隨著可再生能源裝機(jī)的日益增長,我國對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求迅速增加。傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能在經(jīng)濟(jì)性和綜合技術(shù)性方面是其他長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的標(biāo)桿,但其資源卻十分有限。
發(fā)展地下抽水儲(chǔ)能是破解傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能資源不足的優(yōu)選方案,既可促進(jìn)可再生能源大規(guī)模消納,也可釋放我國過剩產(chǎn)能,并帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
為此,建議將發(fā)展地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)列入國家中長期重大發(fā)展戰(zhàn)略。
解決大規(guī)模儲(chǔ)能難題迫在眉睫
2020年9月,習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上,向世界作出實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的中國承諾。2021年3月,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議進(jìn)一步指出:要構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系,實(shí)施可再生能源替代行動(dòng),構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),2060年我國太陽能和風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)預(yù)計(jì)將達(dá)到80億千瓦左右。由于太陽能和風(fēng)能發(fā)電的出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性、光伏發(fā)電的出力具有晝夜周期性,為實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)模化利用,我國必須大力發(fā)展儲(chǔ)能系統(tǒng),特別是削峰填谷的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。研究表明,為實(shí)現(xiàn)對(duì)80億千瓦太陽能和風(fēng)能發(fā)電的有效消納和利用,需要配置32億~40億千瓦的長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)。
抽水儲(chǔ)能具有削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、平移功率、事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能,且經(jīng)濟(jì)性十分優(yōu)越,因而被認(rèn)為是建設(shè)以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的最理想儲(chǔ)能方式。研究表明,如果具有足夠的抽水儲(chǔ)能資源,建設(shè)支撐碳中和的新型能源電力系統(tǒng)就不存在較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)障礙。然而,我國傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能資源卻難以滿足發(fā)展需求。調(diào)查表明,我國具有較好經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值的傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能裝機(jī)約為4億千瓦,經(jīng)濟(jì)性稍差但可以納入儲(chǔ)備開發(fā)的另有4億千瓦,共計(jì)約8億千瓦。因此,未來長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)仍有很大缺口。
近年來,其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速,但在規(guī)模、成本、技術(shù)成熟度、可靠性等方面很難與抽水儲(chǔ)能形成競爭優(yōu)勢。鋰離子電池安全性仍是業(yè)界關(guān)注的重大問題,隨著其使用壽命陸續(xù)到期,今后大量電化學(xué)電池的報(bào)廢處理將造成環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此,化學(xué)電池將主要定位于輔助調(diào)頻服務(wù)或分布式儲(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能是一個(gè)重要的發(fā)展方向,但要想具有經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值就需要依賴廉價(jià)的儲(chǔ)氣室,目前主要利用廢棄鹽穴來保障儲(chǔ)氣室的經(jīng)濟(jì)性,但鹽穴資源是有限的。
伴隨火電機(jī)組的減負(fù)荷乃至部分退出,新能源裝機(jī)容量占比不斷提高,所需儲(chǔ)能系統(tǒng)容量與新能源裝機(jī)容量之比將大幅提升;同時(shí),為了滿足晝夜能量轉(zhuǎn)移和削峰填谷的需求,儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能量也將大幅提升。
