抽水蓄能有利于清洁能源消纳

曹楚生

（天津大学／中水北方勘测设计研究公司，天津市 300222）

抽水蓄能有利于清洁能源消纳

曹楚生

（天津大学／中水北方勘测设计研究公司，天津市 300222）

电网中水电、火电、核电、风电以及太阳能发电等电源考虑联合蓄能电站运行后，对清洁能源消纳、节能减排和保护生态环境十分有利。然而，为应对风能、太阳能、生物能等清洁可再生间歇性能源的迅速兴起，电网须有足够的调蓄能力予以支持，否则过大的峰谷差将影响网内机组的平稳运行。因此，配置足够规模的抽水蓄能等设施，可优化电力系统的组成，理顺能源可持续发展的循环机制。

水电；抽水蓄能；电网；清洁能源消纳；可持续发展；节能减排

1 能源发展形势

我国电能长久以来以火电为主，据统计，2015年以煤电为主的火电装机容量为9.9亿kW，占全国总装机容量的65.7%，水电、风电等装机容量分别为3.2亿、1.3亿kW，分别仅占21.2%和8.6%，这使我国化石能源消耗日增。因煤、油、气等燃烧使用后排出的有害气体造成的温室效应而导致的气候变暖已成为全球重大问题。我国排出的CO2等有害气体在数量上已位居世界前列。欧、美、日等工业发达地区或国家已制订计划在预定的时段内逐步发展清洁能源和洁净煤等发电技术，最终做到趋近零排放。我国政府也大力发展清洁能源，如水电、风电、太阳能发电、核电，优化电源组成，积极发展清洁和可再生能源至关重要。现将这方面的发展和前景分述于下：

（1）水电。我国水能资源蕴藏量6.76亿kW，其中可开发容量3.78亿kW，为世界之冠。古称我国有“三江三河”，近悉雅鲁藏布江、澜沧江、怒江水资源也极丰富。故上述可开发容量等尚会有所增加（增加10%～20%）。2020、2030、2050年，常规水电装机容量分别为3.45亿、4.3亿、4.7亿kW，抽水蓄能装机容量分别为0.5亿、0.7亿、2.8亿kW。

（2）风电。我国风力资源丰富，年均风速大于6m/s的面积达66万km2，按6～8MW/km2计算，可装机40亿～50亿kW。虽然这种估算偏大，但也可看出风电资源很丰富，发展前景很好。预测到2020年风电装机容量将达2亿kW。

（3）太阳能。我国2/3国土面积日均辐射量大于4kWh/m2，如按此估算，储量极为可观。但由于采集、储存和应用等原因，目前估算至2020年太阳能光伏发电装机容量1亿kW，光热发电装机容量100万kW，以后随着技术进步，具有较大的发展前景。

（4）核电。是一种技术成熟可大规模取代化石燃料的清洁能源。在国外发展中曾有起伏，现在核能利用已占各种电能总和的13.5%。核电在我国起步晚，估计到2020年约为0.8亿kW。

综上所述，上述可再生能源中水电目前尚有较大的开发空间，一些条件较好的站点已在修建中，再过10余年后将逐渐进入尾声。非水能可再生能源（简称可再生新能源）中，风电近年进展迅速、前景看好，太阳能、生物能等正在起步阶段，应发挥各自优势，着力加快这些可再生新能源技术整体的发展。应该指出，随着时间的推移，到2020、2030年和2050年，我国能源缺口将分别达到18%、20%和30%，可再生新能源和核电将主要承担起补充上述能源缺口的任务。由此可见，至2050年，这些可再生新能源已从过去补充或辅助能源进入主导能源，21世纪下半叶将更显示其重要性，逐渐成为电能发展的主力。总之，这些可再生新能源的开发利用可替代日益短缺的煤、油、气和水能资源，且它们的资源相对丰富，有可靠的保障能力，可大规模开发利用。但其中，风能和太阳能等都具有显著的不稳定性和间断性，所在电网必须具有足够的事故备用容量和可靠的蓄能设备。

现如今正处于新旧能源交替时期，火电、水电发展迅猛，已达高潮，由于煤炭、石化和水能资源日趋短缺，2020～2030年，这种发展将趋缓，而新能源将逐渐取代前者。结合我国当前情况，节能减排任重道远，除应抓紧可再生新能源的开发，从耗能工业、交通、电力和能源等行业的生产运行分别进行优化外，还应通过其他不同途径予以完善。

