基于“雙碳”背景的抽水蓄能電站建設研究

國電南京自動化股份有限公司 徐一帆

抽水蓄能是當前技術最成熟、經濟性最優、最具大規模開發條件的電力系統綠色低碳清潔靈活調節電源，與風電、太陽能發電、核電、火電等配合效果較好。加快發展抽水蓄能，是構建以新能源為主體的新型電力系統的迫切要求，是保障電力系統安全穩定運行的重要支撐，是可再生能源大規模發展的重要保障。在全球應對氣候變化，我國努力實現“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”目標，加快能源綠色低碳轉型的新形勢下，加快抽水蓄能發展勢在必行。本文旨在研究抽水蓄能電站的建設與運營管理，探索其在實現可持續發展和碳減排方面的潛力。通過對抽水蓄能電站的技術原理、建設模式和運營管理等方面進行深入研究，為推動抽水蓄能電站的建設和應用提供理論依據和實踐指導。

1 抽水蓄能電站建設的重要性

1.1 可再生能源發展的挑戰和需求

第一，技術挑戰。可再生能源技術的研發和應用仍面臨一些技術挑戰，例如太陽能和風能的不穩定性，能源轉換效率的提升以及能源儲存技術的發展等。需要進一步的研究和創新來提高可再生能源的效率和可靠性。

在光伏板晶硅材料方面，傳統的電子—空穴模式在僅考慮輻射作用下，P-N 結太陽能電池效率理論極限為30%。而以鈣鈦礦太陽能電池為首的一批新材料由于其微觀鹵素八面體結構，使其在光照輻射作用下，一個光子可以產生多個電子—空穴對，其理論轉化效率可以高達44%，這使鈣鈦礦極有可能成為光伏組件的未來。但在鈣鈦礦太陽能電池商業化道路上，還同時面臨著4個主要挑戰。一是穩定性和耐用性。鈣鈦礦對氧氣和水分特別敏感，它們會干擾晶體中的鍵，阻止電子有效地穿過材料，也導致鈣鈦礦組件的性能保證期普遍較短，這需要開發反應性較低的鈣鈦礦配方，或尋找更好的包裝方法。而目前國內的集中式光伏發電市場，大面積使用的硅電池都有25年或30年的質保期，鈣鈦礦組件顯然還無法達到這個目標。不過在幾年的時間里，鈣鈦礦的穩定性也處于快速發展期，從最初的幾分鐘提高到幾個月，2021年5月，國外已經有一條10MW 的生產線，他們生產的第一代塑料封裝鈣鈦礦電池，將提供至少有10年的性能保修。二是大規模的電源轉換效率。在小面積實驗室設備中，鈣鈦礦光伏電池在功率轉換效率上已經超過了幾乎所有的薄膜技術，并在過去5年中呈現出快速提升的發展趨勢。然而，高效設備不一定適用于大型集中式光伏電站的應用。根據國外目前已有的鈣鈦礦光伏板生產線資料顯示，他們生產的鈣鈦礦組件面板為1m寬，效率僅能達到10%左右。而尺寸相似的商用硅面板的效率通常大于20%。三是可制造性。鈣鈦礦太陽能電池在實驗室中并未表現出工藝靈活性，薄膜沉積過程中環境溫度的微小波動會顯著影響效率，這與錫基鈣鈦礦組合物有關，其對極少的氧氣都極為敏感。使得一條長時間的、穩定的、95%良率的生產線極難控制，加上國內市場對鈣鈦礦組件認可度暫時不高，使得很多制造業廠商望而卻步。四是技術標準。當前的太陽能光伏設備測試協議是針對現有的主流光伏技術開發的，而鈣鈦礦與硅片太陽能電池截然不同。根據研究，對鈣鈦礦太陽能電池進行電流—電壓掃描會產生模棱兩可的效率值，觀察到鈣鈦礦太陽能電池的IV 曲線表現出滯后行為，不同的掃描方向、掃描速度、光浸泡、偏置都會產生較大差異，所以對于主流組件的基于快速IV 掃描的效率報告已不適用。

盡管面臨諸多挑戰，2023年7月，浙江衢州世界第一座漁光互補鈣鈦礦光伏電站已然高壓并網，這已經是近三年來在浙江衢州鈣鈦礦高壓并網的第5座光伏電站實例。

第二，經濟挑戰。與傳統能源相比，可再生能源的成本雖然在2019年已經在部分省份實現了平價上網，但整體造價仍然較高，限制了其在能源市場的競爭力。需要降低可再生能源的生產和安裝成本，并加強相關政策和財政支持，以促進可再生能源的發展。

