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麻省理工学院动力计划未来研讨陈述（六）：抽水蓄能

发表时间：2024-05-17 10:16:44 | 作者：火狐体育官网在线登录

　　为了存储能量，电能和机械能能够彼此转化，而且有各种方法（例如重力势能或动能），也能够用来紧缩气体储能。其间一些机械方法的储能技能适用于布置大规划的长时储能体系。作为一个首要储能类别，机械储能包含多种技能，它们与电池储能体系技能并不相同。事实上陈述指出，抽水蓄能 (PSH)设备和紧缩空气储能体系(CAES) 这两种首要的机械储能技能从技能或施行的视点来看简直没有共同之处。但是的确有一个重要的共同点：这些机械储能技能的能量密度远低于化学储能和电化学储能的能量密度。这两种机械储能技能占地面积大，有必要在地质条件有利的方位布置，而且不适合完结模块化。

　　抽水蓄能(PSH)设备是通过电力将水从下流水库抽到上游水库存储，以重力势能的方法贮存电能，这是一项老练且广泛布置的储能技能，2020年占美国电网规划储能容量的98%以上，占美国总储能容量的87%。但是，自从上世纪90年代以来，抽水蓄能(PSH)设备在美国和许多其他国家（我国是显着的破例）的布置现在现已明显放缓。除了其他要素之外，这种布置放缓反映了因为愈加灵敏的燃气发电设备的添加以及在电力商场重组中为抽水蓄能(PSH)设备融资困难而导致的当日动力套利价值下降。但是，最近在美国的剖析和答应经历标明，在选址环境可接受的抽水蓄能(PSH)方面具有巨大的潜力。完结这一潜力取决于深度脱碳电力体系中长时储能的价值、抽水蓄能(PSH)相关于其他长时储能计划的竞争力以及为抽水蓄能设备(PSH)融资的才能。

　　紧缩空气储能体系(CAES)的作业原理是紧缩空气并贮存紧缩空气时发生的热量。几十年来，紧缩空气储能体系(CAES)作为一种潜在的电网规划储能解决计划并被广泛评论，

　　但该技能在曩昔30年中并没有大规划布置，因为署新的紧缩空气储能体系(CAES)存在严峻妨碍。

　　虽然研讨团队重视的要点是抽水蓄能(PSH)和紧缩空气储能体系(CAES)，但本章扼要评论了其他机械储能技能，如固体重力储能、地下紧缩空气储能和液态空气储能体系。根据动能储能体系（例如飞轮体系）的储能容量太小，缺少以支撑严峻依靠可再生动力发电的电网，在此处不予评论。

　　抽水蓄能（PSH）设备由两个不同高度的水库组成。一般在需求较低的非峰值期间选用电力将水从下流水库抽到上游水库来贮存能量。然后在电力需求峰值期间将水从较高的水库通过水力涡轮轮机开释到下流水库中来发电。现有的抽水蓄能（PSH）设备的往复功率从 65% 到 80% 不等，而最新制作的抽水蓄能（PSH）设备的功率估量约为 75%，但某些项意图往复功率或许高达82%。

　　就装机容量和储能容量而言，抽水蓄能（PSH）是迄今为止在美国和全球范围内占主导地位的储能技能。一个抽水蓄能（PSH）设备的装机容量一般高达数百兆瓦到为数吉瓦，储能容量一般高达数吉瓦时。到2018年末，全球各地运营的抽水蓄能（PSH）设备总装机容量为166GW，此外正在制作50GW以上抽水蓄能（PSH）设备（估量到2030年完结），还有更多项目正在规划中。抽水蓄能（PSH）设备的总储能容量的数据并不完好，但那些抽水蓄能（PSH）设备的水库一般能够包容满意的水，继续时刻一般长达8～12小时。一些抽水蓄能（PSH）设备的水库满意大，继续时刻能够长达数天，乃至能够排放一周或更长时刻。假定无法取得更详细信息的抽水蓄能（PSH）设备的均匀继续时刻为10小时，估量全球现有抽水蓄能（PSH）设备总储能容量约为8,000GWh。

