基于“双碳”背景的抽水蓄能电站建设研究

国电南京自动化股份有限公司 徐一帆

抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源，与风电、太阳能发电、核电、火电等配合效果较好。加快发展抽水蓄能，是构建以新能源为主体的新型电力系统的迫切要求，是保障电力系统安全稳定运行的重要支撑，是可再生能源大规模发展的重要保障。在全球应对气候变化，我国努力实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”目标，加快能源绿色低碳转型的新形势下，加快抽水蓄能发展势在必行。本文旨在研究抽水蓄能电站的建设与运营管理，探索其在实现可持续发展和碳减排方面的潜力。通过对抽水蓄能电站的技术原理、建设模式和运营管理等方面进行深入研究，为推动抽水蓄能电站的建设和应用提供理论依据和实践指导。

1 抽水蓄能电站建设的重要性

1.1 可再生能源发展的挑战和需求

第一，技术挑战。可再生能源技术的研发和应用仍面临一些技术挑战，例如太阳能和风能的不稳定性，能源转换效率的提升以及能源储存技术的发展等。需要进一步的研究和创新来提高可再生能源的效率和可靠性。

在光伏板晶硅材料方面，传统的电子—空穴模式在仅考虑辐射作用下，P-N 结太阳能电池效率理论极限为30%。而以钙钛矿太阳能电池为首的一批新材料由于其微观卤素八面体结构，使其在光照辐射作用下，一个光子可以产生多个电子—空穴对，其理论转化效率可以高达44%，这使钙钛矿极有可能成为光伏组件的未来。但在钙钛矿太阳能电池商业化道路上，还同时面临着4个主要挑战。一是稳定性和耐用性。钙钛矿对氧气和水分特别敏感，它们会干扰晶体中的键，阻止电子有效地穿过材料，也导致钙钛矿组件的性能保证期普遍较短，这需要开发反应性较低的钙钛矿配方，或寻找更好的包装方法。而目前国内的集中式光伏发电市场，大面积使用的硅电池都有25年或30年的质保期，钙钛矿组件显然还无法达到这个目标。不过在几年的时间里，钙钛矿的稳定性也处于快速发展期，从最初的几分钟提高到几个月，2021年5月，国外已经有一条10MW 的生产线，他们生产的第一代塑料封装钙钛矿电池，将提供至少有10年的性能保修。二是大规模的电源转换效率。在小面积实验室设备中，钙钛矿光伏电池在功率转换效率上已经超过了几乎所有的薄膜技术，并在过去5年中呈现出快速提升的发展趋势。然而，高效设备不一定适用于大型集中式光伏电站的应用。根据国外目前已有的钙钛矿光伏板生产线资料显示，他们生产的钙钛矿组件面板为1m宽，效率仅能达到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。钙钛矿太阳能电池在实验室中并未表现出工艺灵活性，薄膜沉积过程中环境温度的微小波动会显著影响效率，这与锡基钙钛矿组合物有关，其对极少的氧气都极为敏感。使得一条长时间的、稳定的、95%良率的生产线极难控制，加上国内市场对钙钛矿组件认可度暂时不高，使得很多制造业厂商望而却步。四是技术标准。当前的太阳能光伏设备测试协议是针对现有的主流光伏技术开发的，而钙钛矿与硅片太阳能电池截然不同。根据研究，对钙钛矿太阳能电池进行电流—电压扫描会产生模棱两可的效率值，观察到钙钛矿太阳能电池的IV 曲线表现出滞后行为，不同的扫描方向、扫描速度、光浸泡、偏置都会产生较大差异，所以对于主流组件的基于快速IV 扫描的效率报告已不适用。

尽管面临诸多挑战，2023年7月，浙江衢州世界第一座渔光互补钙钛矿光伏电站已然高压并网，这已经是近三年来在浙江衢州钙钛矿高压并网的第5座光伏电站实例。

第二，经济挑战。与传统能源相比，可再生能源的成本虽然在2019年已经在部分省份实现了平价上网，但整体造价仍然较高，限制了其在能源市场的竞争力。需要降低可再生能源的生产和安装成本，并加强相关政策和财政支持，以促进可再生能源的发展。

