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        抽水蓄能,構建新型電力系統的強心劑
        2021/10/9 7:49:46    新聞來源:中國改革報

        編者按

        在構建以新能源為主體的新型電力系統,實現“碳達峰、碳中和”目標的新形勢下,加快抽水蓄能發展已勢在必行。9月9日,國家能源局正式宣布印發實施《抽水蓄能中長期發展規劃(2021-2035)》,規劃為今后中長期抽水蓄能產業發展、建設與運行提出了清晰的時間表、任務書和路線圖,是指導抽水蓄能行業發展的重要指南?!赌茉窗l展與政策》從今日起特刊發能源領域部分專家的文章,以饗讀者。

        新型電力系統,從電源結構組成來說,“新”在以新能源為主體。未來將逐步經歷化石能源電源為主導、化石能源與新能源在功能主體上各半壁江山、以新能源主體的轉化過程。而風電、太陽能等新能源因其隨機性、波動性、間歇性的特點,隨著規模占比的逐漸增大,對新型電力系統的安全穩定運行會帶來比較大的沖擊,因此迫切需要建設抽水蓄能電站以提高電力系統調節能力和促進大規模新能源發展。

        眾所周知,抽水蓄能電站是利用低谷時其他電源(包括火電、核電、水電),特別是即將成為電力系統主角的風電、光伏的多余電能,抽水到上水庫存儲起來,待尖峰負荷時發電。也就是說,抽水蓄能抽水時相當于一個用電大戶,其作用是把日負荷曲線的低谷填平,即實現抽水蓄能電站獨一無二的“填谷”作用。通過“填谷”,使火電出力平衡,降低了煤耗,實現了碳減排;通過“填谷”,將“棄風棄電”變廢為寶,實現了“綠色抽水”,提高了風電光伏資源的利用率;通過“填谷”,平抑了新能源發電出力的波動性,維護了電網的安全穩定運行。

        可以說,抽水蓄能電站是優化當地電源結構的“平衡器”、提高清潔能源消納的“調節器”和電力系統安全可靠的“穩定器”,是綠色低碳清潔的電力系統調節方式,是構建新型電力系統的保障軍和強心劑。

        一、綠色之能,推動能源結構綠色轉型

        新型電力系統為什么要以新能源為主體?這是實現“碳達峰碳中和”目標的必然選擇。為實現“雙碳”目標,必將倒逼能源行業以清潔低碳為方向,全面加快結構綠色轉型。近十年來,我國風能、太陽能等新能源發電迅猛增長,裝機占比從5%提高到24%,煤電裝機比重2020年歷史性降到了50%以下。預計2030年中國新能源發電裝機規模將超過煤電,成為第一大電源;2060年前,新能源發電量占比有望超過50%,成為電量主體。

        大規模新能源并網,對電力系統有影響嗎?有!風電、光伏等新能源具有隨機性、波動性、間歇性,大規模開發并網后,電力系統“雙高雙峰”特征日益凸顯,對確保電網安全運行和電力可靠供應帶來巨大挑戰。

        大規模新能源并網對電網的沖擊,靠什么來解決呢?抽水蓄能?,F階段抽水蓄能電站是唯一兼備技術成熟、規模大、壽命長、造價低等優勢的調峰儲能電源,是任何其他蓄能電源所不可替代的,可顯著提高新能源的消納規模,保障電網安全穩定運行。

        以呼和浩特抽水蓄能電站為例,電站裝機容量1200MW,服務內蒙古電網。內蒙古電網風電大發期與供熱期重疊,風電夜間大發出力遠大于最低負荷,此時火電無降負荷深度調峰的能力,減少“棄風”只能依靠抽水蓄能電站。根據相關研究統計,呼和浩特抽水蓄能電站投產后,棄風率減少5%以上,棄光率減少2%以上,消納新能源作用顯著。

        總體而言,在新型電力系統構建的過程中,抽水蓄能的存在,已然成為電力系統綠色轉型的強心劑;抽水蓄能抽水的電,亦將逐漸由火電等化石能源過渡到新能源綠色余電,并發出高質量綠電供用戶使用。從抽到發,抽水蓄能不但提升了新能源的資源利用率,而且提供了綠色環保的高峰電能,說它是綠色之能,當之無愧。