　　而选用水库蓄水发电的传统电设备与抽水蓄能（PSH）设备的不同之处在于它不供给直接的储能功用。虽然如此，传统水电设备能够成为零碳可调度电力的重要来历，为电力体系中的风力发电设备和太阳能发电设备供给弥补。例如，开释水库贮存的水来发电的抽水蓄能（PSH）设备能够削减其发电量开释以习惯风力发电和太阳能发电量的添加。虽然这种状况不触及将水抽到上游水库，抽水蓄能（PSH）设备能够与新增的风电设备和太阳能发电设备相结合，在上游水库贮存更多的水，以支撑在风电设备和太阳能发电设备发电量较低的时期添加发电量。对现有水电体系和相关输电财物的出资能够进一步进步弥补风电和太阳能设备的发电才能。事实上，这种办法能够广泛应用于具有许多水电财物的兴旺和新式商场发展中经济体。

　　抽水蓄能（PSH）设备于19世纪90年代初次布置在欧洲。直到1970年，全球抽水蓄能（PSH）装机容量的一半以上坐落欧洲。从上世纪70年代开端，美国和日本制作了一些大型的抽水蓄能（PSH）设备。抽水蓄能（PSH）装机容量的添加一般与大型燃煤发电厂和核电厂的扩建有关，这些电厂的出本钱钱较高，但相关于其他类型的发电设备而言运营本钱较低。抽水蓄能（PSH）使这些工厂能够全天候或挨近满负荷运转，因为在夜间电力需求较低时发生的剩余电力可用于在一天中的峰值期间抽水到上游水库。直到2000年，日本、美国和欧洲算计占全球抽水蓄能（PSH）储能容量的80%以上（图3.1）。从本世纪初开端，我国敏捷成为抽水蓄能（PSH）的首要制作者，其新增项目数量超越了国际其他区域的总和。我国现在具有和运营的抽水蓄能（PSH）设备的装机容量在全球抢先，在2015年超越美国，2017年超越日本。虽然有40多个国家具有抽水蓄能（PSH）设备，但排名前20位的国家占全球装机容量的91%。除了我国以外，新的抽水蓄能（PSH）项目高度集中在西欧，虽然日本、韩国和印度也在制作一些抽水蓄能（PSH）设备。而规划较小和欠兴旺国家展开的抽水蓄能（PSH）项目很少。

　　现有的水电设备在装机容量和储能容量方面都是潜力十分大的资源。2019年全球水电总装机容量为1132GW，其间美国为78GW，水力发电量占全球发电量的16%，占美国总发电量的7%。现在，一些国家一半以上的电力供应依靠水力发电。美国还包含具有水库的传统水电设备，这是其首要发电类型，以及不蓄水的“径流”水电设备。

　　即便没有抽水蓄能的功用，传统水电设备的水库蓄水才能也能够减轻与气候相关的危险，特别是其降水方法违背季节性规范的危险，这的危险或许会继续数月乃至数年，然后影响水电体系所依靠的进水量。气候改动或许导致现有水电设备的季节性进水量规范发生改动，然后添加或削减均匀蓄水量。存储在传统水电设备水库中的发电潜力取决于贮存的水量以及水面与涡轮发电机之间的高度差。一些水电项意图水库蓄水量使抽水蓄能（PSH）设备的蓄水量相形见绌。例如，加拿大魁北克省陈述的水库储能容量为176,000GWh，大致相当于该省全年的电力需求量用（该省简直一切电力需求都依靠水电）。到2019年，仅魁北克省各水库的储能容量大约是美国一切抽水蓄能（PSH）设备总储能容量的840倍，大约是美国并网电池储能容量的17万倍。

　　传统的水电设备一般用于发电以外的意图，其间包含防洪、灌溉和其他要害需求的供水等用处。这些用处以及为保护濒危物种和生态体系而对每日、每月和季节性流量的约束，或许会约束优化传统水电设备运转以平衡严峻依靠可再生动力的电力体系的时机。但是，即便在灵敏性有限的状况下，具有大型水库的水电设备的巨大装机容量和储能容量也或许在风力发电和太阳能发电设备发电的峰值期间以较低水平发电，而在风力和阳光缺少期间以较高水平发电，然后为可再生动力发电设备供给一种储能方法，即便没有抽水蓄能的功用。

