關(guān)于“抽水蓄能”的N個為什么

蘇更林

發(fā)展清潔能源是實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵。2021年，風力、光伏發(fā)電量占全社會用電量的比重達到11%左右。然而，風能和太陽能的異軍突起，也對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出了挑戰(zhàn)。這是因為，風能、太陽能等可再生能源具有波動性和間歇性的特點，大規(guī)模風能和太陽能接入電力系統(tǒng)將給并網(wǎng)控制、運行調(diào)度、功率預(yù)測、供電質(zhì)量等帶來嚴重影響。

我國的風能資源集中分布在西部和北部地區(qū)，距中東部用電負荷中心地理跨度很大，要完成大規(guī)模的風電輸送是一個大

課題。而且，風力發(fā)電受制于風力大小，且在無風的時候無法發(fā)電，因此風力發(fā)電具有隨機性和不可控性，這樣就為風電并網(wǎng)帶來了難題。通常情況下，風力發(fā)電在夜間輸出功率會更大一些，而此時恰是用電負荷的低谷。從用電側(cè)來看，其電力負載水平大體上是固定的。如果把具有波動性的風電接入電網(wǎng)勢必會影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并提高電網(wǎng)企業(yè)的運營成本。風電的波動性還會造成電壓的偏差和波動等，進而影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

光伏發(fā)電來源于太陽的光能，而太陽光的間歇性又決定了光伏發(fā)電屬于一種調(diào)節(jié)能力很差的能源。這種間歇性受到季節(jié)變化、晝夜交替以及氣象條件的制約，會對光伏發(fā)電的功率產(chǎn)生很大影響。如果沒有儲能設(shè)備進行調(diào)節(jié)，就會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行以及電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

提高電網(wǎng)對大規(guī)模清潔能源的消納能力，需要建設(shè)高標準的智能電網(wǎng)，并在大規(guī)模儲能技術(shù)方面尋求突破。說起儲能技術(shù)，我們見到最多的要數(shù)化學(xué)電池了，如智能手機、筆記本電腦中的鋰電池，雖說在技術(shù)上已經(jīng)商業(yè)化、在數(shù)量上已具規(guī)模，但在電網(wǎng)規(guī)模上還不具備吸納清潔能源的能力。

實踐證明，抽水蓄能是一個技術(shù)成熟、經(jīng)濟可行的儲能方案。建設(shè)抽水蓄能電站是促進清潔能源規(guī)?；l(fā)展的一個重要組成部分，對于大規(guī)模吸納風能、太陽能等清潔能源，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量具有重要的戰(zhàn)略意義。

抽水蓄能電站也叫蓄能式水電站，作為一種特殊的水電站，它與常規(guī)的水電站不是一回事。說起水力發(fā)電，幾乎沒有人會感到陌生。水力發(fā)電的歷史極為悠久，堪稱電力工業(yè)的先驅(qū)。水電站就是利用水力進行發(fā)電的技術(shù)裝置。因此，發(fā)電是常規(guī)水電站的根本任務(wù)。雖然抽水蓄能也能把水的機械能轉(zhuǎn)化為電能，但其核心價值在于“蓄能”。其實，抽水蓄能電站就是為了解決電網(wǎng)負荷高峰和低谷之間的供需矛盾應(yīng)運而生的?！靶钅堋钡暮x在于，用電低谷時抽水“填谷”，用電高峰時發(fā)電“削峰”。

基于這樣的功能定位，抽水蓄能電站需要建設(shè)上、下兩個水庫，并且兩個水庫中的水可以雙向可控運行，而常規(guī)的水電站一般僅有一個水庫。一般來說，電力的生產(chǎn)和消費是不匹配的。在一天之內(nèi)，白天和前半夜的用電需求會大一些，后半夜的用電需求就會大幅度下降。同樣是一度電，在不同的時段其價值相差懸殊。抽水蓄能則在電網(wǎng)負荷低谷時，利用低谷電把“低位水”提升至“高位水”，等到電力負荷高峰時再用“高位水”進行發(fā)電，從而達到為電網(wǎng)“削峰填谷”的目的。

抽水蓄能電站不同于常規(guī)的發(fā)電站，其服務(wù)功能是基于“電力儲備庫”的基本特征進行定位的。除了“削峰填谷”之外，抽水蓄能還具有調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、系統(tǒng)特殊負荷、特殊用電要求以及黑啟動等功能。這些服務(wù)功能的受益主體不只是抽水蓄能電站本身，而是包括電網(wǎng)、發(fā)電側(cè)（如火電、核電以及新能源企業(yè)等）以及用電戶在內(nèi)的一個復(fù)雜體系。

抽水蓄能的“削峰填谷”功能，有助于提升能源的品位，并把棄能變成寶貝，以確保電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，提升清潔能源的利用水平。同時，利用抽水蓄能調(diào)峰，可以減輕其他電源的調(diào)峰壓力，從而提升系統(tǒng)的效率。

抽水蓄能的調(diào)頻、調(diào)相功能，可以提升用戶側(cè)的電能質(zhì)量。抽水蓄能機組具有啟停迅速、靈活可靠的特點，能夠很好地適應(yīng)系統(tǒng)負荷的劇烈變化，確保供電質(zhì)量。

