海水抽水蓄能技术发展现状及应用前景

谭雅倩，周学志，徐玉杰，陈海生，秦 伟



海水抽水蓄能技术发展现状及应用前景

谭雅倩1,2，周学志1，徐玉杰1，陈海生1，秦 伟3

（1中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2中国科学院大学，北京 100049；3中国科学院广州分院，广东广州 510070）

抽水蓄能技术是目前广泛应用的大规模储能技术之一，传统抽水蓄能技术需要特殊的地理条件建造两个水库，投资成本高、破坏生态环境，并且对淡水资源依赖严重。海水抽水蓄能技术利用海洋作为上水库或下水库，水位变幅小，减少了水库建设及其投资成本，解决了传统抽水蓄能电站对淡水资源的利用问题以及环境破坏问题，对于临海和淡水资源缺乏的岛国和城市具有非常广阔的发展前景。本文介绍了海水抽水蓄能系统的工作原理，全面分析了海水抽水蓄能系统的研究进展和应用情况，总结了开发海水抽水蓄能系统存在的技术与应用问题，并对其应用前景与发展潜力进行了展望，提出海水抽水蓄能系统与可再生能源的耦合将是其近期主要的发展方向。

储能；海水抽水蓄能；海岛；水库

电力储能是实现可再生能源大规模接入、电力系统削峰填谷，以及智能电网和分布式供能系统的关键技术之一，其发展应用对能源的低碳、高效、安全利用具有重要作用[1-2]。根据能量转换形式，电力储能技术可分为物理储能、化学储能和电磁储能。物理储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池和钠硫电池等；电磁储能主要包括超级电容和超导储能[3-4]。

抽水蓄能具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长等优点，是目前应用最广泛的电力储能技术。在18世纪90年代，抽水蓄能系统已经在意大利和瑞士投入使用[5]，我国从19世纪60年代开始抽水蓄能电站的研发工作，到2015年底，我国抽水蓄能系统的总装机容量达到22.74 GW，在建容量达到23.08 GW[6]。但是，传统抽水蓄能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，选址困难，初期投资巨大，建设周期长（一般约5～15年），甚至会破坏生态环境；而且传统抽水蓄能系统利用淡水作为运行工质，对淡水资源的依赖较大，这对于淡水资源匮乏的岛国、城市等适用性较小。另一方面，我国适合建设传统抽水蓄能的地址资源越来越少，将不能完全满足我国电力发展对储能装机的需求。

我国海水资源丰富，开发利用海水资源是目前重要的研发任务之一；而且我国岛屿较多，岛上可再生能源开发应用急需储能技术，因此开发海水抽水蓄能技术具有重要需求。海水抽水蓄能既能有效利用海水资源，又拥有传统抽水蓄能技术的优点，可作为传统抽水蓄能技术重要的补充或替代。海水抽水蓄能系统利用海洋作为低位水库，水源充足、水位变化小，减少了系统的土建工程费用，同时利用海水作为运行工质，解决了传统抽水蓄能电站对淡水资源的依赖问题，对于临海和淡水资源缺乏的岛国和城市具有非常广阔的发展前景。

本文主要介绍了海水抽水蓄能的系统原理、分析了国内外应用与发展现状以及存在的问题等，并对海水抽水蓄能技术的应用前景和发展潜力进行了展望。

1 海水抽水蓄能技术应用与发展现状

1.1 海水抽水蓄能工作原理

海水抽水蓄能系统是指在传统抽水蓄能系统的基础上利用海水作为工质的新型抽水蓄能形式，基本原理如图1所示，在距海边一定距离的高地上建造一个蓄水池作为系统的高位蓄水池，利用海洋作为低位蓄水池。储能时，电能驱动水泵或可逆式水泵水轮机将海水从海洋抽送到高位蓄水池，将电能转化为水的势能存储起来；释能时，海水从高位蓄水池排放至海洋驱动水轮机或可逆式水泵水轮机发电，将水的势能转化为电能。

1.2 国外应用与发展现状

1991年，日本的KANEDA等[7]在专利中提出了利用海水抽水蓄能的电站，1999年世界上第一座也是目前唯一一座海水抽水蓄能示范性电站——日本冲绳海水抽水蓄能电站投入运行（图2）[8-11]，该电站最大输出功率为30 MW，有效水头为136 m，最大流量为26 m3/s，其高位水库建在距离海岸600 m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水库直接利用大海。FUJIHARA等[11]对日本冲绳海水抽水蓄能系统中水泵水轮机的设计，材料的选取以及防腐蚀和防微生物附着等技术问题的解决方法进行了介绍和实验验证。日本冲绳海水抽水蓄能电站通过5年的试运行证实了海水抽水蓄能系统的可靠性、经济性和调峰调频的可能性，同时也对海水抽水蓄能系统在建设运行过程中出现的问题进行了研究并给出了解决方案[12]（表1），为之后建设大容量、高水头的海水抽水蓄能电站奠定了技术实践基础。