　　现有水电设备与风力发电和太阳能发电才能的整合能够明显地节约本钱。虽然加拿大魁北克省与美国东北部区域（新英格兰区域和纽约州）之间的电力以单向活动为主，研讨人员最近考虑了怎么完结低碳电力在新英格兰区域和魁北克的电力体系之间传输。在模仿未来本钱最优的低碳电力体系，输电财物用于在风能和太阳能发电量峰值期间的数小时内将电力重新英格兰区域输送到加拿大魁北克，然后节约水库开释的水，然后在风力发电和太阳能发电缺少时，这些水能够在数小时内发电并出口到新英格兰区域。在不添加新的水力发电设备或不添加衔接魁北克省和新英格兰区域输电容量的2050年模仿情形中，双向电力买卖估量可将电力体系本钱下降5%～6%。而在添加4GW输电容量另一种模仿情形下，添加现有水库作为平衡资源的运用率，将新英格兰区域和魁北克省的零排放电力体系的本钱下降17%～28%。最近对魁北克-新英格兰区域的另一项研讨探讨了削减不一起刻尺度的低碳体系本钱也能够明显节约本钱。

　　除了运营改动或增强输电才能之外，研讨团队还考虑了其他进步现有水电项目储能潜力的时机。一种主意是在现有的水电项目中添加涡轮机以添加其峰值发电量，虽然重要的是要认识到额定发电才能的高本钱。假如添加储能容量的尽力与项目供给的非电力相关服务相冲突，或引起与改动水的活动方法或最大流量相关的环境问题，则这些战略对现有项意图适用性都会遭到约束。在某些状况下，现有传统水电项目可用于改构成独立抽水蓄能（PSH）项目。在技能和环境可行的状况下，有必要在平衡清洁发电体系的代替计划的布景下评价这些战略，包含布置其他类型的储能技能的计划，这些技能或许在未来几十年内变得更具本钱竞争力。

　　总归，现有的水电设备（特别是那些具有大型水库的水电设备）在协助平衡严峻依靠间歇性风能和太阳能发电的电力体系方面供给了巨大的潜力。这些水电设备在服务意图和适用的任何环境约束方面的差异标明，有必要根据详细状况考虑它们为平衡电力体系供给操作灵敏性的潜力。

　　因而，现有水电项意图运营商应检查其设备的运营才能，并与利益相关者和监管组织协作，以确认是否有时机为电力体系平衡意图发明或供给额定的灵敏性，而不会对其他项意图用处或环境发生晦气影响。

　　与此一起，兴旺国家和发展我国家应在尽力完结电网深度脱碳的布景下，积极探索添加可再生动力等低碳或零碳发电的潜力，以最大极限地发挥其水电设备储能容量的价值。

　　有几种抽水蓄能（PSH）规划已在国际各地成功施行。现有抽水蓄能（PSH）体系的差异在于两个首要规划特征：传统与混合以及闭环与开环。

　　•传统与混合：传统抽水蓄能（PSH）设备的规划仅仅运用从前贮存的水来发电，不会将水采有电力泵入上游水库。混合的抽水蓄能（PSH）设备既运用上游水库存储的水，也运用抽水设备将水泵入上游水库发电。

　　•闭环与开环：在闭环抽水蓄能（PSH）设备中，其水库（或多个水库）坐落远离天然水体的当地，地表水或地下水的抽取仅用于初始填充或根据需求守时补水的抽水蓄能设备。开环抽水蓄能（PSH）设备运用一个或几个天然地表水体。

　　混合抽水蓄能（PSH）设备始终是开环的。闭环抽水蓄能（PSH）设备总是闭环的，但传统抽水蓄能（PSH）的规划能够是闭环或开环。开环抽水蓄能（PSH）设备有许多不同的变体。一种类型的混合规划包含在两个当地筑坝构成一个上游水库和一个下流水库。因为上游水库的水来自河流和从下流水库泵回，因而该规划既可用作传统水电发电设备又能够作为抽水蓄能（PSH）设备。

　　在另一种开环抽水蓄能（PSH）设备的装备中，上游水库是通过运用山顶上的环形路堤或塘坝来围住干枯的山沟来制作的。这两者都是朴实的开环规划示例，因为即便下流水库与天然活动的河流相通，将水泵入上游水库也仅仅为了将水注满。

　　因为抽水蓄能设备触及大型土木工程项目并积蓄和运用许多水，这些设备不可防止地会带来严峻的环境影响，包含对土地和水生生态体系的影响以及对景象价值的影响。一般来说，开环体系往往比闭环体系具有更明显的环境影响。需求对天然河流筑坝的抽水蓄能设备一般对水体生态体系的影响比其他规划更严峻。运用一个或多个河流塘坝的开环抽水蓄能设备的运转会改动水体活动方法、水位、浊度和温度，并对相连水体或河边带中的动植物构成晦气影响。