第三，储能需求。可再生能源的不可控性和间歇性使得能源储存成为一个重要的需求。需要开发更有效的能源储存技术，如抽水蓄能、电池储能和氢能储存等，以平衡可再生能源的供需和提高系统的稳定性。

第四，电网基础设施需求。扩大可再生能源的规模需要建设相应的基础设施，包括风力发电厂、太阳能光伏电站和水力发电厂等。这需要合理规划和投资，确保能源的可靠供应和传输。

以江苏省为例，2022年江苏省太阳能发电装机容量2508.46万kW，风电装机容量2254.42万kW，分别占据江苏省发电总装机容量的15.53%和13.95%。2022年1月到12月份全省发电总量5948.98亿kW 时，其中光伏发电量254.94亿kW 时，同比增长30.53%，风电发电量512.83亿kW 时，同比增长23.37%。以新能源渗透率为指标，江苏省太阳能和风电发电量占全省能源消耗的12.88%，在12.88%的渗透率下，网侧需要火电接受灵活性，与新能源配合调峰，对电网整体管理要求较高。根据瓦锡兰公司2021年发布的《电力系统优化白皮书（2020）》中对江苏电网的预测，预计到2030年，江苏省区外来电比例26%，风电和太阳能发电比例最高能达到30%。这使江苏省网架构提前布局配套储能参与调峰刻不容缓。因此总投资6亿元，并于2018年7月正式并网投运的江苏省镇江101MW/202MWh 电网侧储能项目属于电网配套的一次超前尝试，电站主要面向电网调控运行，能够满足区域电网调峰、调频、调压、应急响应、黑启动等应用需求。

目前，仅西藏、云南省、四川省、青海省、湖北省五个省份全年火电发电量占比低于50%，排除水电大省，青海省2022年太阳能和风电发电量已占全省总发电量的42.9%，这对电网架构提出了更高的要求。如何提高光伏电站和风电电站的电网友好性，降低新能源引发电网安全稳定风险，将成为这些省份未来电网基础设施面临的一大难题。

第五，环境保护需求。可再生能源的发展需要充分考虑环境保护，避免对生态系统和环境造成负面影响。需要制订相关政策和监管措施，确保可再生能源的可持续发展和生态环境的保护。

1.党建要为提升企业竞争力服务。在社会主义初级阶段，党的基本路线是以经济建设为中心，而作为经济组织，生存、赢利和发展是企业的理性目标。因此，企业党建工作必须把保证促进企业经济建设、提升企业竞争力作为出发点和落脚点。中央企业通过党组织需发挥自身的政治核心作用以及党员的先锋模范作，使党建工作与央企的市场化管理相接轨，进而确保央企经济效益目标的实现，实现党建为经济服务的价值目标。

1.2 抽水蓄能电站的碳减排效益

第一，零排放。抽水蓄能电站通过利用水的高低水位差来产生电力，其运行过程中不会排放任何二氧化碳和其他温室气体，是一种零污染的能源利用方式。相比于化石燃料发电厂，抽水蓄能电站可以显著减少温室气体的排放，有助于应对气候变化。

第二，能源存储与调峰。抽水蓄能电站具备储能能力，可以将电力储存起来，待需求高峰时释放出来，实现电力的平衡供应。这对于电网调度和稳定运行非常重要，能够提高电力系统的可靠性和灵活性。

第三，降低火电厂运行。抽水蓄能电站的储能特性可以在电力需求低谷时负荷储存电力，减少对传统火力发电厂的依赖。通过降低火电厂的运行时间，可以减少燃煤和燃气的消耗，进而减少二氧化碳和其他污染物的排放。

1.3 抽水蓄能电站在能源转型中的作用

第一，储能与平衡供应。抽水蓄能电站具备储能能力，可以将电能储存起来，待需求高峰时释放出来，实现电力的平衡供应。在能源转型过程中，随着可再生能源（如风能和太阳能）的不断增加，其间歇性和不稳定性成为挑战。抽水蓄能电站通过储能能力，能够弥补可再生能源供应的不足，确保电力系统的稳定运行。