抽水蓄能作為“電力倉庫”，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中最優(yōu)先調(diào)用的應(yīng)急電源。據(jù)悉，抽水蓄能從啟動到滿負荷只需1、2分鐘，從抽水轉(zhuǎn)到發(fā)電狀態(tài)僅需3、4分鐘。抽水蓄能的緊急事故備用功能，是指抽水蓄能在電網(wǎng)發(fā)生故障和負荷快速增加時，能夠快速做出負荷調(diào)整。抽水蓄能的保證特殊用電要求功能，是指保證重要用電戶的供電可靠性。

抽水蓄能同時又是一類特殊的負荷。抽水蓄能的系統(tǒng)特殊負荷功能，是指抽水蓄能以負荷的身份參與大功率核電和火電的負荷試驗。

為了應(yīng)對大停電事故，需要在電力系統(tǒng)中配置一定規(guī)模的黑啟動電源，即在無外界幫助條件下能夠迅速自啟動的電源。抽水蓄能作為首選的黑啟動電源，可以為極端事故下的電力系統(tǒng)的快速恢復(fù)提供支持。

因此，就“抽水蓄能”的服務(wù)功能來說，屬于電力系統(tǒng)的一種“公共產(chǎn)品”。

抽水蓄能電站因具有多方面的獨特優(yōu)勢而受到人們的重視。然而，從抽水蓄能電站的運行特點來講，它既是電廠又是用戶。所謂電廠，說的是它能夠利用“高位水”進行發(fā)電，并回饋給電網(wǎng)進行“削峰”；所謂用戶，說的是它又是電網(wǎng)的用電戶，即利用低谷電或風、光電的棄能進行抽水，從而把電能轉(zhuǎn)化為水的勢能而儲存起來備用。

在一個運行周期當中，抽水蓄能電站相對電網(wǎng)來說并沒有多貢獻出電能。抽水蓄能電站在輸水、發(fā)電和抽水過程中難免存在或多或少的能量損失，因此放水發(fā)出的電能一定會小于抽水所消耗的電能。這是一個不爭的事實！

我們一般把放水發(fā)出的電能與抽水消耗的電能的比值叫作抽水蓄能電站的綜合效率系數(shù)。這是一個小于1的效率系數(shù)，通常在0.65～0.80。問題是用“4度電換3度電”劃算嗎？這筆賬到底該如何來算？

其實，正如上文說過抽水蓄能屬于電力系統(tǒng)的一種“公共產(chǎn)品”，其受益主體不只是企業(yè)本身，而是電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)。因此用發(fā)電量來衡量抽水蓄能電站的盈虧是一個誤區(qū)。

“雙碳”背景下的清潔能源轉(zhuǎn)型，需要抽水蓄能的保駕護航。在現(xiàn)階段抽水蓄能尚不能完全推向市場的條件下，如何回收成本就成為了抽水蓄能電站能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵點。我國目前實施的“兩部制電價”政策，就充分體現(xiàn)了抽水蓄能服務(wù)功能的價值所在。所謂兩部制電價，指的是電量電價和容量電價。電量電價體現(xiàn)的是抽水蓄能為電網(wǎng)提供的“削峰填谷”服務(wù)的價值。電量電價更多地以競爭性方式形成，從而體現(xiàn)出抽水蓄能谷電抽水、高峰發(fā)電的特性。抽水蓄能通過時空的移動，可以實現(xiàn)低品位能源向高品位能源的躍升。抽水蓄能電站可以通過電量電價來回收抽水和發(fā)電環(huán)節(jié)的運行成本。容量電價體現(xiàn)的是抽水蓄能為電網(wǎng)提供的調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、特殊用電要求以及黑啟動等輔助服務(wù)的價值。按照“誰受益，誰分擔”的公平原則，抽水蓄能電站可以通過容量電價來回收除抽水和發(fā)電運行成本之外的綜合性成本，并獲得合理的收益。

與常規(guī)水電站不同的是，抽水蓄能電站不一定需要沿著河流建設(shè)，但結(jié)合常規(guī)水電站新建、改建或擴建而建設(shè)的混合式抽水蓄能電站除外。

不過，不沿河而建不意味不需要水源保障。盡管抽水蓄能在運行時本身是不需要消耗水資源的，但需要借助一定庫容的水量作為能量載體來進行能量轉(zhuǎn)換和蓄能。因此在選址時應(yīng)考慮抽水蓄能電站首次蓄水，以及后續(xù)水分蒸發(fā)和滲流損失補充的水源保障。

清潔能源的跨越式發(fā)展，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提出了挑戰(zhàn)。2030年，我國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。2035年，我國電力系統(tǒng)最大峰谷差將超過10億千瓦，維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行任務(wù)艱巨，加速發(fā)展抽水蓄能勢在必行。

對于純抽水蓄能電站來說，一般要考慮臨近用電負荷中心，同時臨近經(jīng)濟可靠的電源點。這主要是為了減少受電和送電時的線路輸電損失。在未來，不但用電負荷中心要上抽水蓄能，大型能源基地等也要發(fā)展抽水蓄能。