　　在上世纪70年代，人们开端意识到塘坝对环境的影响。而到上世纪90年代，美国简直一切的大型塘坝项目都中止制作，环保运动将要点搬运到大坝撤除上。从那时起，抽水蓄能设备开发商的注意力搬运到了闭环抽水蓄能项目上。但是即便是这些类型的项目，在美国也很难开发。

　　最终，还有一些抽水蓄能概念旨在防止对淡水资源的依靠或削减需求选址和开发新的地上水库。抽水蓄能设备能够运用海水，但这种办法需求特别的规划考虑，包含需求运用耐腐蚀的液压机械，并采纳办法防止上游水库周围的土壤污染。迄今为止，仅制作了一个这种类型的抽水蓄能设备。

　　在抽水蓄能设备中运用地下窟窿和抛弃矿井作为地形较低的水库现已被提议和推行了几十年。从理论上讲，这样的抽水蓄能体系能够防止晦气的环境影响。近年来，美国提出了几个地下项目，包含宾夕法尼亚州运用抛弃矿井作为抽水蓄能体系的一部分。美国联邦动力管理委员会已裁决这些项目不需求请求联邦答应证，但开发商一向无法取得融资。

　　这份研讨陈述进行的剖析标明，自从2000年以来，奥地利、我国、德国、葡萄牙、韩国和瑞士的抽水蓄能设备运用率有所添加。相比之下，希腊、爱尔兰、意大利、日本、西班牙和美国的抽水蓄能设备运用率同期有所下降。

　　将各国的经历进行比较，削减抽水蓄能设备的运用率一般与低本钱的天然气添加运用相关，这往往会下降批发电价，一起添加发电组合的灵敏性和负载盯梢才能。迄今为止，可再生动力发电量的添加并不一定会添加抽水蓄能设备的运用率，除非是在很少选用或没有天然气发电的电力体系中。这种遭到天然气发电影响的抽水蓄能设备运用率下降好像归因于两个要素：(1)峰谷电价之间的距离缩小（并导致动力商场套利价值下降）与天然气价格较低；(2)天然气发电厂的高度灵敏性与现有抽水蓄能设备的灵敏性一般依然有限。

　　关于第一个要素，美国的电力体系对天然气发电的依靠添加，这是因为美国页岩油气资源中的低本钱天然气产值快速添加。

　　自从2000年以来，美国许多区域的日内动力价格套利时机削减。非峰值期间和峰值期间的电力价格都由天然气发电厂设定，或许由燃料本钱十分附近的燃煤发电厂和天然气发电厂组合设守时，抽水蓄能设备的经济价值相对较低。

　　这或许会跟着对可再生动力发电的依靠添加而改动，当边沿发电本钱来自燃料本钱为零的可再生动力资源时，这将导致商场价格更频频地挨近零（乃至为负）。但是，较旧的抽水蓄能设备（或许远不如天然气发电厂的灵敏性）能够在多大程度上运用与可再生动力相关的商场时机尚不清楚。最近的一项研讨指出现有的抽水蓄能设备并未针对当今的批发商场进行充沛优化，这为向实时动力商场出售以及供给各种辅佐服务供给了共同的时机。该研讨陈述发现，充沛优化现有的抽水蓄能设备以运用有组织的批发商场能够使这些项目发生的商场收入添加三倍以上。

　　与此一起，开发新的抽水蓄能设备还面临着其他应战。从前史上看，国家监管、笔直整合的公用事业公司或公共实体在抽水蓄能设备的开发和运营发挥了主导作用。但在上世纪90年代，恰逢许多兴旺国家放松对电力商场的控制，导致全球抽水蓄能设备布置放缓。在上世纪1990年代到本世纪初，美国撤销了许多抽水蓄能设备的制作。对开发商关于这些撤销的声明的检查清楚地标明，商场不确认性是首要问题。虽然对环境的忧虑影响和选址的确在一些项目撤销中发挥了重要作用，但抽水蓄能出资的延迟和中止在很大程度上并不是因为抽水蓄能选址稀缺或环境应战所造成的。

　　其他长时刻趋势下降了许多电力体系对储能体系的需求。首要，跟着时刻的推移，许多燃煤发电厂和一些核电厂的灵敏性有所进步，因而这些发电厂能够更好地满意负载的电力需求。其次，天然气发电成为一种越来越受欢迎、低本钱和高度灵敏的电力挑选，包含在顶峰负荷条件下。虽然人们遍及预期添加运用可再生动力将添加对储能体系的需求，但正如陈述中指出的那样，在许多国家观察到的趋势是现有抽水蓄能设备运用率下降的趋势之一。

