的風(fēng)、光裝機(jī)容量必須要超過(guò)50億kW[8]。因此，為滿足如此大規(guī)模的風(fēng)、光裝機(jī)容量的入網(wǎng)需要，我們非常有必要大力發(fā)展專(zhuān)門(mén)作為儲(chǔ)能用的電源。

3.2 各種發(fā)電形式接納新能源發(fā)電的能力估算

3.2.1 煤電

假設(shè)某電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷的波動(dòng)范圍是上下30%。煤電機(jī)組的壓負(fù)荷穩(wěn)定的極限是40%。那么，我們就要在用煤電調(diào)峰的電網(wǎng)中，建設(shè)130萬(wàn)kW的煤電機(jī)組。因?yàn)?，新能源的隨機(jī)性可能會(huì)在某一時(shí)段是出力為零。而這130萬(wàn)kW的煤電機(jī)組全都把負(fù)荷都?jí)旱阶畹偷臅r(shí)候，也要出力52萬(wàn)kW。這時(shí)候，如果要想保障新能源發(fā)電的全額入網(wǎng)，那么我們只能建設(shè)（70kW減去52kW）18萬(wàn)kW的新能源機(jī)組。綜合起來(lái)看，每百萬(wàn)千瓦的煤電機(jī)組，最多也只能保證14萬(wàn)kW（18/130≈14/100）的新能源入網(wǎng)。

3.2.2 煤電靈活性改造

假設(shè)進(jìn)行煤電機(jī)組的靈活性改造之后，煤電壓負(fù)荷可以穩(wěn)定在20%。那么，130萬(wàn)kW煤電機(jī)組的最低負(fù)荷是26萬(wàn)kW，可以保障的新能源裝機(jī)容量為44萬(wàn)kW，（44/130≈34/100）這樣改造后每百萬(wàn)煤電的最大調(diào)峰能力接近34萬(wàn)kW。因此，每百萬(wàn)千瓦煤電改造所增加的調(diào)峰能力大約為20萬(wàn)kW。[9]

3.2.3 水電、氣電

水電、氣電等可以壓負(fù)荷到0，是隨時(shí)可以啟動(dòng)的優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源。同樣，假設(shè)電網(wǎng)峰谷負(fù)荷的波動(dòng)范圍是上下30%，水電、氣電機(jī)組的壓負(fù)荷的極限是0。那么，我們也要在電網(wǎng)中建設(shè)130萬(wàn)kW的水電（氣電）機(jī)組。在低谷時(shí)期電網(wǎng)的最低的負(fù)荷為70%時(shí)，我們可以保證70萬(wàn)kW的新能源機(jī)組入網(wǎng)。這樣用水電、氣電調(diào)峰的電網(wǎng)，保證新能源入網(wǎng)的極限就是70/130（大約為54%）。

3.2.4 抽水蓄能（包括化學(xué)儲(chǔ)能）的調(diào)峰能力

若裝機(jī)容量為130萬(wàn)kW，可調(diào)節(jié)保證200萬(wàn)kW的新能源入網(wǎng)。假定低谷時(shí)新能源滿發(fā)，經(jīng)抽水蓄能調(diào)節(jié)后可滿足負(fù)荷70萬(wàn)kW。當(dāng)高峰新能源不發(fā)電時(shí)，抽水蓄能滿發(fā)，能滿足130萬(wàn)kW的高峰用電。所以，200/130≈1.54。不過(guò)，由于抽水蓄能的精準(zhǔn)調(diào)度難度很大，因此，在實(shí)際中往往未必總能達(dá)到抽水蓄能調(diào)度的理想狀態(tài)。所以，抽水蓄能的調(diào)峰能力通?？梢员硎緸?00%～154%。

這樣，各種傳統(tǒng)電源可接納新能源的調(diào)峰能力分別為：煤電（未改造），14%；煤電靈活性改造 ，20%；水電、氣電，54%；抽水蓄能、化學(xué)儲(chǔ)能，100%～154%。

