关于“抽水蓄能”的N个为什么

苏更林

发展清洁能源是实现“双碳”目标的关键。2021年，风力、光伏发电量占全社会用电量的比重达到11%左右。然而，风能和太阳能的异军突起，也对电网的安全稳定运行提出了挑战。这是因为，风能、太阳能等可再生能源具有波动性和间歇性的特点，大规模风能和太阳能接入电力系统将给并网控制、运行调度、功率预测、供电质量等带来严重影响。

我国的风能资源集中分布在西部和北部地区，距中东部用电负荷中心地理跨度很大，要完成大规模的风电输送是一个大

课题。而且，风力发电受制于风力大小，且在无风的时候无法发电，因此风力发电具有随机性和不可控性，这样就为风电并网带来了难题。通常情况下，风力发电在夜间输出功率会更大一些，而此时恰是用电负荷的低谷。从用电侧来看，其电力负载水平大体上是固定的。如果把具有波动性的风电接入电网势必会影响整个电网的稳定性，并提高电网企业的运营成本。风电的波动性还会造成电压的偏差和波動等，进而影响到电网的电能质量。

光伏发电来源于太阳的光能，而太阳光的间歇性又决定了光伏发电属于一种调节能力很差的能源。这种间歇性受到季节变化、昼夜交替以及气象条件的制约，会对光伏发电的功率产生很大影响。如果没有储能设备进行调节，就会影响电网的安全稳定运行以及电网的供电质量。

提高电网对大规模清洁能源的消纳能力，需要建设高标准的智能电网，并在大规模储能技术方面寻求突破。说起储能技术，我们见到最多的要数化学电池了，如智能手机、笔记本电脑中的锂电池，虽说在技术上已经商业化、在数量上已具规模，但在电网规模上还不具备吸纳清洁能源的能力。

实践证明，抽水蓄能是一个技术成熟、经济可行的储能方案。建设抽水蓄能电站是促进清洁能源规模化发展的一个重要组成部分，对于大规模吸纳风能、太阳能等清洁能源，提高电网运行稳定性和电能质量具有重要的战略意义。

抽水蓄能电站也叫蓄能式水电站，作为一种特殊的水电站，它与常规的水电站不是一回事。说起水力发电，几乎没有人会感到陌生。水力发电的历史极为悠久，堪称电力工业的先驱。水电站就是利用水力进行发电的技术装置。因此，发电是常规水电站的根本任务。虽然抽水蓄能也能把水的机械能转化为电能，但其核心价值在于“蓄能”。其实，抽水蓄能电站就是为了解决电网负荷高峰和低谷之间的供需矛盾应运而生的。“蓄能”的含义在于，用电低谷时抽水“填谷”，用电高峰时发电“削峰”。

基于这样的功能定位，抽水蓄能电站需要建设上、下两个水库，并且两个水库中的水可以双向可控运行，而常规的水电站一般仅有一个水库。一般来说，电力的生产和消费是不匹配的。在一天之内，白天和前半夜的用电需求会大一些，后半夜的用电需求就会大幅度下降。同样是一度电，在不同的时段其价值相差悬殊。抽水蓄能则在电网负荷低谷时，利用低谷电把“低位水”提升至“高位水”，等到电力负荷高峰时再用“高位水”进行发电，从而达到为电网“削峰填谷”的目的。

抽水蓄能电站不同于常规的发电站，其服务功能是基于“电力储备库”的基本特征进行定位的。除了“削峰填谷”之外，抽水蓄能还具有调频、调相、紧急事故备用、系统特殊负荷、特殊用电要求以及黑启动等功能。这些服务功能的受益主体不只是抽水蓄能电站本身，而是包括电网、发电侧（如火电、核电以及新能源企业等）以及用电户在内的一个复杂体系。

抽水蓄能的“削峰填谷”功能，有助于提升能源的品位，并把弃能变成宝贝，以确保电网运行的稳定性，提升清洁能源的利用水平。同时，利用抽水蓄能调峰，可以减轻其他电源的调峰压力，从而提升系统的效率。