　　抽水蓄能设备运用率下降、批发商场价格处于前史低位、长时刻商场和动力方针的严峻不确认性、昂扬且不确认的出资，选址和答应方面的应战，以及较长的开发周期，使得开发和赞助新的抽水蓄能设备变得十分具有应战性。但是，在一些能够下降制作抽水蓄能设备本钱的区域，面临着通过充沛运用现有基础设备（例如现有水力发电厂的水库或最近退役燃煤电厂的变电站和输电设备）和更长的开发时刻表的应战。

　　在现在布置的储能技能中，抽水蓄能设备以储能容量衡量的运营本钱一般最低。但是，鉴于其规划大、发电本钱高、开发周期长，新建抽水蓄能设备的制作本钱一般在数亿美元至数十亿美元之间。这或许会带来融资应战，这意味着政府部门和国有企业等公共实体一般在为抽水蓄能设备的项目融资方面发挥重要作用。

　　电力部门从笔直整合公用事业的改变添加了为新建抽水蓄能设备项目融资的难度。股权融资关于私有项目开发商来并不是一个抱负的挑选，因为它需求许多的前期本钱。商业融资也带来了严峻应战，特别是当业主无法找到乐意付出固定付款以交换项目供给的电力服务的长时刻买家时。购买者不肯签定长时刻的抽水蓄能设备的服务合同，这或许反映了他们忧虑这些服务的价值在未来将会取决于对储能的全体需求以及其时供给相似服务的储能技能的本钱。

　　另一方面，重组还可认为抽水蓄能设备运营商供给进入批发商场的时机，在那里他们能够以不受控制的价格向更大地舆区域的买家出售动力、容量和辅佐服务。

　　抽水蓄能设备的运用寿数十分长。事实上，塘坝是地球上最经用的建筑结构之一。因为很少有此类水库退役，因而缺少关于抽水蓄能设备水库运用寿数的牢靠经历数据。因而能够合理地假定水能够坚持运转100年或更长时刻，只需它们得到恰当的保护。

　　而抽水蓄能设备的机电部件不如水库经用。水力发电机的规划寿数一般为40至60年，但实践运用寿数或许要长得多。在其运用寿数结束时，发电机转子最软弱的部分（一般是磁轭和磁极）不可防止地会存在金属疲惫，然后或许影响安全性和牢靠性。但是，规划寿数比水库和其他抽水蓄能设备寿数更短的转子和其他机电设备，能够而且一般会以仅占抽水蓄能设备总价值很小一部分的本钱进行创新或替换。考虑到这些做法，抽水蓄能设备的实践运营寿数取决于其土建工程的经用性，在许多状况下能够超越100年。

　　美国抽水蓄能设备的经济性一般在30年内进行剖析。运用根据商业融本钱钱的贴现率，地 30年之后的运营净现值很小（即便考虑反映更长运用寿数的终值）。相比之下，我国制作的抽水蓄能设备一般在20到50年的时刻段内进行剖析，更长的时刻段适用于更大的出资报答期长的项目，反之亦然。总归，融资条款和贴现率的挑选决议了经济剖析的相关期间，但这一期间一般不能反映抽水蓄能设备的预期运用寿数。在当今的利率环境下，方针制定者和出资者或许都想重新考虑挑选哪种贴现率愈加合理。

　　通过数十年的运用，现有抽水蓄能设备的出售经历有限，这也说明晰它们的长时刻价值。事例研讨标明，通过数十年的运营，一些抽水蓄能设备的价格高于通过通胀调整后的制作本钱。因而，一些研讨陈述假定抽水蓄能设备的财物价值在仅运转几十年后就为零，这或许高估了这些设备供给的服务本钱。很少有其他储能技能（假如有的话）显示出能够明显抵消或超越其通过通胀调整的置办本钱的本钱增值潜力。

　　总归，抽水蓄能设备的出资提出了一个财政难题。一方面，现有的抽水蓄能设备设备很或许在多年内仍可作为大型储能体系的一种低本钱解决计划。另一方面，因为前面说到的各种应战（即开发时刻长、规划大、本钱本钱高且不确认，以及商场和方针的不确认性），新建抽水蓄能设备取得融资极为困难。这些应战与其他一些储能技能的优势构成鲜明对比，例如电池储能体系能够完结模块化，具有更短的开发时刻以及更低本钱本钱——一切要素这明显地下降了抽水蓄能设备的开发和融资危险。

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