基于“雙碳”背景的抽水蓄能電站建設(shè)研究

國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司 徐一帆

抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源，與風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、核電、火電等配合效果較好。加快發(fā)展抽水蓄能，是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的迫切要求，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐，是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障。在全球應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)努力實(shí)現(xiàn)“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”目標(biāo)，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新形勢(shì)下，加快抽水蓄能發(fā)展勢(shì)在必行。本文旨在研究抽水蓄能電站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理，探索其在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和碳減排方面的潛力。通過(guò)對(duì)抽水蓄能電站的技術(shù)原理、建設(shè)模式和運(yùn)營(yíng)管理等方面進(jìn)行深入研究，為推動(dòng)抽水蓄能電站的建設(shè)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 抽水蓄能電站建設(shè)的重要性

1.1 可再生能源發(fā)展的挑戰(zhàn)和需求

第一，技術(shù)挑戰(zhàn)?？稍偕茉醇夹g(shù)的研發(fā)和應(yīng)用仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，例如太陽(yáng)能和風(fēng)能的不穩(wěn)定性，能源轉(zhuǎn)換效率的提升以及能源儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展等。需要進(jìn)一步的研究和創(chuàng)新來(lái)提高可再生能源的效率和可靠性。

在光伏板晶硅材料方面，傳統(tǒng)的電子—空穴模式在僅考慮輻射作用下，P-N 結(jié)太陽(yáng)能電池效率理論極限為30%。而以鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為首的一批新材料由于其微觀(guān)鹵素八面體結(jié)構(gòu)，使其在光照輻射作用下，一個(gè)光子可以產(chǎn)生多個(gè)電子—空穴對(duì)，其理論轉(zhuǎn)化效率可以高達(dá)44%，這使鈣鈦礦極有可能成為光伏組件的未來(lái)。但在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化道路上，還同時(shí)面臨著4個(gè)主要挑戰(zhàn)。一是穩(wěn)定性和耐用性。鈣鈦礦對(duì)氧氣和水分特別敏感，它們會(huì)干擾晶體中的鍵，阻止電子有效地穿過(guò)材料，也導(dǎo)致鈣鈦礦組件的性能保證期普遍較短，這需要開(kāi)發(fā)反應(yīng)性較低的鈣鈦礦配方，或?qū)ふ腋玫陌b方法。而目前國(guó)內(nèi)的集中式光伏發(fā)電市場(chǎng)，大面積使用的硅電池都有25年或30年的質(zhì)保期，鈣鈦礦組件顯然還無(wú)法達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。不過(guò)在幾年的時(shí)間里，鈣鈦礦的穩(wěn)定性也處于快速發(fā)展期，從最初的幾分鐘提高到幾個(gè)月，2021年5月，國(guó)外已經(jīng)有一條10MW 的生產(chǎn)線(xiàn)，他們生產(chǎn)的第一代塑料封裝鈣鈦礦電池，將提供至少有10年的性能保修。二是大規(guī)模的電源轉(zhuǎn)換效率。在小面積實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中，鈣鈦礦光伏電池在功率轉(zhuǎn)換效率上已經(jīng)超過(guò)了幾乎所有的薄膜技術(shù)，并在過(guò)去5年中呈現(xiàn)出快速提升的發(fā)展趨勢(shì)。然而，高效設(shè)備不一定適用于大型集中式光伏電站的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)外目前已有的鈣鈦礦光伏板生產(chǎn)線(xiàn)資料顯示，他們生產(chǎn)的鈣鈦礦組件面板為1m寬，效率僅能達(dá)到10%左右。而尺寸相似的商用硅面板的效率通常大于20%。三是可制造性。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室中并未表現(xiàn)出工藝靈活性，薄膜沉積過(guò)程中環(huán)境溫度的微小波動(dòng)會(huì)顯著影響效率，這與錫基鈣鈦礦組合物有關(guān)，其對(duì)極少的氧氣都極為敏感。使得一條長(zhǎng)時(shí)間的、穩(wěn)定的、95%良率的生產(chǎn)線(xiàn)極難控制，加上國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)鈣鈦礦組件認(rèn)可度暫時(shí)不高，使得很多制造業(yè)廠(chǎng)商望而卻步。四是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前的太陽(yáng)能光伏設(shè)備測(cè)試協(xié)議是針對(duì)現(xiàn)有的主流光伏技術(shù)開(kāi)發(fā)的，而鈣鈦礦與硅片太陽(yáng)能電池截然不同。根據(jù)研究，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行電流—電壓掃描會(huì)產(chǎn)生模棱兩可的效率值，觀(guān)察到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的IV 曲線(xiàn)表現(xiàn)出滯后行為，不同的掃描方向、掃描速度、光浸泡、偏置都會(huì)產(chǎn)生較大差異，所以對(duì)于主流組件的基于快速I(mǎi)V 掃描的效率報(bào)告已不適用。