1—海洋；2—可逆式电动发电机；3—上水库；4—压力水管；5—阀门；6—可逆式水泵水轮机；7—尾水管

图1 海水抽水蓄能系统原理图

Fig.1 Schematic diagram of seawater pumped hydro energy storage

此外，国外近些年来关于海水抽水蓄能的理论研究也逐渐增多（如美国、希腊、爱尔兰等），研究内容主要涉及三个方面[13-33]：一是关于系统水库选址、水泵水轮机选型、防腐蚀防渗透、系统经济性等方面的可行性研究；二是关于与风能、太阳能等可再生能源发电相结合的混合系统的设计和优化分析；三是关于新型海水抽水蓄能系统的开拓研究。

表1 日本冲绳海水抽水蓄能电站技术研究结论[12]

1.2.1 可行性研究方面

爱尔兰的MCLEAN等[13]提出在Dublin建立一个100 MW的低水头高流速的海水抽水蓄能系统，并对系统进行了设计和技术经济性评估。结果表明低水头高流速的海水抽水蓄能系统能够提高可再生能源在电网中的发电率，减少系统的前期投资。此外，文献[14]中提出在Glinsk建立一座输出功率为960 MW的海水抽水蓄能电站，该海水抽水蓄能系统的上水库建在Glinsk山上，水头高度为297.5 m，最大流量为400 m3/s，除了对系统的选址、布置等进行研究，文中还对系统周围的安全情况和环境保护等问题进行了分析和规划。

沙特阿拉伯的KOTIUGA等[15]对建立1000 MW海水抽水蓄能系统进行了可行性分析，文中对沙特阿拉伯的西部海岸线进行地形测量研究，利用多准则分析法对潜在的建站地址的地理条件、环境和社会影响、建设成本和经济可行性以及并网可能性进行了综合评估。同时，文中也提出减少海水的腐蚀作用是系统建设中的一个关键问题，也是一个重要的成本因素。

葡萄牙的RAMOS等[16]对在佛得角群岛建立海水抽水蓄能电站进行了可行性分析。文中通过案例分析表明系统的效率和经济性主要取决于水库的容量，运行策略和能源税收。此外，IOAKIMIDIS等[17]提出在São Miguel岛上建立海水抽水蓄能系统，目的在于提高岛上可再生能源的发电渗透率。文中对系统建立了经济模型，通过分析和比较负荷变化 和燃油价格变动对系统组成和发电功率的影响， 为海水抽水蓄能系统运行方式的选择提供了理论 依据。

中东的死海项目[18]计划利用海洋进行抽水蓄能和发电，输出功率为1500～2500 MW，其分布图如图3所示。地中海的海水通过一根在海平面以下的长72 km的压力管道流入位于Qumran上的水库；释能时，水库中的海水通过压力管道流向死海，管道的设计流速为8 m/s[19]。通过该项目，在发电的同时，还能够提高死海水位，保护死海周围的坏境，若增加海水淡化项目还能解决当地的淡水资源匮乏的问题。

印度尼西亚的研究人员计划在西爪哇[20]利用印度洋为下水库，建设一座功率为800 MW，最大流量为242 m3/s的海水抽水蓄能电站，其有效水头为389.4 m。该海水抽水蓄能电站的计划发电周期为6 h/d，抽水所需电能来自Paiton热发电站，产生的电能将通过电缆传送到Paiton-Kwdiri传输线，并入电网。

爱沙尼亚Project ENE 1001[21]提出在Muuga海港工业园区建设一个500 MW的海水抽水蓄能电站，文中对系统的组成及其可能的布置位置进行了详细介绍，与前述系统的不同在于该系统利用海洋作为上水库，下水库建立在地下。

1.2.2 混合系统研究方面

希腊KATSAPRAKAKIS等[22]提出在Karpathos-Kasos上建立风能-海水抽水蓄能联合发电的混合系统（如图4所示），并对系统维度、选址和经济性进行了理论分析，研究表明，海水抽水蓄能系统能够提高风电场在电网中的发电渗透率，系统回收期为5～6年。在此基础上，研究人员[23]对在希腊建立海水抽水蓄能电站进行了进一步分析，包括系统设计、建设和运行等方面，研究表明，在目前的技术水平上，海水抽水蓄能电站是可以实现和运行的，利用海洋作为水库可以减少电站建设的初投资，但系统各个部件的防腐蚀设计也相应的增加了成本。

