抽水蓄能电站潜力分析

战略与规划

抽水蓄能电站潜力分析

抽水蓄能电站是提供大量蓄电储能唯一可行的技术，可用来满足2020年欧盟可再生能源目标要求。现有水坝和水库可被转换成此模式的水电站而几乎不会对环境和社会产生影响。然而，整个欧洲还未曾对这项技术的潜力进行过深入探讨。这促使各方展开合作研究，以开发一种新的评估方法。从分析方法、克罗地亚与土耳其抽水蓄能潜力、抽水蓄能开发所面临的障碍等方面研究了抽水蓄能电站在欧洲的开发潜力。

抽水蓄能电站；发展前景；潜力分析

近年来，欧洲水电资源已得到充分开发，但抽水蓄能潜力从未得到深入分析。虽然私人公司或地区或国家已对潜在抽水蓄能容量、抽水蓄能转型开展研究，但整个欧洲并未就此展开讨论与分析。

环保、场地缺乏和某些社会认可的问题限制了常规水电在欧洲的进一步发展，现在注意力已转向抽水蓄能电站。

新的抽水蓄能项目受到和常规水电项目类似的限制。然而，由现有水电和非水电水库转换而成的抽水蓄能的情况不太可能是这样。其原因包括，用于抽水蓄能的现有备选水库已经建成，因此不会产生新的环境影响，生态系统已经适应，任何问题已经得到缓解。

抽水蓄能作为可再生能源只相当于第一次抽水所用的电能，减去15%～30%的循环效率损失。所以虽然它肯定不会增加更多的由可再生能源产生的电力，但其最大益处是能整合各种可变形式的可再生能源发电的能力。

能量存储为大量吸收可变的可再生电源(如风力和太阳能)到系统中的3个主要的选项之一(其他两个选项是改进的互连电网和更灵活的常规发电站)。抽水蓄能电站目前被视为唯一的储能技术，它能够为实现欧盟2020年能源目标提供大量容纳可再生电所需要的大量蓄能。虽然它是目前可用的最大和最成熟的储能形式，但所需的基建费用可能会非常高，合适场所的可获性也正在减少。因此，识别剩余的任何站点是至关重要的，以便从能力和经济方面来选择最为有利的场地。

在缺少欧洲范围内评估抽水蓄能潜力的情况下，近来开发了一种新方法。该方法是在欧洲委员会的战略能源技术信息系统(SETIS)的保护下，通过联合研究委员会(JRC)与爱尔兰科克大学联合开发的。目标一直是致力于开发基于地理信息系统(GIS)的方法和模型，来确定单一水库转换成抽水蓄能系统的潜力。然后，评估这些新项目可能提供给各电力系统的其他能量存储。该方法已应用于克罗地亚和土耳其的案例研究。目前联合研究中心已将该模型应用到整个欧洲。笔者认为，未来改进的模型可以最小的工作量有效地应用于整个欧盟，从而获得更准确的评估。

2012年发布了题为“单个水坝转换的抽水蓄存水电能潜力”的报告，报告由欧共体联合研究委员会等研究机构共同完成。

1 抽水蓄能转换

该报告为转换成抽水蓄能的能力定义了一个方法。已经决定要开发两种布置来分析这种方法是否能实现。

(1) 布置A(TA)。当一座水库已经存在，需要增加第2座水库(通常位于较高的海拔)，并配置压力钢管和设备。爱尔兰特洛希尔(Turlough Hill)项目是布置A的一个例子，其中，一个天然湖泊形成下库，而其上库则是修建的。

(2) 布置B(TB)。当两座水库已经存在，且它们之间的距离和高差合适。布置B由两水库之间增加的压力钢管以及发电和抽水设备组成。现有天然湖泊可视为两座水库中的一个，这些水坝可在同一河流上或在平行的河谷内。奥地利装机480 MW的林贝格(Limberg)Ⅱ号电厂项目是TB转换的一个例子。

克罗地亚由于其规模和全国水电普及率高而被认为是适合案例研究的首个国家。克罗地亚水电装机容量2 076 MW，水电供电量占全年用电量的31%。该国拥有3座正在运行的抽水蓄能电站：装机276 MW的韦莱比特(RHE Velebi)电站，其抽水容量为240 MW；装机4.6 MW的富日内(Fuzine)电站，其抽水容量为4.8 MW；装机1.14 MW的黎蓬尼斯(Lepenice)电站，其抽水容量为1.25 MW。

同时该国也有一个强有力的承诺，到2020年可再生能源在总能源消费中的份额达20%。另一个优势是该国有多个互连电网，电网直接连接斯洛文尼亚、波斯尼亚、黑塞哥维那、塞尔维亚和匈牙利，从而创造了可以储存周边国家风力发电剩余电力的潜力。