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，2023年7月，浙江衢州世界第一座漁光互補(bǔ)鈣鈦礦光伏電站已然高壓并網(wǎng)，這已經(jīng)是近三年來(lái)在浙江衢州鈣鈦礦高壓并網(wǎng)的第5座光伏電站實(shí)例。

第二，經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)能源相比，可再生能源的成本雖然在2019年已經(jīng)在部分省份實(shí)現(xiàn)了平價(jià)上網(wǎng)，但整體造價(jià)仍然較高，限制了其在能源市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。需要降低可再生能源的生產(chǎn)和安裝成本，并加強(qiáng)相關(guān)政策和財(cái)政支持，以促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。

第三，儲(chǔ)能需求。可再生能源的不可控性和間歇性使得能源儲(chǔ)存成為一個(gè)重要的需求。需要開(kāi)發(fā)更有效的能源儲(chǔ)存技術(shù)，如抽水蓄能、電池儲(chǔ)能和氫能儲(chǔ)存等，以平衡可再生能源的供需和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第四，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施需求。擴(kuò)大可再生能源的規(guī)模需要建設(shè)相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，包括風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)、太陽(yáng)能光伏電站和水力發(fā)電廠(chǎng)等。這需要合理規(guī)劃和投資，確保能源的可靠供應(yīng)和傳輸。

以江蘇省為例，2022年江蘇省太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量2508.46萬(wàn)kW，風(fēng)電裝機(jī)容量2254.42萬(wàn)kW，分別占據(jù)江蘇省發(fā)電總裝機(jī)容量的15.53%和13.95%。2022年1月到12月份全省發(fā)電總量5948.98億kW 時(shí)，其中光伏發(fā)電量254.94億kW 時(shí)，同比增長(zhǎng)30.53%，風(fēng)電發(fā)電量512.83億kW 時(shí)，同比增長(zhǎng)23.37%。以新能源滲透率為指標(biāo)，江蘇省太陽(yáng)能和風(fēng)電發(fā)電量占全省能源消耗的12.88%，在12.88%的滲透率下，網(wǎng)側(cè)需要火電接受靈活性，與新能源配合調(diào)峰，對(duì)電網(wǎng)整體管理要求較高。根據(jù)瓦錫蘭公司2021年發(fā)布的《電力系統(tǒng)優(yōu)化白皮書(shū)（2020）》中對(duì)江蘇電網(wǎng)的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2030年，江蘇省區(qū)外來(lái)電比例26%，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電比例最高能達(dá)到30%。這使江蘇省網(wǎng)架構(gòu)提前布局配套儲(chǔ)能參與調(diào)峰刻不容緩。因此總投資6億元，并于2018年7月正式并網(wǎng)投運(yùn)的江蘇省鎮(zhèn)江101MW/202MWh 電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目屬于電網(wǎng)配套的一次超前嘗試，電站主要面向電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行，能夠滿(mǎn)足區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、應(yīng)急響應(yīng)、黑啟動(dòng)等應(yīng)用需求。

目前，僅西藏、云南省、四川省、青海省、湖北省五個(gè)省份全年火電發(fā)電量占比低于50%，排除水電大省，青海省2022年太陽(yáng)能和風(fēng)電發(fā)電量已占全省總發(fā)電量的42.9%，這對(duì)電網(wǎng)架構(gòu)提出了更高的要求。如何提高光伏電站和風(fēng)電電站的電網(wǎng)友好性，降低新能源引發(fā)電網(wǎng)安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，將成為這些省份未來(lái)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施面臨的一大難題。

第五，環(huán)境保護(hù)需求。可再生能源的發(fā)展需要充分考慮環(huán)境保護(hù)，避免對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境造成負(fù)面影響。需要制訂相關(guān)政策和監(jiān)管措施，確?？稍偕茉吹目沙掷m(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