文献[24]提出建立海上风能发电-海水抽水蓄能联合发电的混合系统，系统采用双重压力水管，使抽水和放水能同时进行，结果表明，与单压力水管相比，采用双重压力水管可以将风力发电渗透率提高10% 以上。

意大利的SECCHI等[25]提出了海水抽水蓄能系统与光伏发电相结合的混合系统。海水抽水蓄能系统发电量为1 MW，有效落差为200 m，文中利用TRNSYS软件对混合系统进行了优化分析和经济性分析，结果表明，采用两个大小相同的变速运行的水泵能够减少传输电网的负荷，采用两个大小不同的恒速运行的水泵则能够提高系统的整体效率。

1.2.3 新型海水抽水蓄能系统开拓方面

美国麻省理工学院的SLOCUM等[26-27]提出了一种球型海洋可再生能源存储模型，如图5所示，并对其申请了专利保护。其工作原理为：球型的混凝土装置置于海底，储能时，利用海上风电或岸上多余的电能驱动水泵将球内水排出，使球内形成真空，气压为0.05倍大气压；释能时，因内外压差，海水进入球型储水室内，驱动水轮机发电。研究认为系统能够达到65%的效率，但因为水轮机机型选择不当等原因，实验系统效率只有11%，下一步研究人员将会将直径为3 m的混凝土储能球安置在水下30～40 m进行实验研究。

（a）储能模型 （b）释能模型

图5 球型海洋可再生能源存储模型[26]

Fig.5 Schematic diagram of sphere ocean renewable energy storage[26]

德国工程师SCHRAMM[28-29]提出了利用海底存储能量的想法，且已经申请了专利[30]，新系统的效率能够达到80%左右，系统原理图如图6所示。系统利用海底和海平面之间的压差来储存电能，系统的发电量、存储容量、水泵水轮机大小和系统所处深度都能根据情况灵活调整。

1.3 国内应用与发展现状

国内关于海水抽水蓄能的研究并不多见。香港理工大学的MA等[31]对在香港某岛屿上建立太阳能光伏发电和海水抽水蓄能耦合的混合系统进行了理论研究。文中对系统的主要部件进行了数学建模，运用遗传算法，以系统可靠性，经济性为目标函数对系统进行了优化分析。

此外，MA等[32-33]还对在该岛屿上建立风能-太阳能-海水抽水蓄能联合发电的混合系统进行了理论研究，如图7所示。文中通过对混合系统建模，并结合其运行策略，对系统进行了基于小时负荷的仿真分析，结果表明海水抽水蓄能系统能够弥补风能发电和太阳能光伏发电不稳定的特性，同时该混合系统能够完全满足独立岛屿上的电荷需求，实现孤立岛屿上的可再生能源独立供电，在此基础上其又对上述混合系统从技术经济性角度，在用电负荷损失率（LPSP）为0的约束条件下对系统进行了优化分析。

综合上述的国内外应用和发展现状，总结每年世界各个地区对海水抽水蓄能系统的研究情况，如图8所示。由图可知，在第一座海水抽水蓄能系统在1999年投入运行之后，即2000—2007年，世界上关于海水抽水蓄能系统的研究成果基本处于空白状态，大多数研究还是集中在对传统抽水蓄能系 统的研究上，而近年来，传统抽水蓄能的发展面临着许多问题：如环境问题、选址日益困难等问题，同时由于可再生能源的大量开发和利用以及沿海发达地区和海岛经济发展的需要，世界各国加大了 对海水抽水蓄能系统的研究力度，从2008年开始，世界各国对海水抽水蓄能系统的研究成果也日益 增多。

1.4 问题与挑战

综上可知，国内外的研究表明海水抽水蓄能系统不仅与常规抽水蓄能系统一样具有启停快、运行灵活、在电网中可以调峰调频等优点，并且其利用海洋作为水库，水量充沛、水位变幅小、有利于水泵水轮机的稳定运行，同时降低了建设费用，节约了淡水资源，可以提高可再生能源的发电渗透率。但是，海水环境与淡水环境相比，腐蚀严重，运行条件苛刻，系统的研究及应用仍面临着诸多技术性问题。