土耳其由于存在大量坝址而被选定为适合案例研究的第2个国家(运行中的大型水坝260座，小水坝413座，并计划新建1 418座水电站)。这就等同于有大量的潜在抽水蓄能场地。虽然目前水电只提供土耳其电力需求量的20%，有人提出该国只利用了35%的估计的经济水电潜能。土耳其政府希望到2020年将水电装机容量增加到35 000 MW。此外，政府计划到2023年风力发电进一步增加至20 000 MW，使土耳其成为一个理想的抽水蓄能转型国家。

用布置A和布置B将现有水库改造成抽水蓄能电站的决策流程见图1。首先，必须确定用于转型的所有的地形和物理特性，并对环境因素、至受保护的自然场所的距离和至电网的距离等作出假设。然后，对每个站点都以一种统一和一致的方式进行评估。

图1 抽水蓄能转换中需要实施的决策流程

储水容量小于100万m3的水坝和发电装机容量小于标称容量1 MW的水库和水电站项目被排除在研究之外。各种类型的大坝都被认为适合于转换，但要求其水头等于或大于150 m，否则是不可行的。 两座水库之间的距离必须达到5 km或以上，指标性的最小水库水面为50 000 m2(布置A需要70 000 m2)。认为可能影响潜力开发的其他因素包括：

(1) 一个新的建设地点(如压力钢管或水库)200 m范围内存在居住点。对于布置2(其中两座大坝已经存在)，在居住点200 m范围内应该没有发电、抽水和压力钢管设施。

(2) 能量转换点100 m范围内存在交通基础设施。

(3) 适合的电网基础设施距离非水电大坝超过20 km。

利用地理信息系统(GIS)形文件为每个被推荐的国家建立一个完整的国家地图。数字地形地图提供地形信息，但还需要有关河流和水体、高程数据、居住地点、环境敏感性，以及各种输电和配电等级的电网等其他信息。

“国际大坝委员会世界注册水坝”被认为是最全面的数据库，并被证明是这项研究的主要数据来源。缺少的数据段通过全球的水库和大坝(GRanD)数据库来解决。然而，在克罗地亚和土耳其只有20%和15%水坝通过全球的水库和大坝(GRanD)数据库与地理关联，剩余的大坝不得不使用谷歌地图用人工方法完成数据补充工作。这是一个费时的工作，虽然慎之又慎，但数据仍然可能有误。

遥感高程数据取自由航天飞机雷达测绘的地形数据库。克罗地亚和土耳其的电力基础设施地理信息系统(GIS)形文件无法获得。虽然地图是研究全球能源网络获得，但对于这项研究来说这些地图精确度有限。

2 克罗地亚与土耳其抽水蓄能潜力

在克罗地亚容量100万m3以上大坝水库有23座，所有这些都是通过GIS模型进行分析的。较多的水坝海拔在101～200 m之间，其余都属其他范围。克罗地亚的研究结果发现，布置B的站点在这些制约条件下没有解决办法。彼此相距5 km范围内的任何两水坝之间的高差都没有达到150 m或以上，不能提供足够的水头。在找到布置TB的解决办法之前，必须放宽该方法的限制条件，允许对布置B采用11 km的间隔距离。

在克罗地亚共有13个很有希望适合布置方案A的站点，其蓄能量高达60 GW·h。虽然研究存在局限性，但可得出结论，这个国家将现有坝库转换成抽水蓄能电站的潜力至少是现有的抽水蓄能电站容量的3倍。

根据分析，在土耳其共有612座水库库容大于100万m3，绝大多数大坝是在海拔0～400 m和801～1 200 m之间。自然保护区被排除以前，总共有448个潜在的布置A站点，其蓄能量达4 372 GW·h。考虑环境的制约，总量降至444个潜在站点，损失储能量555 GW·h。

在布置B分析中(含自然的保护区)，612座水坝只有两个潜在的站点，平均水头294 m，储能量304 GW·h。

3 抽水蓄能开发所面临的障碍

根据现有的和潜在的站点之间的水头差和距离、拟建的第2座水库周围地形的平坦程度和第1座水库容积，采用研究中开发的模型，确定转换站点。模拟中还施加了关于建设新水库涉及居住站点等方面的限制。然而，该模型无法根据地质及水文条件分析潜在的站点，地质和水文条件这两者可能是抽水蓄能发展的潜在障碍。事实上，以下因素都被认定为发展的可能障碍：

(1) 地质。对每个潜在转换站点都需要进行详细的地质分析，以评估转换成抽水蓄能电站的可行性。地下压力水管的建设也可能受地质条件的限制。

(2) 水文。在可能的转换站点处或其附近缺乏地表水可能是一个潜在的障碍。现有水库的水文分析是必要的，以确定水的供应量和水位是否有季节性变化。在气候干旱的区域或国家，如南欧，这是一个重要的标准。例如塞浦路斯的水坝很少能蓄水到满库，甚至很少接近满库，其尺寸会加大以便在丰水年使收集的水量最大，干旱年使用蓄水。在这些情况下，增加第二水库将提高高峰雨季储存的水量。然而，在此期间，水库不能被用于抽水蓄能，但可作为永久性蓄水。

