淺談海水抽水蓄能電站在中國的發展前景

劉萬久 張 皓 黎俞琳 韓有才

（四川大學水利水電學院， 四川 成都 610065）

十三五規劃提出“加快大規模儲能技術研發應用”表明國家已經將新能源并網的關鍵技術提升到推進智能電網全面實行的戰略性地位。海水抽水蓄能技術的迅速發展可以充分利用海島資源、海洋優勢，以電力為發展動力進而帶動其它產業的快速發展，并促進沿海地區以及海島的經濟建設、資源開發。國家海洋事業發展“十二五”規劃[1]中提出：要推進海水資源綜合利用和加快海洋可再生能源的利用。目前，我國已經有不少科研技術人員對海洋和海島資源的開發利用進行了研究[2-4]，但很少有科研技術人員研究以海水為工質的物理儲能技術，因此，海水抽水蓄能技術的研究和發展前景廣闊。

1 海水抽水蓄能技術的發展狀況

1.1 海水抽水蓄能技術原理

抽水蓄能是水力發電技術的一種，它不僅是發電站，還兼具著規模蓄能和調節電網的功能。抽水蓄能電站以上、下兩個水庫為核心。當上庫的水流向下庫時，就是常規的水電站，上庫儲存的勢能就轉換為電能；當我們利用水泵把下庫的水輸送到上庫時就成了抽水蓄能，消耗的其他能源就轉換為了水的勢能。

海水抽水蓄能是將傳統抽水蓄能的淡水換成海水，同時，海水抽水蓄能將海洋作為傳統抽水蓄能中的下庫（池）。儲能時，水泵或者可逆式水泵水輪機工作，將海水從海洋抽送到上庫，儲存勢能；釋能時，海水從上庫流下，驅動發電機組，將勢能轉化為電能。

1.2 海水抽水蓄能技術的優點

海水抽水蓄能技術的發展能有效利用海洋資源，能為沿海地區和海島的經濟建設與資源開發提供穩定的能源，同時能夠有效地調節用電峰谷，促進智能電網的快速發展。另一方面，海水抽水蓄能技術的發展能夠加快對海水資源的利用，從而有效的保護和節約淡水資源，在一定程度上避免了對生態環境的嚴重破壞。

1.3 海水抽水蓄能技術應用的實例

1991年，日本工程師KANEDA等[7]在專利中提出了海水抽水蓄能電站，1999年世界上第一座也是至今的唯一一座投入運行的海水抽水蓄能電站——日本沖繩海水抽水蓄能電站[5-8]，該電站最大輸出功率為30MW，有效水頭為136 m，最大流量為26m3/s，其高位水庫建在距離海岸600m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水庫直接利用大海。FUJIHARA等[8]對日本沖繩海水抽水蓄能系統中水泵水輪機的設計，材料的選取以及防腐蝕和防微生物附著等技術問題的解決方法進行了介紹和實驗驗證。日本沖繩海水抽水蓄能電站通過 5年的試運行證實了海水抽水蓄能系統的可靠性、經濟性和調峰調頻的可能性，同時也對海水抽水蓄能系統在建設運行過程中出現的問題進行了研究并給出了解決方案[9]，為之后建設大容量、高水頭的海水抽水蓄能電站奠定了技術實踐基礎。

2 海水抽水蓄能技術在我國發展的潛力

2.1 我國的沿海地區和海島的資源優勢

我國是一個海洋大國，擁有長達18000多km的海岸線，跨越了熱帶、亞熱帶和溫帶三個氣候帶，管轄海域多達300萬km2，與我國陸地面積的1/3相近，海島數量極其豐富，其中面積大于500 m2以上的島嶼5000多個，蘊藏著的可開發利用的資源不可估量，、濱海砂礦資源海洋生物資源、深海礦產資源、海洋油氣資源……因此，正確的海洋發展戰略以及合理的開發利用海洋資源，對我國經濟的可持續發展意義重大。