抽水蓄能的调频、调相功能，可以提升用户侧的电能质量。抽水蓄能机组具有启停迅速、灵活可靠的特点，能够很好地适应系统负荷的剧烈变化，确保供电质量。

抽水蓄能作为“电力仓库”，已经成为电力系统中最优先调用的应急电源。据悉，抽水蓄能从启动到满负荷只需1、2分钟，从抽水转到发电状态仅需3、4分钟。抽水蓄能的紧急事故备用功能，是指抽水蓄能在电网发生故障和负荷快速增加时，能够快速做出负荷调整。抽水蓄能的保证特殊用电要求功能，是指保证重要用电户的供电可靠性。

抽水蓄能同时又是一类特殊的负荷。抽水蓄能的系统特殊负荷功能，是指抽水蓄能以负荷的身份参与大功率核电和火电的负荷试验。

为了应对大停电事故，需要在电力系统中配置一定规模的黑启动电源，即在无外界帮助条件下能够迅速自启动的电源。抽水蓄能作为首选的黑启动电源，可以为极端事故下的电力系统的快速恢复提供支持。

因此，就“抽水蓄能”的服务功能来说，属于电力系统的一种“公共产品”。

抽水蓄能电站因具有多方面的独特优势而受到人们的重视。然而，从抽水蓄能电站的运行特点来讲，它既是电厂又是用户。所谓电厂，说的是它能够利用“高位水”进行发电，并回馈给电网进行“削峰”；所谓用户，说的是它又是电网的用电户，即利用低谷电或风、光电的弃能进行抽水，从而把电能转化为水的势能而储存起来备用。

在一个运行周期当中，抽水蓄能电站相对电网来说并没有多贡献出电能。抽水蓄能电站在输水、发电和抽水过程中难免存在或多或少的能量损失，因此放水发出的电能一定会小于抽水所消耗的电能。这是一个不争的事实！

我们一般把放水發出的电能与抽水消耗的电能的比值叫作抽水蓄能电站的综合效率系数。这是一个小于1的效率系数，通常在0.65～0.80。问题是用“4度电换3度电”划算吗？这笔账到底该如何来算？

其实，正如上文说过抽水蓄能属于电力系统的一种“公共产品”，其受益主体不只是企业本身，而是电网相关系统。因此用发电量来衡量抽水蓄能电站的盈亏是一个误区。

“双碳”背景下的清洁能源转型，需要抽水蓄能的保驾护航。在现阶段抽水蓄能尚不能完全推向市场的条件下，如何回收成本就成为了抽水蓄能电站能否持续发展的关键点。我国目前实施的“两部制电价”政策，就充分体现了抽水蓄能服务功能的价值所在。所谓两部制电价，指的是电量电价和容量电价。电量电价体现的是抽水蓄能为电网提供的“削峰填谷”服务的价值。电量电价更多地以竞争性方式形成，从而体现出抽水蓄能谷电抽水、高峰发电的特性。抽水蓄能通过时空的移动，可以实现低品位能源向高品位能源的跃升。抽水蓄能电站可以通过电量电价来回收抽水和发电环节的运行成本。容量电价体现的是抽水蓄能为电网提供的调频、调相、紧急事故备用、特殊用电要求以及黑启动等辅助服务的价值。按照“谁受益，谁分担”的公平原则，抽水蓄能电站可以通过容量电价来回收除抽水和发电运行成本之外的综合性成本，并获得合理的收益。

与常规水电站不同的是，抽水蓄能电站不一定需要沿着河流建设，但结合常规水电站新建、改建或扩建而建设的混合式抽水蓄能电站除外。

不过，不沿河而建不意味不需要水源保障。尽管抽水蓄能在运行时本身是不需要消耗水资源的，但需要借助一定库容的水量作为能量载体来进行能量转换和蓄能。因此在选址时应考虑抽水蓄能电站首次蓄水，以及后续水分蒸发和渗流损失补充的水源保障。

清洁能源的跨越式发展，为电网安全稳定运行提出了挑战。2030年，我国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。2035年，我国电力系统最大峰谷差将超过10亿千瓦，维持电网安全稳定运行任务艰巨，加速发展抽水蓄能势在必行。

对于纯抽水蓄能电站来说，一般要考虑临近用电负荷中心，同时临近经济可靠的电源点。这主要是为了减少受电和送电时的线路输电损失。在未来，不但用电负荷中心要上抽水蓄能，大型能源基地等也要发展抽水蓄能。