（1）海水腐蚀问题：由于海水的化学性质比较活泼，其对水泵水轮机、压力管道等设备会造成腐蚀，从而缩短了设备的使用寿命，同时增加了设备的维修成本。

（2）微生物附着问题：由于海洋生物如藤壶容易附着在管道和海水抽水蓄能机组上，会影响系统水轮机工况和水泵工况效率，从而降低系统的整体效率。

（3）渗透和泄露问题：上水库的海水可能渗透到土壤中，导致地表或地下水被污染。同时上水库海水的泄露也会对周围的动植物产生影响。

（4）稳定运行问题：在海浪较大的情况下，大浪会影响进/出水口处海水稳定的吸入和排出，从而影响系统的稳定运行。

（5）环境问题：在抽水和发电的过程中，吸水和放水将对在进出水口处生活的的海洋生物如珊瑚等产生影响。

而关于海水抽水蓄能系统的上述工程地质技术问题以及海水抽水蓄能机组技术问题，目前国内外的研究仍较少。此外，在系统层面上，国内外已有的关于海水抽水蓄能系统的研究内容也并不完善，如：缺少从系统的角度对各关键参数对系统性能的影响及其变化规律的研究；对混合系统如风蓄、光蓄或风光蓄等的优化分析研究所选择的目标函数较单一，缺少对系统进行多目标分析的研究以及缺少对海水抽水蓄能系统环境效益方面的研究分析等。诸如以上问题迫切需要进行系统的研究，提高人们对海水抽水蓄能的认知程度，掌握必要的控制方法，达到合理设计和科学应用的目的。

2 海水抽水蓄能技术应用前景与发展潜力

2.1 我国海水抽水蓄能技术应用前景

我国沿海经济发达地区如浙江、广州等经济发展较快，电力负荷和峰谷差日益增大。同时，近年来我国沿海地区可再生能源如风电和太阳能发电发展十分迅猛，可再生能源的间歇性和不稳定性也亟需合适的电力储能系统。因此，在靠近负荷中心的海边建立启停快、运行灵活的海水抽水蓄能系统不仅能够解决沿海地区电力供求的矛盾，而且将有利于电网的经济安全运行。

另外，我国海域分布着众多的海岛，大多数海岛由于与大陆隔离，其开发深受电力、饮用水紧缺和交通困难的制约。目前，对于近海海岛，能源供应主要依靠海底电缆或架空高塔跨越输电线路输送的电力，但是这种供能方式存在初投资高、修复时间长、运行维护成本高等问题。对于偏远海岛，能源供应主要依靠独立的燃油供电体系，但这种供电体系不仅对燃料的输送和储运要求严格，成本高，燃料利用率低，同时其对环境污染严重，供电系统也不稳定。另一方面，由于海岛特殊的地理位置，其风能、太阳能、海洋能等可再生能源丰富，若在海岛上建立可再生能源多能互补的独立供电系统，将减少海岛对柴油的依赖。同时，海岛濒临海洋，有天然的水库，采用海水抽水蓄能的电力储能方式，一方面能够提高燃油供电体系的稳定性，另一方面也能弥补可再生能源发电的间歇性和不稳定性，提高可再生能源在供电体系中的发电渗透率。

海水抽水蓄能系统的建设，能够充分地利用我国沿海地区和海岛丰富的资源优势，同时带动其它产业的发展，从而促进沿海地区和海岛的开发建设。国家海洋事业发展“十二五”规划[34]中提出要推进海水资源综合利用和加快海洋可再生能源的利用，国内已有不少研究人员对沿海地区和海岛的可再生能源的利用进行了研究[35-37]，但对沿海地区和海岛的电力储能技术的研究较少，因此海水抽水蓄能系统具有广阔的应用前景。

2.2 我国海水抽水蓄能系统的发展潜力

我国拥有绵长的海岸线，大陆海岸线长1.8万千米[34]，同时，1996年第一次《全国海岛综合调查报告》[38]表明，我国面积在500 m2以上的海岛共6961个（中国香港、澳门和台湾及海南岛除外，海南岛本岛和中国台湾、香港、澳门所属有410个海岛），其中有人居住的海岛为433个，人口达452.7万人。中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司[39]通过对我国南部沿海地区广东省、海南省、广西省的海岸线长度、沿海地形地貌概况、海洋岛屿分布等情况分析，对我国南部沿海地区海水抽水蓄能资源进行了筛选普查，并对海水抽水蓄能资源进行了初步评估。结果表明，我国南部沿海地区有81个海水抽水蓄能资源站点，装机容量可以达到18110 MW。此外，华东勘测设计研究院对我国东部沿海地区海水抽水蓄能资源开发潜力进行了研究评价[40]，该研究通过对比分析国外海水抽水蓄能电站发展现状及典型案例，对我国东部沿海地区海水抽水蓄能电站建设条件、必要性、站点资源情况、关键技术与国内设备制造能力、试验性站点选择和试验性站点的建设调剂及工程设计等关键技术问题进行了重点研究，并提出了试验性站点的初步方案。上述调查报告和普查工作表明在我国可供选择建设海水抽水蓄能电站的地址很多，我国具有优越的建设海水抽水蓄能电站的资源条件，可以充分开展海水抽水蓄能系统的技术研究和示范试验。