2.2 電力是發展沿海地區和海島第一推動力

海洋資源的積極開發和利用以及可持續發展經濟的促進離不開電力能源供應，電力是發展沿海地區和海島的第一推動力。

例如，廣州、浙江等沿海城市經濟發展迅速，同時，電力負荷和谷峰差也是日益增大。我國大多數海島都遠離大陸，制約其開發的主要原因有電力、淡水和交通。目前，海底電纜或者架空高塔跨越輸電線路輸送是近海的海島電力供應的主要方式，這種供電方式需要高額的初期投資，運行維護的成本也相對較高，并且需要較長的修復時間。燃油供電是偏遠的海島電力供應的選擇，這種供電方式要求有嚴格的方式進行輸送和儲運燃料，成本較高，利用率也極低，污染環境十分嚴重。

近年來可再生能源（風電、太陽能等）發電發展極其迅速，尤其在沿海地區更為突出，但是可再生能源的間歇性和不穩定性供電問題十分棘手。因此，將啟停快、運行靈活、可穩定性供電的發電設施建立在靠近負荷中心的地方顯得尤為重要，海水抽水蓄能電站可以滿足需求。

2.3 海水抽水蓄能技術將是電力持續穩定供應的主要技術

中國電力報2017年4月5日報道，國家能源局發布了關于海水抽水蓄能電站資源站點的普查成果，結果顯示我國有 238個可進行研究的海水抽水蓄能資源站點，總裝機容量可高達4 208.3萬千瓦。其中，廣東汕頭、、福建寧德浙江舟山等8個資源站點建設條件相對較好，將作為下一步研究重點。

海水抽水蓄能電站是一種新型式的抽水蓄能電站，進行相關研究是具有前瞻性的。“研究試點海水抽水蓄能”是《水電發展“十三五”規劃》的重點任務之一，要求加快研究關鍵技術，努力推動并建設海水抽水蓄能電站的典例工程，實現我國該項工程零的突破。

由此可以預見海水抽水蓄能技術在不久之后將是沿海地域和海島經濟發展與資源開發電力持續穩定供應的主要技術。

3 海水抽水蓄能技術發展的主要阻力

3.1 工程建設條件

就目前的工程技術水平來說，工程建設問題已不再是十分艱難的問題，基本上能夠解決工程上遇到的問題，例如區域地質和構造穩定性問題、地形地貌條件問題、極端天氣、工程地質條件問題[10]等。

我國沿海地區從北向南主要受朝鮮半島地震帶、郯廬地震帶、長江下游—黃海地震帶、長江中游地震帶和華南沿海地震帶影響，地震活動復雜。在沿海地區選擇地形地貌條件相對合適，地殼穩定性高的建站場址，在目前的技術看來是完全可行的。

我國海岸線長約18000km，大陸海岸線長約1.8萬 km，島嶼海岸線約1.4萬km，合計約3.2萬 km，在地形變化復雜的海岸線上游更廣闊的選址范圍，可選站點多就是一定的先天優勢，而且沿海多數地區經濟發達、交通條件便利，為后續工程建設的組織和實施提供了強有力的保障。

工程地質條件問題也是工程建設的一大阻力，但是海水抽蓄發電工程規模一般小于常規抽蓄電站，工程地質條件簡單，建設期土建難度小，以目前國內巖土/地質技術解決以下工程地質條件問題完全沒有問題：①上水庫—海水蓄水池、輸水發電系統的滲透漏水問題 ；②海水滲透對地下水和土壤的污染 ；③地質缺陷帶/體一般富水，對工程建設影響大，精細化探測和評價顯得尤為重要；④建筑材料勘察。

3.2 設備抗環境干擾能力[11]

海水抽水蓄能電站啟停快、運行靈活，可以在電網中調峰調頻，并利用海洋作為下庫，水量充沛、水位變幅小，利于水泵水輪機的穩定運行，建設費用低，節約淡水資源，可再生能源的發電滲透率有所提高。然而，海水比淡水的腐蝕性更強，需要更為苛刻的運行條件，諸多技術性難題在研究及應用中涌現了出來，例如設備腐蝕、微生物附著、滲透和泄露、穩定運行等問題。