可以預(yù)見,在沒有找到大規(guī)模儲(chǔ)能的有效解決方案之前,今后可再生能源發(fā)展將面臨瓶頸。此外,我國大型清潔能源基地主要分布在西北地區(qū),如內(nèi)蒙古、青海、新疆等,這些地區(qū)建設(shè)大規(guī)模傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站的資源十分稀缺,從而制約了當(dāng)?shù)仉娫磦?cè)儲(chǔ)能的發(fā)展和清潔能源的外送。
發(fā)展地下抽水儲(chǔ)能是破解難題的優(yōu)選途徑
既然抽水儲(chǔ)能是最為理想的儲(chǔ)能方式,那么只要我們設(shè)法解決傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能的資源不足問題,就消除了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重大障礙。為此,筆者經(jīng)過系統(tǒng)研究和調(diào)查,提出利用硬巖掘進(jìn)機(jī)在地下1000米左右埋深挖掘隧道作為下庫、依托地面水源建設(shè)上庫的方式發(fā)展地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案。我國地下1000米深度大多為巖石結(jié)構(gòu),除地震帶外,地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,適合發(fā)展地下抽水儲(chǔ)能的資源十分豐富。
建設(shè)地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)涉及的工程和技術(shù)難點(diǎn)主要包括地下埋深約1000米的地下工程建設(shè)施工、1000米級(jí)的高水頭水泵水輪機(jī)以及用于調(diào)頻的變速抽水儲(chǔ)能用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)。
自本世紀(jì)以來,我國地下挖掘技術(shù)和地下工程建設(shè)技術(shù)取得了長足發(fā)展,為建設(shè)地下抽水儲(chǔ)能電站奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。例如,我國自主研發(fā)的大口徑硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)總體上已處于國際領(lǐng)先水平,價(jià)格與以前從國外進(jìn)口的同類裝備相比大幅下降。2021年9月7日,中國制造的全球最大直徑全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)“高加索號(hào)”在格魯吉亞組裝完畢并投入使用,表明我國在TBM方面已經(jīng)達(dá)到一個(gè)新高度。在我國隧道引水工程建設(shè)中,如引漢濟(jì)渭等工程,采用硬巖掘進(jìn)機(jī)開挖引水隧道已成為主要施工方案。這些工程裝備制造和實(shí)際工程建設(shè)的成果充分說明,利用地下空間建設(shè)地下抽水儲(chǔ)能電站不存在技術(shù)和施工障礙。
當(dāng)前,在1000米級(jí)高水頭水泵水輪機(jī)方面,美國通用電氣公司和奧地利安德里茨公司均具備生產(chǎn)此類設(shè)備的能力;我國東方電氣和哈爾濱電氣也具備了制造700~750米級(jí)高水頭水泵水輪機(jī)的能力。在變速抽水儲(chǔ)能用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)方面,日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了30萬~40萬千瓦機(jī)組的產(chǎn)業(yè)能力。我國雖與國際領(lǐng)先水平有所差距,但隨著對(duì)相關(guān)機(jī)組的技術(shù)攻關(guān)以及需求的不斷增長,可以迎頭趕上。
在經(jīng)濟(jì)性分析方面,日本的研究證明了在800米以上高水頭的情況下,地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能基本相當(dāng)。新加坡設(shè)想利用廢棄采石場作為上庫,在花崗巖地層人工挖掘下庫和廠房,建造地下抽水儲(chǔ)能電站。經(jīng)核算,其投資與相同規(guī)模的燃油電廠相當(dāng),用于電網(wǎng)調(diào)峰很有競爭力。為了解決莫斯科市的供電問題,俄羅斯提出在莫斯科市修建地下抽水儲(chǔ)能電站的方案,其總功率為100萬千瓦,投資預(yù)算為700美元/千瓦,與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)成本基本相當(dāng)。加拿大北岸電力公司聯(lián)合AECOM咨詢公司,對(duì)美國威斯卡西特地下抽水儲(chǔ)能工程進(jìn)行了可行性論證。該工程裝機(jī)容量100萬千瓦,地下水庫和廠房位于地下600米深處,容量約為560萬立方米。評(píng)估研究表明,該工程實(shí)施具有可行性。
我們的研究表明,建設(shè)一座200萬千瓦/4~5小時(shí)的地下抽水儲(chǔ)能電站,假設(shè)其埋深約為1000米,其地下水庫和廠房的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)周期大約為5~6年,總的建設(shè)周期大約為8年,與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)周期基本相當(dāng)。經(jīng)估算,整個(gè)地下抽水儲(chǔ)能電站的地下土木工程造價(jià)約55億元,工程總造價(jià)約為150億元,平均投資約為7500元/千瓦,與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)的中高位數(shù)相當(dāng)。由此可見,我國地下抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)工期,均可達(dá)到與傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能電站相當(dāng)?shù)乃?,為大?guī)模發(fā)展地下抽水儲(chǔ)能提供了保障。