第二，引导可再生能源发展。抽水蓄能电站与可再生能源发电设施相结合，可以解决可再生能源的间歇性问题。当可再生能源供应过剩时，多余的电力可以用于抽水储能；而在可再生能源供应不足时，可以通过释放储存的水能发电。抽水蓄能电站的引入，促进了可再生能源的发展和利用，加速了能源转型进程。

第三，调峰和应急响应。抽水蓄能电站的储能特性使其具备调峰和应急响应的能力。当电力需求波动较大或出现突发情况时，抽水蓄能电站可以迅速释放储存的水能发电，平衡电力供需，稳定电力系统。这种调峰和应急响应的能力对于提高电网的可靠性、应对突发情况和提供紧急备用能源至关重要。

抽水蓄能电站在能源转型中的上述三点作用，使得在华东、华北等负荷中心和以新能源为主要电源的西部大型新能源基地周边，建设抽水蓄能电站成为可行性论证的重要方向。

抽水蓄能电站如图1所示。

图1 抽水蓄能电站

2 抽水蓄能电站的运营管理

制订科学的运营策略，包括运行模式、调度计划和维护计划等方面。这些策略应该考虑电站的产能、供电需求以及市场变化等因素，以确保电站的运行符合电力系统的需求。随着外部能源市场的不断变化，包括电价波动、政策调整和新能源技术的发展，抽水蓄能电站需要灵活的运营策略来适应市场需求，以确保经济效益提升和可持续发展。

管理机制方面，应建立完善的运营管理体系，包括运行监控、设备维护、安全管理和环境保护等方面。通过实施严格的运行监控和设备维护计划，能够及时发现和解决潜在问题，确保设备的正常运行和寿命的延长。安全管理是电站运营的重要组成部分，应建立健全的安全制度和培训体系，确保工作人员的安全意识和操作规范，减少事故风险。同时，环境保护也是电站运营的重要责任，应采取有效的措施，减少对生态环境的影响，保护水资源和生物多样性。

此外，电站管理与电力系统的调度和市场交易也密切相关，需要与相关部门和企业建立良好的合作关系，确保电站的运行与市场需求相适应，参与市场交易，提高电站的经济效益。这也是目前阻碍抽水蓄能电站发展的最大问题，甚至在电力大发展的2016年至2020年“十三五”期间，我国抽水蓄能装机容量刚超过3000万kW，远低于“十三五”规划提出的4000万kW 目标。

抽水蓄能电站通常承担大电网中调峰和应急备用的任务，需求的波动和突发情况都可能对电站的运营造成影响。因此，电站需要进行合理的调度和策略备用，以满足电力系统的稳定性和可靠性要求。抽水蓄能电站需要与其他能源设施和电力系统紧密协调运行，以平衡能源供需，避免出现电力过载或供应不足的情况。在电力系统的规划和管理中，一方面需要考虑抽水蓄能电站扮演的特殊角色及其重要性，另一方面，由于抽水蓄能电站的建设通常需要长时间的可行性研究，对上下游水库选址的审慎性导致报审流程拉长，且前期投资大，融资问题也是一个挑战。同时，投资者也关注电站的经济效益和回报率，抽水蓄能电站由于长期充当电网特殊角色，成本回收机制仍不完善，故社会资本投资欲望低也和电站电价机制导致的长期无效益运行有关，因此制订合理的商业模式和资金筹措计划，研究多元化投资回收模式对抽水蓄能电站的建设至关重要。目前，投资建设抽水蓄能电站的主力军，仍然是电网公司。

3 结语

抽水蓄能电站的建设和运营是实现可持续发展和应对能源挑战的重要举措。在实施过程中，灾害风险管理和安全措施均起着至关重要的作用，保障电站的安全运行和可靠性。通过科学的风险评估、技术选型、设备选择、运营策略和安全管理，可以最大限度地降低风险，并为清洁能源的发展提供支持。然而，抽水蓄能电站的电价定价仍无法满足社会资本对项目效益的追求，只有进一步完善抽水蓄能电站的成本回收机制，才能充分发挥其在能源转型和环境保护方面的潜力，为可持续发展作出贡献。