抽水蓄能如何帮助拯救地球

在抽水蓄能中，有一种久经考验的技术，不仅符合未来的能源需求，而且已经使用了一个多世纪。安德鲁·韦德的报告

人们通常认为，为了减轻气候变化的最坏影响，我们需要一场包含大量新想法的能源革命。然而，电力部门脱碳所需的核心技术已经以……的形式存在可再生能源，风能和太阳能是目前增长最快的新一代能源．

批评者很快指出，一个主要问题是间歇性。如果这个问题能得到解决，能源部门就能在短短几十年内实现转型。事实上，一些国家确信我们已经有了答案。

在抽水蓄能系统中，有一种久经考验的技术不仅符合要求，而且已经使用了一个多世纪。抽水水力发电最早出现于19世纪90年代，占全球储能的97%，目前装机容量约为168GW。多余的非高峰电网电力——理论上来自可再生能源——被用来把水泵到山上，在那里它被储存为重力势能。当电力需求高的时候，水会被释放到山下的涡轮机中，升高的水库本质上就像巨大的电池一样帮助平衡电网。

目前，英国有四个正在运营的工厂。当最年轻的——斯诺登尼亚的Dinorwig——在30多年前建造时，它是政府公司授予的最大的土木工程合同。今天，就在格林朗威的公路上，一个新的抽水蓄能项目正在由私人公司斯诺登尼亚抽水水力公司(SPH)开发。99.9MW的发电量和700MWh的存储容量，单靠它无法解决气候变化问题。然而，在评选过程中，英国还出现了数百个其他可行的网站。通过开发其中的一小部分，抽水水力可能会成为英国清洁能源拼图中最后一块缺失的部分。

SPH的母公司Quarry Battery Company (QBC)的董事总经理Dave Holmes解释说:“我们从一些湖泊、矿山、采石场等的数据库入手，编写了一个小算法来比较它们，看看它们有多接近，然后尝试匹配。”

“我们找到了大约1000个地点，或潜在的配对，然后我们在谷歌地球上周游全国，看一看它们，试图找出哪些是最好的。”

理想情况下，两个水体的大小需要相似，高度或头部的差距要合适。除了确定技术上理想的地点，团队还必须考虑其他因素，如规划风险、靠近电网和附近的保护区。格林·朗维的两座废弃的板岩矿符合很多条件。

福尔摩斯说:"有几件事对它有好处。“它非常接近国家电网的传输系统。与头部相比，你需要的隧道的长度;这地方很陡，也就是说我们建的隧道不会太长。这个梯度其实是一个很大的挑战。这是19%……我们希望一路走到山顶。”

这片土地恰好属于当地议会，他们计划把下游的水库开发成工业区。迁就SHP的发电站将不会是一个巨大的改变。

霍姆斯说:“我们认为这是对土地的回收利用，而不是使用一些新土地。”

几年前，Glyn Rhonwy获得了49.9兆瓦电厂的批准，但能源市场的变化促使SPH重新考虑设计。修订后的99.9兆瓦核电站计划于2017年3月获得批准。根据Holmes的说法，唯一的重大变化是加入了两台49.9MW的涡轮机，而不是原来的一对24.95MW的设备。

他解释说:“我们发现那里的容量比我们最初了解的要大，如果没有一个更强大的涡轮机，那将是对容量的浪费。”

国家电网的容量机制也促进了这一变化。尽管在最初的计划中，SPH的存储容量为600兆瓦时，但它只会因为49.9兆瓦的输出而获得奖励。通过将其翻倍至99.9兆瓦，该项目将通过该机制获得的收入翻倍。修改后的700兆瓦容量将足以为20万户家庭每天提供7小时的电力。尽管建设成本将从1.4亿英镑增加到1.6亿英镑，但霍姆斯认为，投资的回报期应该减半至10年以下——这只是电厂预计125年运营寿命的一小部分。

“这是一个非常令人兴奋的时刻，因为我们看到了隧道尽头的光，”他说。“我们希望明年某个时候破土动工，但也可能是后年早些时候。”

随着格林朗威(Glyn Rhonwy)的建设正在进行，一个完全不同品种的抽水水电厂将在8000公里外接近完工。丰宁抽水蓄能电站位于北京北部，装机容量为3600兆瓦，是世界上最大的抽水蓄能电站。它的发电机将由一个上部蓄水池提供近4900万立方米的水，足以填满1.95万个奥运泳池。相比之下，Glyn Rhonwy的每个水库仅能容纳100多万立方米。

投资18.7亿美元(14.2亿英镑)的丰宁电站将在一个洞穴中配备12个300MW的水泵涡轮机。其中10台将是与当地供应商签订的固定速度设备。最后两个项目将是由安德里茨公司(Andritz)提供的变速水泵涡轮机，这家奥地利工程巨头在水力发电方面有着悠久的历史。

安德里茨市场管理高级副总裁亚历山大•施瓦布向记者解释说:“主要的区别在于发电机的设计完全不同。工程师．“对于传统的同步发电机，极点的数量和电网的频率将决定机组的转速。这定义了涡轮/泵的设计速度。因此，对于水泵涡轮来说，有必要在最优涡轮和最优泵之间找到一个折衷的方法。