需要說(shuō)明的是，由于我國(guó)水電的龍頭水庫(kù)建設(shè)滯后，導(dǎo)致我國(guó)水電的季節(jié)性發(fā)電能力差距較大，往往不能像歐美那樣很好地發(fā)揮調(diào)蓄作用。歐洲的庫(kù)容系數(shù)是0.9多，美國(guó)的庫(kù)容系數(shù)是0.66，我們國(guó)家才為0.35左右。水庫(kù)調(diào)節(jié)能力的不足，不僅威脅國(guó)家的水安全，也威脅著我國(guó)的能源安全[10]。目前，我國(guó)的幾大主要水電基地金沙江（龍盤(pán)，未建設(shè)）、大渡河（雙江口，在建）、雅礱江（兩河口，在建）的主要龍頭水庫(kù)，都未能建成投運(yùn)。所以，我國(guó)應(yīng)該加速龍頭水庫(kù)電站的建設(shè)，以保證我國(guó)的水安全和能源安全[11]。

3.3 發(fā)展何種電源最有利于增加新能源入網(wǎng)

目前我國(guó)電網(wǎng)中大約有煤電11億kW（假定其中有一些完成了靈活性改造），水電、氣電總共大約近5億kW，抽水蓄能0.35億kW（含化學(xué)儲(chǔ)能0.032億kW）。這樣計(jì)算下來(lái)，我們能夠保證接納的新能源極限也就是5億多千瓦。也就是說(shuō)，如果我國(guó)目前的新能源裝機(jī)容量要繼續(xù)增加，就必須要增加調(diào)峰能力。

面對(duì)大量的新能源需要入網(wǎng)，我們必須要盡快提高電網(wǎng)的調(diào)峰接納能力，以上各種電源的調(diào)峰作用，已經(jīng)非常明顯地告訴我們，調(diào)峰效率最高的是抽水蓄能（包括化學(xué)儲(chǔ)能），其次是水電、氣電等優(yōu)質(zhì)的常規(guī)能源，最后才是煤電[12]。

不過(guò)，客觀地說(shuō)，由于我國(guó)電力行業(yè)的主流（煤電）是有非常大的話語(yǔ)權(quán)的。因此，以往不僅社會(huì)主流的宣傳論調(diào)，幾乎都是倡導(dǎo)增加煤電的裝機(jī)容量，而且實(shí)際情況也大都是增加煤電裝機(jī)容量來(lái)解決新能源入網(wǎng)的難題[13]。但是，由于最近習(xí)近平主席已經(jīng)給出了“‘十四五’嚴(yán)控煤電，‘十五五’要逐年下降”的指示，所以，再想通過(guò)增加煤電來(lái)滿足新能源入網(wǎng)的路，顯然已經(jīng)走不通了。

然而，即便如此，業(yè)內(nèi)還是有不少人強(qiáng)調(diào)，應(yīng)該把重點(diǎn)放在對(duì)現(xiàn)有的煤電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，從而滿足大量新能源入網(wǎng)的需求。其理由是，“煤電靈活性改造單位千瓦調(diào)峰容量成本為500～1500元，其調(diào)峰的成本要比建抽水蓄能電站低很多?！?/p>

需要指出的是，這種說(shuō)法是有問(wèn)題的。事實(shí)上，每千瓦煤電靈活性改造所獲得的調(diào)峰能力，只有0.2千瓦。所以，煤電改造的實(shí)際費(fèi)用，通常要比新建抽水蓄能更高。此外，如果考慮抽水蓄能的雙向調(diào)峰作用，每增加100kW抽水蓄能可讓電網(wǎng)增加154kW的新能源接納能力。也就是說(shuō)，煤電靈活性改造的實(shí)際調(diào)峰作用還不及抽水蓄能的1/7。所以，即使從經(jīng)濟(jì)上看，通過(guò)煤電靈活性改造增加調(diào)峰能力，也是各種方案中比較昂貴的方式。

3.4 當(dāng)前最高效、最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能還是抽水蓄能

如前所述，提高電網(wǎng)對(duì)新能源接納能力的最優(yōu)方式，顯然是建設(shè)抽水蓄能或者電化學(xué)儲(chǔ)能。不過(guò)，目前我們的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)水平還難以滿足電網(wǎng)大規(guī)模使用的需求。鋰電池技術(shù)雖然成本上已經(jīng)問(wèn)題不大，但其安全性和耐久性還難以滿足大規(guī)模電網(wǎng)的儲(chǔ)能要求，例如，北京的豐臺(tái)儲(chǔ)能電站曾發(fā)生火災(zāi)，澳洲最大的化學(xué)儲(chǔ)能也同樣發(fā)生過(guò)火災(zāi)事故（見(jiàn)圖2）。氫能也是一種很好的儲(chǔ)能方式，不過(guò)目前電解水制氫能的成本還比較高，大規(guī)模的利用也存在著巨大障礙。

