抽水蓄能在支持美国可再生能源目标中的发展机遇

[美国 ] R.R.米勒 M.温特斯

20世纪 20年代以来,欧美的抽水蓄能电站提供了宝贵的蓄能容量、输电网络配套服务和可再生能源。美国目前在运行中的抽水蓄能电站有 40座,提供容量 20000MW,发电量约占全国 2%。抽水蓄能电站容量约占全国可再生能源容量的 16%。

抽水蓄能电站对美国输电网络的贡献很大。抽水蓄能电站提供了稳定性供电服务,并满足了蓄能容量需求,扩大了绿色就业市场。在面临蓄能容量和绿色电力迅速增长的需求和依靠投资可再生能源技术、刺激经济恢复的背景下,随着《美国复苏与再投资法案(2009年)》以及州和联邦可再生能源组合标准的诞生,再加上投资抽水蓄能技术的相关立法和规章的政策支持,抽水蓄能还可发挥重大作用。

1 抽水蓄能概念

抽水蓄能电站与传统水电站不同在于它是耗电的。实际上,抽水蓄能电站发挥的功能,主要为蓄能、电网平衡并提供配套服务,而不是发电。由于峰谷电价差异和提供配套服务,从整个系统运行的角度来看,抽水蓄能电站有很大经济价值。

抽水蓄能电站用于平衡系统负荷,可使大型火电厂在最佳工况下运行。抽水蓄能是电网中可用的容量最大、最具成本效益的蓄能形式。抽水蓄能电站还提供配套的电网服务,如电网调频和储备发电,因其与其他水电站一样,能在几秒钟内响应负荷变化。

抽水蓄能现用于稳定可再生电源,应对风电和太阳能发电的可变性。抽水蓄能电站能在电网电力高输出、用电低需求期吸收过剩电力,在用电高峰期释放所蓄的能量。因此,业已证明,对风电不断增长的美国电力系统,抽水蓄能是一项可行的技术。

2 对蓄能的迫切需求

如前所述,抽水蓄能电站的效益非常显著,包括蓄能、负荷平衡、频率控制以及发电储备。压缩空气蓄能也可提供大容量蓄能,但目前美国只有一座压缩空气蓄能工厂在运行。与大容量蓄能技术相反,蓄电池、飞轮、超级电容器等小容量蓄能最适用于接近负荷中心和变电所的终端用户,甚至可就设在用户处。

最近几十年,电力规划或能源立法没有优先考虑不断增长的蓄能容量。20世纪 90年代,因为对许多发电行业放松了管制,发电行业还没有协调整合新的发电、蓄能和输电的机制和激励措施。这些是需要长期协调规划的可靠发电和输电系统的 3个重要方面。这种脱节导致无法推进新建可再生能源工程。据有关资料,市场大量增加可变发电(如风能、太阳能),但没有提供所需的平衡负荷设备,这对输电系统和电网调度造成严重破坏。

尽管有这些技术障碍,对可再生能源发电的需求仍在持续增长。在过去 10 a中,有 29个州已经颁布了可再生能源组合标准,规定可再生能源要占新增发电容量的一定比例。应对气候变化的政策措施也在推动可再生能源的投资。这两个因素形成了促进风电和太阳能等可变发电快速增长的框架,但一直没有相应的平衡容量或输电规划。其结果是,在得克萨斯州、加利福尼亚州和太平洋西北等地区,电力充足时(通常发生在夜间),风电则显得过剩。另外,当风电和太阳能发电站不能发电时,没有足够的调峰电源提供所需容量。

许多人建议增加可调节的再生能源发电,他们指出,丹麦是整合大量可变发电的典范,但遗憾的是丹麦未提供自己的系统平衡服务。丹麦的东、西两大系统依靠与德国和挪威的电网互联提供稳定服务。德国和挪威有大量的抽水蓄能电站与常规水电站。

几项研究论证了大量蓄能容量支持风电整合不断发展的可行性。这些分析表明,大容量蓄能不仅增加容量、提供负荷平衡,还降低了风电整合的成本。例如,2006年为科罗拉多公共服务公司所做的风电整合研究报告指出,当风电占发电容量 20%时,该公司电力系统的抽水蓄能容量可增加一倍,风电的整合成本可减少1.30美元/(MW◦h)。

同样,“西北风电整合行动计划”指出,在西北地区开发风能需要相应增加机动灵活的发电设施。包括抽水蓄能。该计划还指出,风电整合成本决定于几个因素,包括该地区系统内机动灵活的发电资源的可用性。该计划还要求西北风电整合论坛“表征增加系统灵活性的方案”,包括选择蓄能技术。

随着可再生能源新技术的出现和可变能源发电投资的不断增加,对蓄能的需求前所未有地强烈。

3 抽水蓄能存在的机遇

现有的抽水蓄能项目是美国输电系统的重要工具,它提供重要的蓄能、发电和配套服务。为应对日益增长的蓄能需要以及抽水蓄能和可再生能源之间的特殊协同作用,水电行业建议,在不久的将来,将抽水蓄能电站的容量翻一番。美国联邦能源管理委员会(F E R C)最近发出 23份新抽水蓄能项目的前期许可证,这标志着可新增抽水蓄能容量 15000MW,另外正在对 15项前期许可证申请进行审核,容量 16000MW。