第三，儲能需求。可再生能源的不可控性和間歇性使得能源儲存成為一個重要的需求。需要開發更有效的能源儲存技術，如抽水蓄能、電池儲能和氫能儲存等，以平衡可再生能源的供需和提高系統的穩定性。

第四，電網基礎設施需求。擴大可再生能源的規模需要建設相應的基礎設施，包括風力發電廠、太陽能光伏電站和水力發電廠等。這需要合理規劃和投資，確保能源的可靠供應和傳輸。

以江蘇省為例，2022年江蘇省太陽能發電裝機容量2508.46萬kW，風電裝機容量2254.42萬kW，分別占據江蘇省發電總裝機容量的15.53%和13.95%。2022年1月到12月份全省發電總量5948.98億kW 時，其中光伏發電量254.94億kW 時，同比增長30.53%，風電發電量512.83億kW 時，同比增長23.37%。以新能源滲透率為指標，江蘇省太陽能和風電發電量占全省能源消耗的12.88%，在12.88%的滲透率下，網側需要火電接受靈活性，與新能源配合調峰，對電網整體管理要求較高。根據瓦錫蘭公司2021年發布的《電力系統優化白皮書（2020）》中對江蘇電網的預測，預計到2030年，江蘇省區外來電比例26%，風電和太陽能發電比例最高能達到30%。這使江蘇省網架構提前布局配套儲能參與調峰刻不容緩。因此總投資6億元，并于2018年7月正式并網投運的江蘇省鎮江101MW/202MWh 電網側儲能項目屬于電網配套的一次超前嘗試，電站主要面向電網調控運行，能夠滿足區域電網調峰、調頻、調壓、應急響應、黑啟動等應用需求。

目前，僅西藏、云南省、四川省、青海省、湖北省五個省份全年火電發電量占比低于50%，排除水電大省，青海省2022年太陽能和風電發電量已占全省總發電量的42.9%，這對電網架構提出了更高的要求。如何提高光伏電站和風電電站的電網友好性，降低新能源引發電網安全穩定風險，將成為這些省份未來電網基礎設施面臨的一大難題。

第五，環境保護需求。可再生能源的發展需要充分考慮環境保護，避免對生態系統和環境造成負面影響。需要制訂相關政策和監管措施，確保可再生能源的可持續發展和生態環境的保護。

1.黨建要為提升企業競爭力服務。在社會主義初級階段，黨的基本路線是以經濟建設為中心，而作為經濟組織，生存、贏利和發展是企業的理性目標。因此，企業黨建工作必須把保證促進企業經濟建設、提升企業競爭力作為出發點和落腳點。中央企業通過黨組織需發揮自身的政治核心作用以及黨員的先鋒模范作，使黨建工作與央企的市場化管理相接軌，進而確保央企經濟效益目標的實現，實現黨建為經濟服務的價值目標。

1.2 抽水蓄能電站的碳減排效益

第一，零排放。抽水蓄能電站通過利用水的高低水位差來產生電力，其運行過程中不會排放任何二氧化碳和其他溫室氣體，是一種零污染的能源利用方式。相比于化石燃料發電廠，抽水蓄能電站可以顯著減少溫室氣體的排放，有助于應對氣候變化。

第二，能源存儲與調峰。抽水蓄能電站具備儲能能力，可以將電力儲存起來，待需求高峰時釋放出來，實現電力的平衡供應。這對于電網調度和穩定運行非常重要，能夠提高電力系統的可靠性和靈活性。

第三，降低火電廠運行。抽水蓄能電站的儲能特性可以在電力需求低谷時負荷儲存電力，減少對傳統火力發電廠的依賴。通過降低火電廠的運行時間，可以減少燃煤和燃氣的消耗，進而減少二氧化碳和其他污染物的排放。

1.3 抽水蓄能電站在能源轉型中的作用

第一，儲能與平衡供應。抽水蓄能電站具備儲能能力，可以將電能儲存起來，待需求高峰時釋放出來，實現電力的平衡供應。在能源轉型過程中，隨著可再生能源（如風能和太陽能）的不斷增加，其間歇性和不穩定性成為挑戰。抽水蓄能電站通過儲能能力，能夠彌補可再生能源供應的不足，確保電力系統的穩定運行。