到目前为止，关于海水抽水蓄能系统的研究，国外如日本建立了世界上第一座海水抽水蓄能系统，希腊、爱尔兰、印度尼西亚等国家已经对在海岛上建立海水抽水蓄能系统进行了较多的理论研究，而我国对这方面的研究较少、起步较晚，理论研究和相关设备的研发尚处于起步阶段，工程实践还未完全展开。因此，在借鉴国外研究经验的基础上，我国还需要对海水抽水蓄能系统进行进一步的研究，探寻适合我国沿海地区和海岛的海水抽水蓄能系统发展模式。

通过上述调研、分析发现，我国海水抽水蓄能系统的发展方向主要包括以下三个方面：一为对海水抽水蓄能系统主要参数选择、工程地质技术问题以及海水抽水蓄能机组技术等关键技术的研究；二为海水抽水蓄能系统将向海水抽水蓄能系统与其它类型电站（如柴油发电）耦合的方向发展，这样能够提高海岛供电系统的效率和稳定性；三为海水抽水蓄能系统将向海水抽水蓄能系统与可再生能源如风能、太阳能、海洋能等的耦合的方向发展，这样可以解决可再生能源的间断性和不稳定性问题，是提高可再生能源发电渗透率的迫切需要，也将是海水抽水蓄能系统近期的主要发展方向。

3 结 语

本文综述了海水抽水蓄能系统的研究进展和应用情况，总结了其存在的技术与应用问题，并对其应用前景与发展潜力进行了展望，得出如下结论。

（1）海水抽水蓄能电站作为抽水蓄能电站的一种新型式，具有选址方便、水源充足、水位变幅小等优点，是一项能够实现大规模和长时间电能存储的储能技术。近年来，国内外关于海水抽水蓄能的理论研究也逐渐增多，并已有一座电站投入商业 运行。

（2）随着沿海核电、海上风能、潮汐能、潮流能、太阳能等新能源的开发，配套建设海水抽水蓄能电站不仅可以满足远离能源基地、能源资源条件匮乏的沿海地区用电需求，优化电源结构，而且对于沿海及海岛地区构建安全、稳定、经济、清洁的能源供应体系具有重要作用。

（3）由于海洋的特殊性，建设海水抽水蓄能电站也存在着机组制造难度大和环境影响等问题。当前国内外对海水抽水蓄能的研究仍处于探索阶段，如缺少对适用于海水环境的可逆式水泵水轮机的研究，同时也缺少从系统层面对海水抽水蓄能系统的分析研究，因此，需要进一步完善与发展。

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Seawater pumped hydro energy storage: Review and perspectives

1,2,1,1,1,3

(1Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3Chinese Academy of Sciences, Guangzhou branch, Guangzhou 510070, Guangdong, China)

Pumped hydro energy storage (PHES)is one of most widely used large-scale energy storage technologies. The traditional pumped hydro energy storage technology requires specific geographic conditions to construct the upper and lower reservoirs, leading to a high investment, damages to the ecological environment and heavily dependence on the use of fresh water. Seawater pumped hydro energy storage (SPHES) technology uses seawater, and the sea as the upper or the lower reservoir. The advantages of such technology include small variation of water level, low construction cost and small influence on environment, and therefore has great potential for applications in islands where fresh water is lacking. This paper will first explain the working principles of the SPHES technology, followed by a review of the state-of-the-art development in the area. Finally, potential applications in China and associated challenges are discussed.

energy storage; seawater pumped hydro energy storage; island; reservoir

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0014

TK 02

A

2095-4239（2017）01-035-08

2016-05-05；

2016-06-06。

科技部国际合作项目（2014DFA60600），国家自然科学基金（51361135702）及北京市科技计划项目（D161100004616001，D161100 004616002）。

谭雅倩（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为海水抽水蓄能系统，E-mail：tanyaqian818@126.com；

陈海生，研究员，主要研究方向为新型大规模电力储能系统与材料、微型燃气轮机、微小尺度流动与传热等，E-mail：chen_hs@mail.etp.ac.cn。