具有“绿色电池”效应的抽水蓄能电站

1 背景

为了实现欧洲电网电力平衡，拟定了平衡计划，即在今后的几十年内，希望挪威能提供有力的水电支持。为此，一批重要的战略家、规划师及研究人员最近召开了一次会议，针对这一平衡计划所面临的机遇与挑战展开了研讨与辩论，并对挪威南部抽水蓄能资源的实际使用状况及其进一步发展开展了分析研究。

2011年，可再生能源环境设计中心主持召开了一次重要会议后，又于2012年9月再次召开会议，旨在进一步推进贯彻欧洲“绿色电池”设想。经过1 a时间的努力，电力平衡设想变得更加清晰明了。目前需要做的工作是对从环境、社会及政治层面到市场运营等一系列领域开展大量的研究，对于操作层面及基础设施发展方面的障碍，甚至包括最需要的资金问题，都不需要过多顾忌。

尽管电力平衡计划面临许多障碍，但有可能给挪威水电带来约20 GW的潜在好处。尤其是在欧洲将间歇性可再生能源资源作为其能源发展的长期目标之际，将使该计划具有十分重大的意义。

挪威可再生能源环境设计中心主任、挪威科技工业研究院高级研究员A.哈贝曾表示，目前需要做的工作很多，很难简单地按某一个研究领域或某个简单条件来划分先后顺序。

然而，负责帮助欧洲与挪威电网联接的2个主要国家，即德国和英国的一些代表则强烈建议，应重点关注海底及陆地输电电缆的建设。相关负责人指出，新建输电电缆的商业合同应以统一的监管框架为基础，只有这样才能有健康的市场环境。

2 “绿色电池”设想

目前，欧洲大陆一些主要电力资源正在逐步向可再生能源资源转换，以减少碳排放量。这种绿色能源将会面临风能、太阳能自身的不稳定性及间歇性的挑战。这种不稳定性还会影响到电网及发电量的稳定，继而给整个供电系统带来挑战，除非有能够有效维持系统稳定(有时是短时间内)的其他非化石燃料的发电设施。

抽水蓄能电站不仅能在用电高峰期作出快速响应，而且还可以提供越来越多的辅助服务，如调频、黑启动等。这些特点会给能源存储带来一个经典的“时移”现象，即“绿色电池”效应，在用电低谷期，将廉价的电能存储，然后在用电高峰期再将其高价出售。此外，抽水蓄能电站还可吸收电网系统中的任何弃电。

欧洲与挪威面临的挑战是抽水蓄能电站的规模问题。该项计划并非使用传统上单一的抽水蓄能电站来实现上述功能，而是将抽水蓄能电站和水库连成网络，从而形成一个巨大的电池系统。要将这一概念变为现实，挪威或许具有得天独厚的条件，因为它不仅具有丰富的水能资源，而且还位于德国的门户。输电线路借道丹麦将挪威和欧洲大陆联接后，挪威南部大部分流域以及与其相邻流域的电网将会与欧洲大陆电网形成天然平衡，而且还可以充当能源仓库的角色。

最近，挪威科技工业研究院提供了一些报告供与会代表审核。其中包括“挪威与欧洲电力平衡大规模交换的影响分析”和2012年9月发布的“抽水蓄能计划对挪威西部大型湖泊叙尔达尔湖影响范围及程度之模型研究”。

鉴于挪威南部水电资产在今后“绿色电池”系统中将起到关键作用，参加2012年9月会议的代表们，对水能资源丰富而成熟的挪威南部地区的流域状况及开发可能性进行了审核。该项研究由挪威科技工业研究院能源研究所负责实施。

3 平衡问题

在“绿色电池”概念前期推动工作的基础上，2012年5月发布了一份电力平衡报告，旨在重点研究减排可能带来的好处。初步研究结果表明，抽水蓄能电站为保持系统平衡会吸收剩余电量，从而将导致“绿色电池”在工作时的剩余发电量会减少，且当风能、太阳能发电量低于理想状态时，用户的配给需求将会相应减少。在这种状态下，抽水蓄能电站将失去应有的作用。