第二，引導可再生能源發展。抽水蓄能電站與可再生能源發電設施相結合，可以解決可再生能源的間歇性問題。當可再生能源供應過剩時，多余的電力可以用于抽水儲能；而在可再生能源供應不足時，可以通過釋放儲存的水能發電。抽水蓄能電站的引入，促進了可再生能源的發展和利用，加速了能源轉型進程。

第三，調峰和應急響應。抽水蓄能電站的儲能特性使其具備調峰和應急響應的能力。當電力需求波動較大或出現突發情況時，抽水蓄能電站可以迅速釋放儲存的水能發電，平衡電力供需，穩定電力系統。這種調峰和應急響應的能力對于提高電網的可靠性、應對突發情況和提供緊急備用能源至關重要。

抽水蓄能電站在能源轉型中的上述三點作用，使得在華東、華北等負荷中心和以新能源為主要電源的西部大型新能源基地周邊，建設抽水蓄能電站成為可行性論證的重要方向。

抽水蓄能電站如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站

2 抽水蓄能電站的運營管理

制訂科學的運營策略，包括運行模式、調度計劃和維護計劃等方面。這些策略應該考慮電站的產能、供電需求以及市場變化等因素，以確保電站的運行符合電力系統的需求。隨著外部能源市場的不斷變化，包括電價波動、政策調整和新能源技術的發展，抽水蓄能電站需要靈活的運營策略來適應市場需求，以確保經濟效益提升和可持續發展。

管理機制方面，應建立完善的運營管理體系，包括運行監控、設備維護、安全管理和環境保護等方面。通過實施嚴格的運行監控和設備維護計劃，能夠及時發現和解決潛在問題，確保設備的正常運行和壽命的延長。安全管理是電站運營的重要組成部分，應建立健全的安全制度和培訓體系，確保工作人員的安全意識和操作規范，減少事故風險。同時，環境保護也是電站運營的重要責任，應采取有效的措施，減少對生態環境的影響，保護水資源和生物多樣性。

此外，電站管理與電力系統的調度和市場交易也密切相關，需要與相關部門和企業建立良好的合作關系，確保電站的運行與市場需求相適應，參與市場交易，提高電站的經濟效益。這也是目前阻礙抽水蓄能電站發展的最大問題，甚至在電力大發展的2016年至2020年“十三五”期間，我國抽水蓄能裝機容量剛超過3000萬kW，遠低于“十三五”規劃提出的4000萬kW 目標。

抽水蓄能電站通常承擔大電網中調峰和應急備用的任務，需求的波動和突發情況都可能對電站的運營造成影響。因此，電站需要進行合理的調度和策略備用，以滿足電力系統的穩定性和可靠性要求。抽水蓄能電站需要與其他能源設施和電力系統緊密協調運行，以平衡能源供需，避免出現電力過載或供應不足的情況。在電力系統的規劃和管理中，一方面需要考慮抽水蓄能電站扮演的特殊角色及其重要性，另一方面，由于抽水蓄能電站的建設通常需要長時間的可行性研究，對上下游水庫選址的審慎性導致報審流程拉長，且前期投資大，融資問題也是一個挑戰。同時，投資者也關注電站的經濟效益和回報率，抽水蓄能電站由于長期充當電網特殊角色，成本回收機制仍不完善，故社會資本投資欲望低也和電站電價機制導致的長期無效益運行有關，因此制訂合理的商業模式和資金籌措計劃，研究多元化投資回收模式對抽水蓄能電站的建設至關重要。目前，投資建設抽水蓄能電站的主力軍，仍然是電網公司。

3 結語

抽水蓄能電站的建設和運營是實現可持續發展和應對能源挑戰的重要舉措。在實施過程中，災害風險管理和安全措施均起著至關重要的作用，保障電站的安全運行和可靠性。通過科學的風險評估、技術選型、設備選擇、運營策略和安全管理，可以最大限度地降低風險，并為清潔能源的發展提供支持。然而，抽水蓄能電站的電價定價仍無法滿足社會資本對項目效益的追求，只有進一步完善抽水蓄能電站的成本回收機制，才能充分發揮其在能源轉型和環境保護方面的潛力，為可持續發展作出貢獻。