抽水蓄能，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的強(qiáng)心劑

新型電力系統(tǒng)，從電源結(jié)構(gòu)組成來說，“新”在以新能源為主體。未來將逐步經(jīng)歷化石能源電源為主導(dǎo)、化石能源與新能源在功能主體上各半壁江山、以新能源主體的轉(zhuǎn)化過程。而風(fēng)電、太陽能等新能源因其隨機(jī)性、波動性、間歇性的特點(diǎn)，隨著規(guī)模占比的逐漸增大，對新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行會帶來比較大的沖擊，因此迫切需要建設(shè)抽水蓄能電站以提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和促進(jìn)大規(guī)模新能源發(fā)展。

眾所周知，抽水蓄能電站是利用低谷時其他電源（包括火電、核電、水電），特別是即將成為電力系統(tǒng)主角的風(fēng)電、光伏的多余電能，抽水到上水庫存儲起來，待尖峰負(fù)荷時發(fā)電。也就是說，抽水蓄能抽水時相當(dāng)于一個用電大戶，其作用是把日負(fù)荷曲線的低谷填平，即實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站獨(dú)一無二的“填谷”作用。通過“填谷”，使火電出力平衡，降低了煤耗，實(shí)現(xiàn)了碳減排；通過“填谷”，將“棄風(fēng)棄電”變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了“綠色抽水”，提高了風(fēng)電光伏資源的利用率；通過“填谷”，平抑了新能源發(fā)電出力的波動性，維護(hù)了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

可以說，抽水蓄能電站是優(yōu)化當(dāng)?shù)仉娫唇Y(jié)構(gòu)的“平衡器”、提高清潔能源消納的“調(diào)節(jié)器”和電力系統(tǒng)安全可靠的“穩(wěn)定器”，是綠色低碳清潔的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的保障軍和強(qiáng)心劑。

新型電力系統(tǒng)為什么要以新能源為主體？這是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的必然選擇。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，必將倒逼能源行業(yè)以清潔低碳為方向，全面加快結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型。近十年來，我國風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電迅猛增長，裝機(jī)占比從5%提高到24%，煤電裝機(jī)比重2020年歷史性降到了50%以下。預(yù)計(jì)2030年中國新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將超過煤電，成為第一大電源；2060年前，新能源發(fā)電量占比有望超過50%，成為電量主體。

大規(guī)模新能源并網(wǎng)，對電力系統(tǒng)有影響嗎？有！風(fēng)電、光伏等新能源具有隨機(jī)性、波動性、間歇性，大規(guī)模開發(fā)并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)“雙高雙峰”特征日益凸顯，對確保電網(wǎng)安全運(yùn)行和電力可靠供應(yīng)帶來巨大挑戰(zhàn)。

大規(guī)模新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，靠什么來解決呢？抽水蓄能?，F(xiàn)階段抽水蓄能電站是唯一兼?zhèn)浼夹g(shù)成熟、規(guī)模大、壽命長、造價低等優(yōu)勢的調(diào)峰儲能電源，是任何其他蓄能電源所不可替代的，可顯著提高新能源的消納規(guī)模，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

以呼和浩特抽水蓄能電站為例，電站裝機(jī)容量1200MW，服務(wù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)。內(nèi)蒙古電網(wǎng)風(fēng)電大發(fā)期與供熱期重疊，風(fēng)電夜間大發(fā)出力遠(yuǎn)大于最低負(fù)荷，此時火電無降負(fù)荷深度調(diào)峰的能力，減少“棄風(fēng)”只能依靠抽水蓄能電站。根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，呼和浩特抽水蓄能電站投產(chǎn)后，棄風(fēng)率減少5%以上，棄光率減少2%以上，消納新能源作用顯著。

總體而言，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，抽水蓄能的存在，已然成為電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的強(qiáng)心劑；抽水蓄能抽水的電，亦將逐漸由火電等化石能源過渡到新能源綠色余電，并發(fā)出高質(zhì)量綠電供用戶使用。從抽到發(fā)，抽水蓄能不但提升了新能源的資源利用率，而且提供了綠色環(huán)保的高峰電能，說它是綠色之能，當(dāng)之無愧。

任何時期的電力系統(tǒng)，對負(fù)荷的調(diào)節(jié)需求都是非常重要的，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的負(fù)荷變化會威脅到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，嚴(yán)重時，會使整個電力系統(tǒng)發(fā)生崩潰，特別是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的過程中，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電電源比例的逐步大規(guī)模提高，亟需電力系統(tǒng)內(nèi)有一定規(guī)模的、調(diào)節(jié)性能好的調(diào)峰電源進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全。目前，我國大多數(shù)電力系統(tǒng)傳統(tǒng)調(diào)峰電源都是以火電為主，而火電調(diào)峰，一是負(fù)荷調(diào)整速度比較慢，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)負(fù)荷急劇變化；二是在進(jìn)行深度調(diào)峰時，發(fā)電煤耗增加較大，能耗大、不環(huán)保、碳排放大、運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)；三是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，若仍依靠火電高能耗深度調(diào)峰，不但違背了國家低碳轉(zhuǎn)型的政策導(dǎo)向，也與“綠色火電”發(fā)展理念相悖。