分析表明，欧洲电力系统的碳排放量会略微减少，虽然其总量依然很大。模型研究显示，到2050年，欧洲大陆年减排量虽然会达到2 700万t，但其年排放量仍将保持在7.34亿t,排放大国将是荷兰、德国及英国。

发电资产转型成为“绿色电池”计划的主要催化剂。到2050年，德国的化石燃料发电量将会减少约11.5 TW·h/a，但其燃气燃煤发电量仍将维持在100 TW·h/a。另外，在电力成本方面，随着各国之间电网传输能力不断提高，预期德国的综合基础设施及交易体系将会充分发挥效率，从而使其电力价格变得更加平等。随着挪威可再生能源开发的不断增加，预期2030～2050年期间的现货电价将会下降。随着并网能力的提高，挪威的电价会上涨，而德国电价则会下降，从而两者的价格差距将会缩小。

4 深入研究

该报告尽管是初步分析，但仍然为进一步研究提出了以下几点参考建议。

(1) 通过对欧洲输电能力和挪威水电系统所作的相对贡献分别进行深入分析，可知输电线路方面的改变，事实上是来自额外的输电能力，这种额外的输电能力使类似英国这些国家可以借道挪威将电力输往德国；另外，瑞典也可以为德国提供电力。当然，这些国家可以不用另外投资兴建发电厂，只需要投资电网即可从现有的抽水蓄能电站中获得收益。通过对相对贡献开展分析研究，可以更准确地计算挪威在欧洲“绿色电池”系统中发挥的实际作用。

(2) 应考虑火电的备用发电功效，尤其是其启停成本。初步分析中虽然不包括火电的减排量，但通过其在“绿色电池”系统中所占减排比例，就可进一步量化挪威抽水蓄能电站能给欧洲带来的利益。

(3) 网络模型需要更多复杂的节点。在以前的模型中，每个国家仅有单一的节点，一个节点对应一座水库及抽水蓄能电站，结果导致模型不够灵敏，而且不支持对发电与抽水开展同步分析，这种情况在真实的系统运行中确实存在。因此，在采用网络模型作进一步分析时，建议每个国家都要采用数种模式，而挪威则需要运用最复杂的网络模型。

(4) 建立复杂的模型需增加水库水位测量次数。欧洲多区域电力市场模拟系统是一个模型分析系统，历史上主要用于电力系统的季节性蓄水分析。在高级电力平衡系统中，水库运行网络需要更频繁地收集水库水位数据，以获得更多的变量。

(5) 预测碳减排量要依赖于各国电力资产组合的发展状况。燃煤、燃气在电力生产中所占比重及相互关系对碳减排量的计算起着决定性作用，另外，二氧化碳的假定补贴价格也影响着碳减排量的计算。因此，建议在分析碳减排量时，应考虑各种资产组合情况及不同的价格补贴方案。

5 南部的有利条件

挪威科技工业研究院的研究报告显示，在挪威现有水资源开发状态下，将其电力生产增加20GW在技术上是可行的。分析认为，利用挪威南部水能资源兴建一些水电站和附属设施及隧洞，可以极大地提高装机容量。报告中包含以下2种方案。

(1) 第1种方案是修建12座水电站，总装机容量为11.2 GW(见表1)。

表1 新建常规水电站及抽水蓄能电站(方案1)

(2) 第2种方案是修建7座水电站，总装机容量为13.6 GW(见表2)。

表2 新建常规水电站及抽水蓄能电站(方案2)

在研究报告中，将第1种方案列为主要方案。

报告中还补充说，抽水蓄能系统可以提高总装机容量，并可将其稳定在18.2 GW。然而，针对其优势，从某种程度上来说，是通过水库出水流量增大时所产生的可用电量来达到的平衡(见表3)。但就技术可能性而言，在挪威南北地区同时新建水电站，可以使总装机容量达到20 GW。