2 抽水蓄能的兴起

我国已进入了一个空前繁荣的新时期。国民经济及工农业等的急剧增长，城乡用水及电力的供应时有供不应求的现象，且日趋严重。而水利水电进展神速，一些地区水资源和水能资源已出现开发殆尽现象，再修建新的工程将受到限制，并影响水利水电的可持续发展。甚至有人认为，我国水资源和水利水电的开发利用已濒临极限。

水利水电的发展离不开当地电网。一般电网由水电和火电等组成，因水电具有较好的调峰性能，可改善电网输电质量，当该地区水能资源开发殆尽，水电不能与火电同步增长，水电所占比重低下时（小于20%～30%），造成电网中可调峰电能减少，而低谷时又造成电流周波和电压加大，影响输电质量。随着时间的推移，由于国民经济和生活质量的提高，电网的容量往往逐渐由小到大。但当水电发展受水能资源限制，新能源（如风电、太阳能、核电、生物能发电等）大量兴起时，电网中水电可调峰电能比重减低。当地区电力负荷急剧变动时，更显示出调峰电源的不足。当水电发展受阻，不能与其他电源同步增长时，电网中峰谷差加大，尖峰时缺电而低谷时又有多余，这种现象将会与日俱增。尖峰时缺电，可临时增设燃气轮机等解决，而低谷时多余电能所占比重达一定程度后，将会影响电网输电质量，并增加能耗和有害气体排放量较难处理，使电力系统的进一步发展受到阻碍。

由于社会对电力的需要日益增长，我国各地区电网中主要能源煤电增加很快，而常规水电受水能资源的限制，往往不能与他种能源成比例地增加，因此电网中水电比重日益降低，这样将导致调峰电源缺乏，造成电网中能源比例失调，在不得已时常采用以下两种措施：①火电机组深度调峰（大于40%～50%），有的甚至采用分班制，不仅造成煤耗能耗增加，并影响火电机组的稳定运行和电网输电的质量；②水电弃水调峰，在我国很多以煤电或火电为主的电网，为不因调峰而使占绝对多数的机组受阻，让水电在洪水期间甚至在需要时弃水调峰。据统计，全国2015年水电平均利用小时数仅为3621h/年（一般水电的设计值常在4000～5000h/年）。

作为水电的补充，抽水蓄能电站使水电重新步入了新的境界。虽然已无新的水能资源供开发，但可利用电力系统低谷电能，通过抽水蓄能储存转换，在尖峰时发电，这样蓄能运行使水利水电的发展增加了新的活力。近十余年来，我国已建和在建抽水蓄能电站容量约0.43亿kW。

水电不能与火电等同步增长，电网中的峰谷差日益增加。由于调峰电源的短缺，不仅影响电网的平稳运行和输电质量，更加剧有害气体的排放，节能减排已成为全球关注的问题。节能减排主要应从上述有关工业、交通、能源等着手，而发展抽水蓄能对各种能源可持续发展十分有利的，现将抽水蓄能的优点阐述如下：

（1）抽水蓄能虽不能生产电能，但可利用低谷剩余电能抽水，在峰荷时发电既可调峰填谷、调频调相、旋转备用和应急事故备用等，故实质上起到了一种能量储存转换和改善优化等功能。当前一些电网总容量日益增加，水电比重日益下降，低谷剩余电能将与日俱增，为抽水蓄能的发展提供必要的动力。

（2）抽水蓄能与煤电、油电、气电比，跟踪负荷和调峰性能好、开停机灵活并节煤节油；与常规水电比，具有填谷功能，节能减排功效倍增。

（3）抽水蓄能电站的工程量和投资等指标优于火电和常规水电。若拟建一座百万千瓦级常规水电，常有大坝和大型泄洪、输泄水和导流建筑物，淹没移民数常以数万和数十万人计，而抽水蓄能往往仅以百人或千人计。