据Schwab介绍，这种可变涡轮可以分别设计泵送和发电的运行范围。这将使丰宁能够更好地管理其输出，并提供更多的网格灵活性。

安德里茨此前曾在德国Goldisthal抽水蓄能设施安装过这项技术，但这是中国不断扩大的水电行业首次使用变速机组。施瓦布说:“考虑到所有的事实，这将是一个安德里茨方面最需要关注的项目。”

当丰宁电站投产后，中国将拥有世界上最大的四个抽水蓄能电站中的三个。如果中国要摆脱对煤炭的依赖，这项技术被认为越来越重要。煤炭是近几十年来工业进步的动力。中国各地的空气污染，尤其是北京周边，已经达到了令人担忧的程度，以至于它不再是一个简单的公共健康问题。中国环境保护部部长李干杰近日表示，空气质量已经成为关系到社会稳定的问题。尽管中国仍然是世界上最大的污染国，但它已经承诺减少二氧化碳排放₂到2030年，碳排放将减少60%至65%。如果要实现这一点，可再生能源的大规模扩张，加上抽水蓄能，将需要发挥关键作用。

在英国，另一个重大项目的计划正在进行中。虽然与丰宁电站的规模不同，但Coire Glas抽水电站的发电量将达到1500兆瓦。它将位于威廉堡以东，位于苏格兰高地的大峡谷中。开发商SSE计划以Loch Lochy作为水体的下半部分，在500米以上修建上部水库，坡度相对较陡，能效较好。

几年前，该项目获得了建设一座规模较小的600兆瓦发电厂的规划许可，但与Glyn Rhonwy一样，这些计划必须扩大规模，以使该项目更具商业吸引力。2017年5月，SSE提交了一份修订方案的范围报告，苏格兰政府有望在不久的将来做出决定。重要的是，Coire Glas将拥有储存大量能量的能力——约30GWh——超过英国现有所有存储容量的总和。该公司表示，这将有助于提供整合更多可再生能源所需的灵活性，以及随着电动汽车的增长而预期的使用模式的变化。

Coire Glas项目经理Andy Gregory表示:“SSE认为在英国交付新的抽水蓄能项目会带来明显的好处。工程师．“这是一项经过验证的技术，可部署在数十GWh规模，响应时间短，能够为系统提供多种重要服务。”

在英国各地有数百个潜在的抽水水力发电站，这些“低垂的果实”加起来约为50GWh。QBC的霍姆斯表示，由于地形原因，这些火山主要分布在苏格兰和威尔士。

他说:“我们对这个数字的最佳估计是50GWh左右。”

这些地点中的一些在本质上与Glyn Rhonwy和Coire Glas相似，在那里有双重的淡水体将协同工作。然而，其他网站就不那么传统了。QBC获得了资金，在英国各地探索非标准地点的可行性，看海水，饮用水和低头的机会。

尤其是海水，既带来了独特的机遇，也带来了独特的挑战。利用海洋作为较低的“水库”，可以打开许多以前被忽视的位置，因为从理论上讲，所有需要的都是靠近海岸的高地。但海水会带来污染和腐蚀等并发症，使用公海会影响海洋生物，并对海岸剖面产生不利影响。

到目前为止，只有一个海水项目已经投入使用——日本冲绳延巴鲁海水抽水蓄能电站。它建于1999年，其特色是一个引人注目的八角形上部水库，设置在茂盛的沿海植被中。压力管不是钢制的，而是用纤维增强塑料制成的，以避免腐蚀和藤壶污垢，水泵涡轮采用不锈钢，以提高耐海水能力。尽管该电站被广泛誉为工程上的成功，但由于不再满足当地的电力需求，该电站于2016年被关闭。

尽管只有一个试点项目，但包括英国在内的几个国家正在探索海水抽水蓄能。南澳大利亚州拟建的Cultana电厂可以发电225MW，存储时间为8小时。该地区已经支持可再生能源，但干旱的条件让传统的抽水水力发电变得棘手。将现有的太阳能和风能发电与沿海储存工厂相结合，有望成为一种创新的解决方案。

在澳大利亚的其他地方，计划中的“雪域水电2.0”项目将寻求在已有的长期建立的水电发电基础上增加抽水蓄能。如果建成，将增加2000兆瓦的发电能力和350兆瓦时的大规模存储能力。今年，澳大利亚国立大学(ANU)对其他可行地点进行了一项由政府支持的研究，确定了2.2万个地点，其中大部分位于人口更密集的东海岸。这些设备加在一起可以提供大约67000gwh的存储空间。

澳大利亚国立大学(ANU)工程学教授、该报告的作者之一安德鲁·布莱克(Andrew Blakers)最近表示:“我们只需要建造大约20个，就可以支持一个100%可再生电网。”

“抽水水力、高压直流连接状态、风能、电池和需求管理可以完成整个工作。不只是电力，而是能源的全部工作:电力陆路运输，电力供暖和制冷。每个可以是75

通过电气化几乎所有的东西来减少澳大利亚温室气体的排放，我认为这是未来15到20年将要发生的事情。”

就潜在地点而言，英国的地形可能不像澳大利亚那样丰富，但有充足的资源可供开发。如果潮汐泻湖最终获得批准，它们还可以包括抽水水元素，以及通过其自然地理分散来帮助平衡电网。而且，鉴于风能和太阳能的成本仍在暴跌，英国没有理由不能在未来20年完全实现低碳。事实上，澳大利亚人已经参加了比赛，这只会带来额外的激励。

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