3.3 初始能源問題

電力是促進海島經濟發展和資源開發的第一推動力，同時，電力又需要其他能源作為原料。大多數海島都遠離大陸，海底電纜或者架空高塔跨越輸電線路輸送電力初期投資高、修復時間長、運行維護成本高；燃油供電需要十分苛刻的燃料的輸送和儲運條件，成本高、利用率低，環境污染嚴重。

因此找到方便清潔可利用的清潔能源作為抽水蓄能的原料成為了海水抽水蓄能的關鍵技術。

風能、潮汐能、太陽能等都是海島上可以利用的經濟且可再生的能源，但是這些產能方式都是不穩定的，只有把他們存儲起來然后有規劃的釋放才能持續穩定的提供電力。

4 人工智能在綜合性海水抽水蓄能電站應用的新設想

綜合性海水抽水蓄能電站是智慧水利發展的一個新方向。風能和太陽能電站的建立可以產生不穩定電能，將其產生的電能最為抽水蓄能的動力是足夠的，有多大能抽多少水，當水能積蓄到一定程度就可以有效利用了。當風能和太陽能在一定標準下就能產生穩定電能，這是便可以直接利用，多余的電能仍可以用作蓄水的動力，大數據時代的快速發展使得人工智能系統可以自動選擇和轉換該能源系統。

圖1 概念圖

風力發電和光熱發電屬于間歇性和不穩定性發電，在未達到或者超過額定功率的情況下不能直接供電給用戶使用，故可將該功率下的電能供予水泵機組 M1用以抽送海水至上蓄水庫蓄能，上蓄水庫可釋放水能沖擊渦輪機組M2的得到穩定電能。智能選擇選擇模式大致分以下3種：

1）人工智能系統判斷出風力發電和光熱發電中只有某一種發電方式的功率滿足用戶用電需求且功率在未來的一定時間內穩定時，系統發出指令使滿足要求的發電機組開關接至2供用戶用電，另一發電機組開關接至1供抽水蓄能，K3斷開，抽水蓄能電站不供電。

2）人工智能系統判斷出風力發電和光熱發電中兩種發電方式的功率均滿足用戶用電需求時，系統發出指令使功率滿足要求且功率在未來較長時間內比較穩定的發電機組開關接至2供用戶用電，另一發電機組開關接至1供抽水蓄能，K3斷開，抽水蓄能電站不供電。

3）人工智能系統判斷出風力發電和光熱發電中兩種發電方式的功率均不滿足用戶用電需求時，系統發出指令使兩發電機組開關均接至 2供用戶用電， K3閉合，抽水蓄能電站供電。

[1] 國家海洋局.國家海洋事業發展“十二五”規劃[EB/OL].

[2] 任巖.翟兆江.等.海島風/光/抽蓄/海水淡化復合系統的配置優化[J].水力發電.2015.41(12):101-104.

[3] 許昌.李旻.等.孤島風柴蓄復合發電功率粒子群優化分配研究[J].電力系統保護與控制.2013(11):85-92.

[4] 歐陽麗.葛興凱.海島智能微電網技術綜述[J].電器與能效管理技術.2014(10):56-59.

[5] 劉布谷.世界上首座海水抽水蓄能電站上庫的設計與施工[J].水利水電快報.2012,33(11):15-17.

[6] 孟祥科.沖繩海水抽水蓄能電站[J].山東電力技術,1999,106(2):77-79.

[7] 關存良.海水抽水蓄能技術及其展望[J].水利水電技術.2002,33(1):71-73.GUAN C

[8] FUJIHARA T.IMANO H.OSHIMA K. Development of pump turbine for seawater pumped storage power plant[J].Hitachi Review,1998.47(5):199-202

[9] 石文輝.查浩.等.我國海水抽蓄電站發展初探[J].中國能源.2015(12):36-40.

[10] 柴建峰.肖微.海水抽水蓄能電站及我國工程建設條件淺析[J] 水電與抽水蓄能 2017（4）46-49

[11] 譚雅倩.周學志.等.海水抽水蓄能技術發展現狀及應用前景[J]. 儲能科學與技術.2017（1）35-41