1.黨建要為提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力服務(wù)。在社會(huì)主義初級(jí)階段，黨的基本路線(xiàn)是以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心，而作為經(jīng)濟(jì)組織，生存、贏利和發(fā)展是企業(yè)的理性目標(biāo)。因此，企業(yè)黨建工作必須把保證促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力作為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。中央企業(yè)通過(guò)黨組織需發(fā)揮自身的政治核心作用以及黨員的先鋒模范作，使黨建工作與央企的市場(chǎng)化管理相接軌，進(jìn)而確保央企經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)黨建為經(jīng)濟(jì)服務(wù)的價(jià)值目標(biāo)。

1.2 抽水蓄能電站的碳減排效益

第一，零排放。抽水蓄能電站通過(guò)利用水的高低水位差來(lái)產(chǎn)生電力，其運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)排放任何二氧化碳和其他溫室氣體，是一種零污染的能源利用方式。相比于化石燃料發(fā)電廠(chǎng)，抽水蓄能電站可以顯著減少溫室氣體的排放，有助于應(yīng)對(duì)氣候變化。

第二，能源存儲(chǔ)與調(diào)峰。抽水蓄能電站具備儲(chǔ)能能力，可以將電力儲(chǔ)存起來(lái)，待需求高峰時(shí)釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)電力的平衡供應(yīng)。這對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度和穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，能夠提高電力系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

第三，降低火電廠(chǎng)運(yùn)行。抽水蓄能電站的儲(chǔ)能特性可以在電力需求低谷時(shí)負(fù)荷儲(chǔ)存電力，減少對(duì)傳統(tǒng)火力發(fā)電廠(chǎng)的依賴(lài)。通過(guò)降低火電廠(chǎng)的運(yùn)行時(shí)間，可以減少燃煤和燃?xì)獾南?，進(jìn)而減少二氧化碳和其他污染物的排放。

1.3 抽水蓄能電站在能源轉(zhuǎn)型中的作用

第一，儲(chǔ)能與平衡供應(yīng)。抽水蓄能電站具備儲(chǔ)能能力，可以將電能儲(chǔ)存起來(lái)，待需求高峰時(shí)釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)電力的平衡供應(yīng)。在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中，隨著可再生能源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的不斷增加，其間歇性和不穩(wěn)定性成為挑戰(zhàn)。抽水蓄能電站通過(guò)儲(chǔ)能能力，能夠彌補(bǔ)可再生能源供應(yīng)的不足，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

第二，引導(dǎo)可再生能源發(fā)展。抽水蓄能電站與可再生能源發(fā)電設(shè)施相結(jié)合，可以解決可再生能源的間歇性問(wèn)題。當(dāng)可再生能源供應(yīng)過(guò)剩時(shí)，多余的電力可以用于抽水儲(chǔ)能；而在可再生能源供應(yīng)不足時(shí)，可以通過(guò)釋放儲(chǔ)存的水能發(fā)電。抽水蓄能電站的引入，促進(jìn)了可再生能源的發(fā)展和利用，加速了能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

第三，調(diào)峰和應(yīng)急響應(yīng)。抽水蓄能電站的儲(chǔ)能特性使其具備調(diào)峰和應(yīng)急響應(yīng)的能力。當(dāng)電力需求波動(dòng)較大或出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，抽水蓄能電站可以迅速釋放儲(chǔ)存的水能發(fā)電，平衡電力供需，穩(wěn)定電力系統(tǒng)。這種調(diào)峰和應(yīng)急響應(yīng)的能力對(duì)于提高電網(wǎng)的可靠性、應(yīng)對(duì)突發(fā)情況和提供緊急備用能源至關(guān)重要。

抽水蓄能電站在能源轉(zhuǎn)型中的上述三點(diǎn)作用，使得在華東、華北等負(fù)荷中心和以新能源為主要電源的西部大型新能源基地周邊，建設(shè)抽水蓄能電站成為可行性論證的重要方向。