任何现有的或新的水库也需要进行来水中泥沙推移质评估，水库随着时间的推移逐渐淤积，水库体积减少可能会造成问题。抽水蓄能电站也不能使用全部现有库容，否则淤泥和杂物将被抽到水泵水轮机中。

(3) 基础设施。对交通运输和电网基础设施的分析，需要关注抽水蓄能站点区内的道路是否能支持高流量的交通和重型建筑机械。

电网基础设施可能还需要升级，提供双向电流，以便既能抽水又能发电。对于非水电大坝电网基础设施要更详细查看。例如要考虑的问题包括靠近变电站的程度和备用容量的可获性，以及升级任何容量不足的变电站的可行性等。

(4) 经济。基建费用的不确定性可能会阻碍转型。抽水蓄能电站项目的基建费用有很大的可变性。由于这种项目的劳动力和材料密集度很高，基建费用差异很大，与具体的站点和国家有关。

新技术的发展可能会克服一些障碍。无级调速、可逆式水泵水轮机会增加计划建设的抽水蓄能设施操作的灵活性，装备将更优良，以支持可变的可再生能源发电的一体化。

诸如基于沿海海水抽水蓄能这一新概念(这种情况下海作为下级水库使用)，将开拓更多数量的潜在站点。目前世界上正在运行的唯一的这类电站是日本冲绳装机30 MW的示范电站。也有人提出使用地下洞穴作为下水库抽水蓄能，如果成功，采用这种方案就能消除与兴建水库有关的任何环境问题。

作者根据自己的认识在报告结尾部分指出，此次模拟实践是基于一个或两个现有的水坝识别和量化欧洲国家抽水蓄能潜力的首次尝试。然而，也应该承认，这种模拟实践属于研究领域，其结果可能与一个实际的项目可行性研究所需要的明确性和精度尚有几个阶段的差距。作者认为这是重要的，研究的最终目标应该是双重的。

(1) 为决策过程提供了可靠的科学依据。

(2) 为项目所涉及各方(如政府机构空间规划部门、工程公司和抽水蓄能电站开发商)降低转换成本。

2012年4月，作为对该研究报告的一项后续研究工作，联合研究中心(JRC)组建了一个专题研究小组，30多名专家参加，目的在于：

(1) 验证联合研究中心的方法和模型。预期的结果是对提高该方法的有效性提出种种建议，重点是采纳的方法、使用的软件和数据源、多标准的因素、成本计算方法、敏感性分析和预期输出。

(2) 解决成员国内数据可用性和数据收集的问题，因为联合研究中心的意图是将该方法应用于欧盟和挪威。

(3) 让利益相关者分享和传播该方法。

一份题为“抽水蓄能潜力评估”的报告，包括建议和数据源，这些资料可供对利用GIS的方法评估抽水蓄能潜力感兴趣的任何个人或组织使用。

报告中包含了改进该方法的各种建议。其中包括潜在的抽水蓄能站点的筛查方法的分析。例如，最小水库规模100万m3的规定被认为不合适，因为有许多库容小于这一数值的水库可以产生更多的水电发电量。有人提议初始临界值变化范围为50万～100万m3。两座水库之间的水平距离5 km也被认为是过于严格，他们认为20 km是更合理的数字，与两座水库之间的高程差有关。提案还建议使用最小水头20～200 m，还可以扩展到1 500 m，以避免排除任何可能的站点。

讨论建议的GIS文件：

(1) 软件插件和工具。

(2) 另一个可供选择的高程数据来源，如激光雷达(LIDAR)测量、军用大地测量地图和数据，以及日本航天系统。

(3) 其他湖泊和水库数据源，如联合研究中心流域表征和模拟、欧洲环境局的欧洲流域及河流网络系统(ECRINS)、欧洲全域地图(Euro Global Map)，以及欧洲的湖泊、水坝和水库数据库。

建议考虑地质数据包体的GIS文件增加地层，如检查该地区的隧道、矿坑和地震灾害等的可能性。欧洲环境局已经开发GIS岩层和数据库，可供抽水蓄能评估使用。有人建议，也可以用模型得出具体成果，使得用一个单独的工具做进一步的成本估计成为可能。

4 质量和详细数据

研讨会得出，运用GIS模型评价一个项目或国家和区域的抽水蓄能潜力都是可行、有效而且很方便的。而不同的是使用这些工具的强度，所需要的数据的细节以及模型和方法背后的假设。

克罗地亚和欧洲范围内的评估在很大程度上依赖于所采取的假设。例如敏感度分析表明，将两座水库之间的最大距离扩大为5～20 km，则克罗地亚抽水蓄能的理论潜力就要扩大到10倍。优质的和详细的数据，是实施这类评价工作的保证。

(刘建龙 山 松 编译)

2013-07-08

1006-0081(2014)01-0019-04

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