3 新形势下的抽水蓄能

火电出现了超临界和超超临界机组，工业发达国家都在竞相研发中，我国也在引进消化新技术、新设备。据悉，过去我国中高压机组的煤耗为500～600kg/kWh，而今亚临界、超临界、超超临界机组可降至300～270kg/kWh，这说明煤耗已削减一半，且机组的压负荷运行限制幅度可从过去的20%～30%增至50%，这对电网调峰是有利的，在技术上是很大的进步。有人说，火电也有较好的调峰能力，殊不知火电由于压负荷运行，往往使机组不能在最优或较优工况下稳定运行，对节能减排是不利的。

抽水蓄能是一种较古老的技术，但由于近年来土建开挖填筑技术不断提高，出现了碾压式堆石坝、土石坝和碾压混凝土坝，不但开挖料可作为填筑料的补充，还相应增加了上、下水库库容；此外，考虑地下洞室围岩地应力的衬砌设计的理论、方法都有较大的革新和改进。这些土建、机电等方面的技术进步和革新为简化工程结构和高水头蓄能电站的发展作出贡献。有人说，抽水蓄能4kWh电换3kWh电不合算，殊不知这4kWh电为抽水时所耗用的低谷电，而发出的3kWh电在峰荷，其能耗比前面4kWh电的能耗还低，对节约煤耗是有利的。

抽水蓄能作为水电的补充，可使电网中各种类型机组，如火电水电核电机组等都可在较好的工况下平稳运行，可尽量延长上述机组的运行时间和减少启停次数，节约能耗，减少有害气体排放，并保证运行安全，作用巨大，在技术和经济上都是可行和有效的。

风能、太阳能、核能、生物能等可再生新能源将迅速发展，电网更应有足够的调蓄能力予以支持。可以预期，配置适当容量的抽水蓄能后，可优化电力系统的组成，理顺能源可持续发展的构图，使原本无法充分利用的部分低谷电能，循环更新、变废为宝，在促进和发展循环经济和节能减排，改善环境等方面作用巨大。

水电因来水有丰有枯，保证出力一般在20%～30%，而对火电无此类规定。但因燃料供应跟不上需要，火电的出力也受限。如前所述，抽水蓄能有调峰填谷的作用，还有应急事故备用的作用，其替代容量的比值很高。抽水蓄能本身的作用明显，而且还可相应增加该系统中水、火电机组的出力，可以通过计算知其效益。国内外实践和分析研究认为，当抽水蓄能占该电网总装机容量的10% 左右时，可使电网中各种机组均可在各自最优或较优工况下运行，可使各种机组均得益，使水电机组的替代容量增至80%～90%，而火电机组在低谷时也不必进行深度调峰，故增加出力和尖峰发电量的效益十分巨大。

4 抽水蓄能的特殊功能

水利水电发展往往受限于水资源和水能资源，火电受限于矿石资源和有害气体的排放，核电无调峰能力，而可再生新能源风能、太阳能既不稳定，会随机跳动，而且有间歇性。在上述电源发展受阻时，如考虑蓄能运行即增设抽水蓄能后，情况往往会有大的改观，呈现新的发展空间。抽水蓄能的特殊功能阐述如下：

（1）储存转换、更新利用、以丰补歉、循环再生。可再生新能源和水电火电发展都离不开其他资源和行业的相互支持、共同提高。抽水蓄能作为水电的补充，可弥补水能资源和能源的不足，使电网中低谷时剩余电能转换成尖峰时的电能。实质上，其作用相当于使电网中日益增长的、如不用反会带负面影响的剩余电能转换成为可再次利用的电能，和再生能源一样，再次使用。这样，水利水电和其他资源通过抽水蓄能和电网载体可以和谐共处，共谋发展，形成可持续发展的循环机制，如图1所示。低谷抽水存入上水库，可供尖峰时再发电和需要时供水，形成了可持续发展的循环链，电和水可重复再生利用。抽水蓄能作为水电的补充可以促进水利水电和能源的可持续发展。如不设抽水蓄能，不能形成循环链，阻止了可持续发展，往往只能采用“火电深度调峰”，“水电弃水调峰”或“以水定电”等不合理措施，导致电能和水能的大量流失。

（2）新的发展空间。考虑蓄能运行后，提出以下新途径：

1）江河入海口水域的开发。利用水下地形修建较长的挡潮闸坝以围海造地并拦蓄海水，并考虑蓄能运行，荷兰长达十数公里的EastSchelt闸，不仅对发展沿海滩涂，并对整条河流的水量调蓄都很有好处。我国长江、珠江等海口等正在进行这种研究和设计。