抽水蓄能電站如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站

2 抽水蓄能電站的運(yùn)營(yíng)管理

制訂科學(xué)的運(yùn)營(yíng)策略，包括運(yùn)行模式、調(diào)度計(jì)劃和維護(hù)計(jì)劃等方面。這些策略應(yīng)該考慮電站的產(chǎn)能、供電需求以及市場(chǎng)變化等因素，以確保電站的運(yùn)行符合電力系統(tǒng)的需求。隨著外部能源市場(chǎng)的不斷變化，包括電價(jià)波動(dòng)、政策調(diào)整和新能源技術(shù)的發(fā)展，抽水蓄能電站需要靈活的運(yùn)營(yíng)策略來(lái)適應(yīng)市場(chǎng)需求，以確保經(jīng)濟(jì)效益提升和可持續(xù)發(fā)展。

管理機(jī)制方面，應(yīng)建立完善的運(yùn)營(yíng)管理體系，包括運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)、安全管理和環(huán)境保護(hù)等方面。通過(guò)實(shí)施嚴(yán)格的運(yùn)行監(jiān)控和設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問(wèn)題，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和壽命的延長(zhǎng)。安全管理是電站運(yùn)營(yíng)的重要組成部分，應(yīng)建立健全的安全制度和培訓(xùn)體系，確保工作人員的安全意識(shí)和操作規(guī)范，減少事故風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，環(huán)境保護(hù)也是電站運(yùn)營(yíng)的重要責(zé)任，應(yīng)采取有效的措施，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，保護(hù)水資源和生物多樣性。

此外，電站管理與電力系統(tǒng)的調(diào)度和市場(chǎng)交易也密切相關(guān)，需要與相關(guān)部門(mén)和企業(yè)建立良好的合作關(guān)系，確保電站的運(yùn)行與市場(chǎng)需求相適應(yīng)，參與市場(chǎng)交易，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。這也是目前阻礙抽水蓄能電站發(fā)展的最大問(wèn)題，甚至在電力大發(fā)展的2016年至2020年“十三五”期間，我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)容量剛超過(guò)3000萬(wàn)kW，遠(yuǎn)低于“十三五”規(guī)劃提出的4000萬(wàn)kW 目標(biāo)。

抽水蓄能電站通常承擔(dān)大電網(wǎng)中調(diào)峰和應(yīng)急備用的任務(wù)，需求的波動(dòng)和突發(fā)情況都可能對(duì)電站的運(yùn)營(yíng)造成影響。因此，電站需要進(jìn)行合理的調(diào)度和策略備用，以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求。抽水蓄能電站需要與其他能源設(shè)施和電力系統(tǒng)緊密協(xié)調(diào)運(yùn)行，以平衡能源供需，避免出現(xiàn)電力過(guò)載或供應(yīng)不足的情況。在電力系統(tǒng)的規(guī)劃和管理中，一方面需要考慮抽水蓄能電站扮演的特殊角色及其重要性，另一方面，由于抽水蓄能電站的建設(shè)通常需要長(zhǎng)時(shí)間的可行性研究，對(duì)上下游水庫(kù)選址的審慎性導(dǎo)致報(bào)審流程拉長(zhǎng)，且前期投資大，融資問(wèn)題也是一個(gè)挑戰(zhàn)。同時(shí)，投資者也關(guān)注電站的經(jīng)濟(jì)效益和回報(bào)率，抽水蓄能電站由于長(zhǎng)期充當(dāng)電網(wǎng)特殊角色，成本回收機(jī)制仍不完善，故社會(huì)資本投資欲望低也和電站電價(jià)機(jī)制導(dǎo)致的長(zhǎng)期無(wú)效益運(yùn)行有關(guān)，因此制訂合理的商業(yè)模式和資金籌措計(jì)劃，研究多元化投資回收模式對(duì)抽水蓄能電站的建設(shè)至關(guān)重要。目前，投資建設(shè)抽水蓄能電站的主力軍，仍然是電網(wǎng)公司。

3 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能電站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對(duì)能源挑戰(zhàn)的重要舉措。在實(shí)施過(guò)程中，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理和安全措施均起著至關(guān)重要的作用，保障電站的安全運(yùn)行和可靠性。通過(guò)科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、技術(shù)選型、設(shè)備選擇、運(yùn)營(yíng)策略和安全管理，可以最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)，并為清潔能源的發(fā)展提供支持。然而，抽水蓄能電站的電價(jià)定價(jià)仍無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)資本對(duì)項(xiàng)目效益的追求，只有進(jìn)一步完善抽水蓄能電站的成本回收機(jī)制，才能充分發(fā)揮其在能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)方面的潛力，為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。