        二、低碳之能,助力雙碳目標實現

        任何時期的電力系統,對負荷的調節需求都是非常重要的,因為電力系統的負荷變化會威脅到系統的安全穩定,嚴重時,會使整個電力系統發生崩潰,特別是構建新型電力系統的過程中,風電、光伏發電等新能源發電電源比例的逐步大規模提高,亟需電力系統內有一定規模的、調節性能好的調峰電源進行調節,以保證電力系統運行的安全。目前,我國大多數電力系統傳統調峰電源都是以火電為主,而火電調峰,一是負荷調整速度比較慢,難以適應電力系統負荷急劇變化;二是在進行深度調峰時,發電煤耗增加較大,能耗大、不環保、碳排放大、運行不經濟;三是以新能源為主體的新型電力系統中,若仍依靠火電高能耗深度調峰,不但違背了國家低碳轉型的政策導向,也與“綠色火電”發展理念相悖。

        抽水蓄能電站是目前唯一同時兼備削峰、填谷雙重功能的大規模儲能電源。抽水蓄能電站能有效地承擔系統的調峰任務,從而替代了煤耗率高、發電成本貴的調峰火電機組,使系統燃料消耗減少,調峰碳減排效益明顯。

        另外,抽水蓄能電站在系統負荷低谷時,利用腰荷火電機組空閑容量所發出的電能作為抽水電源,從而使這部分腰荷轉變成基荷,這部分火電機組能在均勻、穩定的負荷下高效率的運行,即改善了火電機組的運行條件,又提高了機組設備利用率,降低了廠用電率和煤耗率,填谷的碳減排效益同樣顯著。

        據統計,若京津及冀北電網2030年新增抽水蓄能電站120萬千瓦,電站建成后電力系統每年可節約標煤19.2萬噸,減少CO2排放45.5萬t、減少飛灰4.8萬t。如果考慮其對整個電力系統的碳減排效果,即使僅考慮其對系統內火電的影響,也可通過節約系統煤耗,使整個電力系統能量利用率達到130%以上。

        從對整個電力系統的碳減排效果來看,采用抽水蓄能電站調峰,可減少火電深度調峰次數,延長火電機組在高效率區平穩運行時間,從而有效降低系統內火電煤耗,節省燃料及減少二氧化碳排放量,降低電力系統運行成本,達到節能減排的效果??梢哉f,在任何時期的電力系統中,抽水蓄能電站都始終扮演著節能減排小能手的角色,稱它為低碳之能,當之無愧。

        三、清潔之能,引領儲能創新發展

        抽水蓄能電站以水為介質,通過水量循環,實現了勢能和電能的轉化,是先進能源技術的巨大創新應用。

        抽水蓄能電站與常規水電不同,既是發電廠,又是用電戶。也就是在電網用電最少的時候,通常所說的負荷低谷時段,利用電網內部消耗不掉的電能將下水庫的水抽到上水庫,轉換成水的勢能儲存起來,此時抽水蓄能電站是電網內的一個用戶;等到電網用電高峰的時候,通過水輪發電機發電將上水庫的水放到下水庫,從而完成水的勢能到電能的轉換,達到彌補用電缺口的目的,這個時候抽水蓄能電站是電網內的一個發電站。抽水蓄能電站通過能量轉換可有效減小系統峰谷差,將系統價值低、多余的低谷電能轉換為價值高、必需的高峰電能。抽水蓄能電站是以水為介質的清潔能源電源,在整個能量轉換過程中不耗水,不產生污染的水。

        目前,我國儲能領域中,抽水蓄能是唯一的技術成熟可靠的大規模儲能電源,其次為電化學儲能,截至2020年底,我國已投運儲能項目累計裝機規模為3560萬千瓦,電化學儲能僅占9.2%。雖然儲能電池的發展迅速,但其在生產環節,以鋰電池為例,據統計平均提取每噸鋰大約需要190萬升水,對周圍的生態系統有一定的影響;同時,在回收利用環節,儲能電池中含有汞、鉛等重金屬物質,回收處理不當,會污染地下水和土壤,面臨較大的環境影響和環境安全問題。且儲能電池壽命較短,大規模的推廣使用也會面臨巨大的回收壓力。

        抽水蓄能電站通過抽水、發電運行,消納了不穩定的新能源,發出了優質的高峰電,未產生污染的水。因此,稱之為清潔之能,當之無愧。

        總之,實現碳達峰、碳中和目標是黨中央的重大決策部署,是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。構建以新能源為主體的新型電力系統,迫切需要通過發展儲能等措施提升靈活調節和電能存儲能力。作為目前公認的最安全、最穩定、最成熟、最環保、最經濟的儲能電源,抽水蓄能優勢明顯。大力發展抽水蓄能,發揮其綠色、低碳、清潔的調節作用,對于更好地服務“雙碳”目標和保障新型電力系統安全,具有十分重要和深遠的意義。

        未來已來,以新能源為主體的新型電力系統正逐步構建,綠色低碳清潔的抽水蓄能電站,已做好準備。(作者系中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司規劃發展研究院室主任)

        來源:中國改革報《能源發展》周刊

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