抽水蓄能電站是目前唯一同時兼?zhèn)湎鞣?、填谷雙重功能的大規(guī)模儲能電源。抽水蓄能電站能有效地承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)，從而替代了煤耗率高、發(fā)電成本貴的調(diào)峰火電機(jī)組，使系統(tǒng)燃料消耗減少，調(diào)峰碳減排效益明顯。

另外，抽水蓄能電站在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時，利用腰荷火電機(jī)組空閑容量所發(fā)出的電能作為抽水電源，從而使這部分腰荷轉(zhuǎn)變成基荷，這部分火電機(jī)組能在均勻、穩(wěn)定的負(fù)荷下高效率的運(yùn)行，即改善了火電機(jī)組的運(yùn)行條件，又提高了機(jī)組設(shè)備利用率，降低了廠用電率和煤耗率，填谷的碳減排效益同樣顯著。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，若京津及冀北電網(wǎng)2030年新增抽水蓄能電站120萬千瓦，電站建成后電力系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)煤19.2萬噸，減少CO2排放45.5萬t、減少飛灰4.8萬t。如果考慮其對整個電力系統(tǒng)的碳減排效果，即使僅考慮其對系統(tǒng)內(nèi)火電的影響，也可通過節(jié)約系統(tǒng)煤耗，使整個電力系統(tǒng)能量利用率達(dá)到130%以上。

從對整個電力系統(tǒng)的碳減排效果來看，采用抽水蓄能電站調(diào)峰，可減少火電深度調(diào)峰次數(shù)，延長火電機(jī)組在高效率區(qū)平穩(wěn)運(yùn)行時間，從而有效降低系統(tǒng)內(nèi)火電煤耗，節(jié)省燃料及減少二氧化碳排放量，降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本，達(dá)到節(jié)能減排的效果?？梢哉f，在任何時期的電力系統(tǒng)中，抽水蓄能電站都始終扮演著節(jié)能減排小能手的角色，稱它為低碳之能，當(dāng)之無愧。

抽水蓄能電站以水為介質(zhì)，通過水量循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了勢能和電能的轉(zhuǎn)化，是先進(jìn)能源技術(shù)的巨大創(chuàng)新應(yīng)用。

抽水蓄能電站與常規(guī)水電不同，既是發(fā)電廠，又是用電戶。也就是在電網(wǎng)用電最少的時候，通常所說的負(fù)荷低谷時段，利用電網(wǎng)內(nèi)部消耗不掉的電能將下水庫的水抽到上水庫，轉(zhuǎn)換成水的勢能儲存起來，此時抽水蓄能電站是電網(wǎng)內(nèi)的一個用戶；等到電網(wǎng)用電高峰的時候，通過水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電將上水庫的水放到下水庫，從而完成水的勢能到電能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到彌補(bǔ)用電缺口的目的，這個時候抽水蓄能電站是電網(wǎng)內(nèi)的一個發(fā)電站。抽水蓄能電站通過能量轉(zhuǎn)換可有效減小系統(tǒng)峰谷差，將系統(tǒng)價值低、多余的低谷電能轉(zhuǎn)換為價值高、必需的高峰電能。抽水蓄能電站是以水為介質(zhì)的清潔能源電源，在整個能量轉(zhuǎn)換過程中不耗水，不產(chǎn)生污染的水。

目前，我國儲能領(lǐng)域中，抽水蓄能是唯一的技術(shù)成熟可靠的大規(guī)模儲能電源，其次為電化學(xué)儲能，截至2020年底，我國已投運(yùn)儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為3560萬千瓦，電化學(xué)儲能僅占9.2%。雖然儲能電池的發(fā)展迅速，但其在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以鋰電池為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均提取每噸鋰大約需要190萬升水，對周圍的生態(tài)系統(tǒng)有一定的影響；同時，在回收利用環(huán)節(jié)，儲能電池中含有汞、鉛等重金屬物質(zhì)，回收處理不當(dāng)，會污染地下水和土壤，面臨較大的環(huán)境影響和環(huán)境安全問題。且儲能電池壽命較短，大規(guī)模的推廣使用也會面臨巨大的回收壓力。

抽水蓄能電站通過抽水、發(fā)電運(yùn)行，消納了不穩(wěn)定的新能源，發(fā)出了優(yōu)質(zhì)的高峰電，未產(chǎn)生污染的水。因此，稱之為清潔之能，當(dāng)之無愧。

總之，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)是黨中央的重大決策部署，是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，迫切需要通過發(fā)展儲能等措施提升靈活調(diào)節(jié)和電能存儲能力。作為目前公認(rèn)的最安全、最穩(wěn)定、最成熟、最環(huán)保、最經(jīng)濟(jì)的儲能電源，抽水蓄能優(yōu)勢明顯。大力發(fā)展抽水蓄能，發(fā)揮其綠色、低碳、清潔的調(diào)節(jié)作用，對于更好地服務(wù)“雙碳”目標(biāo)和保障新型電力系統(tǒng)安全，具有十分重要和深遠(yuǎn)的意義。

未來已來，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)正逐步構(gòu)建，綠色低碳清潔的抽水蓄能電站，已做好準(zhǔn)備。（作者系中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司規(guī)劃發(fā)展研究院室主任）