圖2 化學(xué)儲(chǔ)能火災(zāi)事故示例Figure 2 Examples of chemical energy storage fire accidents

也許到未來(lái)的某一天，鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)能出現(xiàn)重大突破，解決了安全性和耐久性的致命弱點(diǎn)，或者氫能的儲(chǔ)能成本出現(xiàn)大幅下降。但是，就目前而言，電網(wǎng)中最經(jīng)濟(jì)、最有效的儲(chǔ)能方式，還是抽水蓄能[12]。這也是國(guó)際社會(huì)一致的結(jié)論。

在這種情況下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，國(guó)家能源局最新發(fā)布的《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》對(duì)于我們實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，是多么的必要、重要，多么的及時(shí)。

4 須特別重視常規(guī)水電站蓄能改造

《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》中所提到的常規(guī)水電站的抽水蓄能改造，非常重要[12]。首先，混合式的抽水蓄能對(duì)于服務(wù)新能源非常具有優(yōu)勢(shì)。以往傳統(tǒng)的抽水蓄能主要是為煤電、核電調(diào)峰的，所以，功率大、作用單一純抽水蓄能的優(yōu)勢(shì)非常明顯。不過(guò)如果要是為新能源服務(wù)，有些特點(diǎn)就需要注意。例如，新能源發(fā)電可能由于天氣的變化，偶爾出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間電力短缺，面對(duì)這種局面，純抽水蓄能能不能保證長(zhǎng)時(shí)間的供電，是一個(gè)大問(wèn)題。為此，現(xiàn)在各國(guó)的科技界都在探討“長(zhǎng)時(shí)蓄能”問(wèn)題，事實(shí)上，混合式的抽水蓄能就是一種非常理想的“長(zhǎng)時(shí)蓄能”方式。

其次，現(xiàn)階段由于我們電網(wǎng)中還有大量的過(guò)剩煤電機(jī)組，在很多地方新建抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)性很難予以保證。而由常規(guī)水電站改造的混合式抽水蓄能電站，往往運(yùn)行成本比較低。因?yàn)?，其運(yùn)行人員和送出線路等都可以利用原有水電站的，無(wú)須增加額外費(fèi)用。所以，其經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力肯定會(huì)好于新建的純抽水蓄能電站。

此外，所有水、風(fēng)、光互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)的最后發(fā)展趨勢(shì)，一般都需要加裝抽水蓄能功能，提高整個(gè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)、光的接納能力。龍羊峽是全球水光互補(bǔ)的典型樣板，他們對(duì)常規(guī)水電站抽水蓄能改造的愿望就十分迫切，這其實(shí)非常有代表性。今后所有具備條件的水、風(fēng)、光互補(bǔ)基地，發(fā)展到了一定程度之后，幾乎都會(huì)提出這種要求。再加上我國(guó)的水能資源非常豐富，已開(kāi)發(fā)的梯級(jí)水電站眾多，所以，這種抽水蓄能改造的作用將會(huì)非常巨大。特別是在冬季的枯水期，雖然常規(guī)水電站的發(fā)電能力普遍會(huì)有所下降，但卻是發(fā)揮其抽水蓄能功能的大好時(shí)機(jī)。

總之，“服務(wù)于新能源發(fā)電的隨機(jī)性和不確定性”與“服務(wù)于傳統(tǒng)煤電、核電”的調(diào)峰特點(diǎn)有所不同，對(duì)于前者，混合式抽水蓄能的優(yōu)勢(shì)將會(huì)非常明顯。因此，大家都應(yīng)該非常重視《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》中倡導(dǎo)的常規(guī)水電站抽水蓄能改造工作。

5 結(jié)論

根據(jù)上述的分析，本文得到的結(jié)論主要有3點(diǎn)：

（1）電力“雙碳”是全社會(huì)“雙碳”的前提、關(guān)鍵。

（2）當(dāng)前最高效、最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能方式是開(kāi)發(fā)建設(shè)抽水蓄能電站。

（3）要解決風(fēng)電、光伏等新能源入網(wǎng)的調(diào)峰難題，還須重視龍頭水庫(kù)電站的建設(shè)和常規(guī)水電站的抽水蓄能改造。