这些新的开发均在美国西部的关键区域,新的可变能源的开发速度正在向输电系统容量提出挑战。

美国能源部(D O E)最近计划,到 2030年,为了实现风电占全国发电量 20%的国家目标,必须将约300000MW风电整合入电网。为了适应新增风电的可变性,估计需要新增 50000MW的高峰发电,可能用天然气发电。然而,新的发电并不是满足需求的唯一方法。2008年 12月,电力咨询委员会在给美国能源部的报告中,主张使用一些蓄能容量,代替新的发电资源。

根据其目前的建议,准备由抽水蓄能电站满足平衡发电量风电所需蓄能容量的 30%～60%。这将减少对增加化石燃料调峰发电的需要,避免了相关的温室气体排放。重要的是,将对新能源基础设施的投资引导到达到或接近此容量的蓄能设施中,同时也提供了许多附加效益,从而避免了投资于温室气体排放量大的大型化石燃料发电能源。

4 确保有利投资环境的办法

联邦政策必须鼓励投资和稳定开发过程。能源部长最近表示,为进一步开发清洁能源资源,抽水蓄能技术必须在美国国家计划中发挥重要作用,将可变能源整合到输电网中。然而,联邦政府没有刺激发展抽水蓄能资源的计划,因而需要激励机制,以吸引投资者和鼓励新抽水蓄能项目的迅速发展。

提供投资税收减免、奖励抽水蓄能投资和创造更加稳定的投资环境等其他机制至关重要。促进政府间合作的政策,简化许可证审批程序也将肯定促进抽水蓄能的开发和增长。

《美国复苏与再投资法案(2009年)》,通过投资税收减免、生产税收减免、清洁可再生能源债券、赠款和能源部可再生能源研究基金,开创了投资可再生能源的新阶段。虽然这些奖励措施对抽水蓄能作用不大,但是会鼓励对其他能源(风能和太阳能)的快速投资,因而需要抽水蓄能提供容量和负荷平衡。

美国水电业反映出了税收优惠和水电业继续创造的工作机会和投资之间的直接联系。根据《能源政策法案(2005年)》,由于增量水电项目优先享受生产税收减免资格,水电开发已增加 25%～50%,这为美国所有地区带来了高品质、长期的绿色能源发展所创造的就业机会。如果将刺激常规水电增长的奖励措施应用于抽水蓄能,将极大推动抽水蓄能的发展。

加强和更新美国输电基础设施,对解决美国最迫切能源问题非常有益。发展输电设施可提高国家重要能源的安全水平,并可提供就业岗位、创造新的业务。增强输电系统也将应用新技术,保证电力可靠性,提高效率,使能源利用最大化,环境影响最小化。抽水蓄能电站可为输电系统提供服务和支持,推动与普及更多的可变可再生能源开发,美国水电行业和整个国家需要完善促进蓄能增长的政策。电力系统是一个必须不断平衡供与求的实时系统。抽水蓄能项目是一项成熟的技术,在夜间储存多余能量,供高峰时利用。通过负荷平衡服务,使可变发电能源移动时间,减轻输电挤塞,抽水蓄能为此成为增强输电网的重要组成部分。

蓄能委员会确定了鼓励开发新蓄能技术和建设蓄能设施所需的若干步骤,旨在促进研究、开发和部署蓄能技术,提高蓄能对美国未来供电和能源安全重要性的认识。与常规输电设施比较,这些步骤包括:建立蓄能设施和服务、取得输电定价激励机制资格和参与输电规划过程。蓄能委员会还主张为以下目的建立一个“安全港”:

(1)可提高输电系统容量、可靠性和安全性的蓄能服务,使输电业主与此有关的合同费用降低;

(2)在蓄能服务方面投资,可增强受限输电系统或替代升级系统的投资。

尽管《能源政策法案(2005年)》承认了抽水蓄能作为输电系统的增加部分,联邦能源管理委员会也应考虑让抽水蓄能有资格作为输电设施,其目的是使其以后可享受激励措施带来的优惠政策。

加大当前的投资和生产税收减免,加上承认抽水蓄能为输电系统一部分的配套政策,将创建鼓励发展抽水蓄能电站需要的投资环境。这种增长将取代新建化石燃料调峰发电的需求,并提供必要的负荷容量,以满足美国可再生能源的目标。

总之,抽水蓄能是广泛用于蓄能的唯一可行的大规模能源,是利用可再生能源进行非高峰发电的最佳选择。随着可变能源投资的不断增加,蓄能将成为有效利用清洁能源的重要工具。虽然联邦能源管理委员会正在规划新建 31000MW抽水蓄能项目,表明水电行业兑现了新增抽水蓄能容量以支持其他可再生能源的承诺,但是,开发人员仍然面临重大障碍。这些障碍包括不明朗的投资环境和长远发展的时间表。这些问题必须加以解决,以确保新抽水蓄能项目审批和建设的投资环境。