對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)影響重大
按照現(xiàn)有新能源裝機(jī)容量的增長趨勢和電網(wǎng)對(duì)規(guī)?;瘍?chǔ)能系統(tǒng)的需求,保守估計(jì),到2060年,我國實(shí)現(xiàn)碳中和所需規(guī)?;瘍?chǔ)能系統(tǒng)將不低于新能源裝機(jī)總?cè)萘康?0%,甚至可能達(dá)到50%,這意味著我國將有32億~40億千瓦的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)需求量。
如前所述,我國有一定經(jīng)濟(jì)性的傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能資源約為8億千瓦??紤]到水電站、集中式電動(dòng)汽車換電站和靈活電解水制氫站等可部分用作儲(chǔ)能,最多相當(dāng)于10億千瓦儲(chǔ)能裝機(jī)。因而,還有14億~22億千瓦以上的儲(chǔ)能容量需求空缺需要通過其他儲(chǔ)能方式來彌補(bǔ)。地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)可以很好地為填補(bǔ)這一缺口提供解決方案。
按照一座地下抽水儲(chǔ)能電站地下隧道總長40公里、每座電站裝機(jī)200萬千瓦計(jì)算,我國大概需要建地下抽水儲(chǔ)能電站700~1100座。按照地下抽水儲(chǔ)能工程7500元/千瓦的建設(shè)成本估計(jì),可以直接帶動(dòng)10萬億~16萬億元投資。這既能促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模消納,又可大量釋放我國過剩的傳統(tǒng)產(chǎn)能,讓傳統(tǒng)產(chǎn)能和中國基建優(yōu)勢為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)作出重大貢獻(xiàn)。這在當(dāng)今需要提振內(nèi)需以拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的背景下,具有重大戰(zhàn)略意義。
全面實(shí)現(xiàn)地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、裝備制造和工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維等成套技術(shù)體系,促進(jìn)地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)在我國乃至全世界的推廣應(yīng)用,可為我國打造高鐵之外又一張新名片。
加快實(shí)施地下抽水儲(chǔ)能工程的建議
為加快實(shí)施地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)工程,筆者提出以下建議。
首先,設(shè)立地下抽水儲(chǔ)能重大科技項(xiàng)目,由國家綜合性權(quán)威科研機(jī)構(gòu)牽頭會(huì)同有關(guān)部門和企業(yè)對(duì)地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)工程可研論證,并系統(tǒng)調(diào)查分析我國地下抽水儲(chǔ)能的資源分布和未來需求,為合理布局地下抽水儲(chǔ)能電站奠定基礎(chǔ)。在以上論證基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升地下工程建設(shè)裝備的制造能力和水平;經(jīng)過10年左右的攻關(guān),全面攻克高水頭地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料,形成關(guān)鍵設(shè)備的制造能力、地下工程設(shè)計(jì)和施工以及地下抽水儲(chǔ)能電站運(yùn)維能力,建設(shè)規(guī)模適度的示范工程,為全面推廣地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
其次,結(jié)合我國可再生能源資源分布和負(fù)荷資源分布,確立地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)中長期規(guī)劃方案,在源側(cè)、網(wǎng)測、負(fù)荷側(cè)構(gòu)建地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),支撐大規(guī)模新能源消納和新型電力系統(tǒng)建設(shè)。同時(shí),還可根據(jù)已有地下引水工程和國家水網(wǎng)工程發(fā)展規(guī)劃,因地制宜開展地下抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)并和灌溉工程有機(jī)結(jié)合;積極拓展地下抽水儲(chǔ)能的國際業(yè)務(wù),輸出相關(guān)技術(shù)、裝備和勞務(wù),為全球碳減排提供中國方案。
原標(biāo)題:發(fā)展地下抽水儲(chǔ)能 為碳減排提供中國方案