2）江河上游山区河源段的开发利用是又一个新的开发空间。河源段集雨面积一般很小，只能修建小型或中型水利水电枢纽。但从我国和欧美等的经验，某一小流域面积内有了抽水蓄能的参与，容量会有大幅度的增加，有时会从数万千瓦增至百万千瓦。

图1 通过抽水蓄能形成循环链——能源可持续发展构图Fig. 1 The cycle chain forming by pumped storage—energy sustainable development

3）跨流域引水，跨地区送电。必要时可考虑抽水蓄能，这样在引水和送电范围内进行水量及电量调度，使水资源的开发利用达到更高水平。

5 能源发展新形势下应关注的问题

当前我国火电、水电发展迅猛，已达高潮，由于煤、油和水能资源日趋短缺，预计至2020年它们的进展将减慢，届时，我国总装机容量将达约19.34亿kW，其中火电、常规水电、风电和核电依次为11.9亿、3.45亿、1.6亿、0.8亿kW。至2050年，总装机容量将达36.3亿kW。预计进入21世纪下半叶，风电、太阳能发电和核电等新能源将逐渐成为主力。当前正处于新旧能源交替时期，要针对具体进程关注以下问题：

（1）清洁和可再生新能源开发。核电、风电和太阳能电等的开发利用终将取代日益短缺的火电和水电资源，且它们的资源相对丰富，有可靠的保障能力，可大观模开发利用。但它们无调峰能力，且风电和太阳能电还有显著的不稳定性和间断性，必须有可靠的蓄能措施和足够的备用容量予以支持。如以水电为主的电网，有调节性能较好的水电，尤其是具有大规模抽水蓄能装机，可以提供必要的备用容量来应对风力等出力的无规律变化。而以火电为主的电网，只能依靠压负荷运行，使电能的燃料消耗和排放废气增加从而损失风力发电所获的效益，导致成本增加。故节能减排不能只从某一电站单独衡量，而是要从整体（全电网）的实效和数据判断。

（2）节能减排。我国耗能工业、交通、能源等行业飞速发展，散发出的有害气体总量已居世界前列。此外电网中峰谷差达40%以上，水电比重极低，可调峰电源短缺，不仅影响电网内各种机组的平稳运行和输电质量，更加剧了有害气体的排放，已成为重大问题。我国政府对此已制订了规划，要继续大力发展清洁和可再生能源。

（3）优化能源结构。以煤电为主的火电为主导的局面亟需改变，但也不能操之过急。在建设中，清洁和可再生新能源要尽量采用新技术，必要时可通过引进、消化、研发；火电也要逐渐淘汰旧机组，采用新的超超临界机组。而抽水蓄能作为水电的补充，既可在低谷时作为耗电用户以抽水蓄能，在尖峰时发电，在优化能源结构中应一并予以考虑。

（4）开发模式和电价。抽水蓄能有独立开发和联合开发两种模式：①在各种火电水电等站点外独立兴建抽水蓄能电站，利用低谷电抽水，峰荷时发电，即填谷削峰功能通过电网载体完成（见图1）；②因电力体制改革，在某种意义上抽水蓄能与电网已联为一体。抽水蓄能与某一电厂联合开发模式，可融蓄能、电网、电厂于一体。

电价如何制订，是单一制还是二部制，一直困扰着抽水蓄能的发展。合适的分时分项电价有利于抽水蓄能的健康发展。对一般蓄能电站，当峰谷电价一时不易制订得很合理时，也有摈弃独立自主经营而采用租赁模式，或联合开发模式。经实践证明，后两种模式都是可行的，对双方都有利，呈双赢局面：电网都可以根据需要，安排抽水蓄能进行填谷削峰、调频调相和事故备用等任务，而抽水蓄能电站无需单独考虑经济盈亏问题，化解了制订电价的难题。以上租赁和联合开发都有成功实例，天津桃花寺抽水蓄能电站由于地理环境和建设条件优越，是一座较好的联合开发的范例。