表3 新建常规水电站及抽水蓄能电站(方案3)

在主要方案中，额外发电资产包含5座装机容量为5.2 GW的抽水蓄能电站和7座常规水电站。这5座抽水蓄能电站是滕斯塔德(1.4 GW)、克维尔达尔(1.4 GW)、廷湖(1 GW)、蒂索(700 MW)及赫伦(700 MW)。

常规水电站中最大的2座是约森峡湾和吕瑟博滕水电站，装机容量均为1.4 GW。另外4座是奥克斯拉、叙锡马、艾于兰及蒂因湖水电站,装机容量均为700 MW。最小的是迈于朗厄尔峡湾水电站,装机容量为400 MW。

为滕斯塔德抽水蓄能电站研制了2种方案，经审核后，确定的主要方案，是将在现有的叙尔达尔湖水库(下库)和内斯杰恩水库(上库)之间新修一条隧洞。

为克维尔达尔电站设计的主要方案，是在布洛斯约水库(上库)和叙尔达尔湖水库(下库)之间增修一条隧洞。同时，布洛斯约水库还与下游的约森峡湾水库分别充当约森峡湾蓄能电站的上、下库。位于同一地理集群的赫伦蓄能电站，将在其上库(尤拉瓦滕)和下库(博斯湖)之间新修一条隧洞。

在廷湖蓄能电站的上库(默斯)和下库(廷湖)之间将修建一条长隧洞。

对吕瑟博滕蓄能电站将修建一条较短的隧洞，来连接其上库(灵湖)和下库(吕瑟峡湾)。

对于迈于朗厄尔峡湾-奥克斯拉-蒂索蓄能电站群，将新建3条隧洞，即每座电站修建一条。迈于朗厄尔峡湾和奥克斯拉将哈当厄峡湾水库作为其共同的下库，上库分别是尤克拉水库及灵厄达尔湖水库。另外，灵厄达尔湖水库还将担任蒂索电站的下库，该电站的上库是朗厄湖水库。

叙锡马电站上库为叙森湖水库，下库为哈当厄峡弯水库，两库之间用一条单孔、折线形的隧洞连接。

对于艾于兰和蒂因电站，将分别修建一条单孔隧洞与地下隧洞网络连接：艾于兰电站的隧洞将连接维达尔森湖水库(上库)和艾于兰峡湾水库(下库)，而蒂因电站的隧洞则与蒂因湖(上库)及奥达尔湖(下库)相连。

该研究的前提是，假设现有电站的运行及受当前水位控制的水压系统都不会发生变化。通过对11.2 GW方案进行分析获知，水库水位的最快涨落速度为140 mm/h。据以前相关报告记载，“绿色电池”效应会导致环境侵蚀加剧、循环模式及水温发生变化、冰层覆盖面积减少或产生危险的不稳定冰层。因此，需要加强管理，将其对环境安全及生态系统可能造成的影响降到最低。

挪威科技工业研究院的报告指出，目前针对水库之间在进行大规模调水时所发生的化学变化和温度变化，生态系统该如何平衡以及将会对生物种类产生怎样的影响等方面，还没有研制较完善的应对措施。有些水库由于从下库或其他邻近水域抽水，对环境已经造成了不良影响。

电力平衡项目对环境产生的影响，则取决于该项目所采取的操作模式及其限制条件，且每个项目的情况都不尽相同。

在电网方面，挪威科技工业研究院的报告认为，应在发电站与电网之间修建一条420 kV的输电线路。对于有些靠近海岸的电站，可采用直流电缆直接与国际电网连接，但要求仍要修建新的或更新原有的420 kV输电线路，作为直流电缆的备用线路。另外，在研究报告中还专门指出，由于廷湖蓄能电站接入国际电网的距离最长，因而其面临的挑战也最大。