6 结束语

抽水蓄能的大规模发展，有利于清洁能源消纳和节能减排，建议：

（1）为应对风能、太阳能、生物能等清洁可再生间歇性能源的迅速兴起，电网须有足够的调蓄能力予以支持，否则过大的峰谷差将影响网内机组的平稳运行。建议配置足够规模的抽水蓄能等设施，可优化电力系统的组成，理顺能源可持续发展的循环机制。应该着重指出：电力系统中各种电源（水电、火电、风电、核电、太阳能发电等）要优化配置，要在技术经济上作整体考虑，并具体考虑各自机组的运行特性曲线，务求都在较优工况下运行。

（2）优化配置、合理调度。设计、施工、业主等各方视实际情况针对各种能源特点，结合抽水蓄能，对电源组成做优化配置，合理调度运行，这样消纳清洁能源的效果才能在整个电网中体现出来。如核电、风电和太阳能发电等都有它们各自配套要求和设施。

（3）加速修建大、中、小型抽水蓄能站，对高水头河流梯级水电站可考虑设置或部分改用，或预留可逆式蓄能机组的可能性，否则会给增建和扩建增加很多困难，如美国大古力、胡佛等电站；或事后多次扩建水泵和可逆式机组，或至今还在研究利用下游梯级扩建抽水蓄能的可能性。此外，通过发电和抽水蓄能使上下诸梯级起到联合调度，可增加总的调蓄作用，对水利水电可持续发展有利。

（4）抽水蓄能规划选点工作，要做到布局合理、规模适度。在电网中应优先发展一些调节性能显著的抽水蓄能，上、下水库选择有利地形使具有较大库容。

（5）我国在20年前建成的水电水利工程已大大超出了原定的设计水平年，由于国民经济的提高，往往显出水库库容和装机容量和供水要求偏低。我国修建大坝达8万多座，居世界首位，但水库总库容仅约6000亿m3，仅为美国和原苏联的一半。故建议在新建、改建、扩建中注意考虑增建抽水蓄能和扩大水库库容，以增加电网和水库的调蓄能力。

综上所述：在当前能源发展新形势下，可再生新能源等正在兴起，并将逐渐取代当前正在发展的火电和水电。在新、旧能源交替的各个时段，要及时考虑各种电能连同抽水蓄能的优化配置、合理调度运行，同时所在电网还必须具备与各种新旧电能相配套的事故备用容量，以保证安全运行并发挥节能减排的预期效果。

[1] 钱正英.中国水利.北京：中国水利水电出版社，1989.Qian Zhengying. China Water Resources. Beijing： China Water Conservancy and Hydropower Press，1989.

[2] 潘家铮，何璟.中国大坝50年.北京：中国水利水电出版社，2000.Pan Jiazheng，He Jing.50 years Chinese Dam. Beijing： Water Conservancy and Hydropower Press，2000.

[3] 曹楚生.抽水蓄能的开发模式和电力的发展.水力发电，2000（5）：1-3.Cao Chusheng. The Development Ways of Pumped Storage Power Plant and the Power Industry Development. Water Power，2000（5）：1-3.

[4] Cao Chusheng. The Ideas and Exploration Path Soft the Retainable Development of China Small and Medium Water Power. China Small Hydropower Hangzhou Conf，2006，4.

[5] 高苏杰. 抽水蓄能的责任[J]. 水电与抽水蓄能. 2015，1（1）：1-7.Gao Sujie. The Responsibility of Pumped Storage[J]. Hydropower and Pumped Storage，2015，1（1）：1-7.

Pumped Storage Benefits to New Energy Consumption

CAO Chusheng
（Tianjin University / China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co. Ltd. Tianjin 300222，China）

When the operation of hydropower，thermal power，nuclear power and wind power，solar power of the power grids consider combination with the pumped storage station，it will be very beneficial to new energy consumption，energy-saving reduction and environmental protection. But the power grids must have enough storage capacity to deal with the rapid rise of the clean renewable and intermittent energy including wind power，solar power and bioenergy，otherwise large difference between peak load and vale load will affect the smooth running of the power units in the power grids. Therefore distribution sufficient pumped storage station can optimize the composition of the power system and straighten out the cycle mechanism of energy sustainable development.

hydropower； pumped storage； power grids； new energy consumption； sustainable development； energy-saving reduction

TK71

A学科代码：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.001

2017-05-01

2017-05-28