中國儲能網(wǎng)訊：為實現(xiàn)碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標，可再生能源發(fā)電的規(guī)?？焖偬嵘餐苿恿藘δ苄袠I(yè)的發(fā)展。近日，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)了《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，為儲能賽道再添了一把火。本次實施方案提出的新型儲能，主要針對的是以鋰電池為代表的電化學(xué)儲能。
鋰電池儲能的風(fēng)口處自然熱鬧非凡，國內(nèi)動力電池企業(yè)大多都在開辟儲能業(yè)務(wù)，作為極為重要的第二增長曲線。
然而事實上，儲能技術(shù)是多種多樣的，常見的是電化學(xué)儲能和機械儲能兩大類。電化學(xué)儲能作為增長最快的細分領(lǐng)域吸粉最多，而默默擔當大任的機械儲能卻已悄然迎來了發(fā)展的拐點，值得投資者及各界人士深入追蹤。 本文將嘗試分析大家并不熟悉卻前景同樣廣闊的—— 抽水蓄能 ：
為什么說它既是儲能產(chǎn)業(yè)的基石，又是風(fēng)電、光伏及核電等整個新型電力系統(tǒng)的壓艙石？
圖1：儲能技術(shù)分類，資料來源：派能科技招股說明書
01儲能產(chǎn)業(yè)的基石—抽水蓄能
【1】何謂抽水蓄能？
雖然抽水蓄能對大多數(shù)人來說都是陌生的領(lǐng)域，但它并不是什么新鮮的技術(shù)。抽水蓄能作為最早的大容量儲能技術(shù)，從20世紀中期開始就被大量運用，逐漸成為 全世界應(yīng)用最為廣泛的儲能技術(shù) 。
據(jù)國際水電協(xié)會 （IHA） 發(fā)布的2021全球水電報告，截至2020年底，全球抽水蓄能裝機規(guī)模為1.59億千瓦，占儲能總規(guī)模的94%。在我國，抽水蓄能在儲能領(lǐng)域同樣是主導(dǎo)者。
圖2：截至2020年末中國抽水蓄能占比，資料來源：CNESA
抽水蓄能，按字面意思理解，即利用水作為儲能介質(zhì)，通過電能與水的勢能相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電能的儲存和釋放。通常一座抽水蓄能電站由兩座海拔高度不同的水庫、水輪機、水泵以及配套的輸水系統(tǒng)等組成。
【2】工作原理
我們都熟悉，水力發(fā)電的原理是把水的勢能轉(zhuǎn)化為電能。抽水蓄能技術(shù)和水力發(fā)電技術(shù)是一脈相承的，底層技術(shù)都是勢能和電能的相互轉(zhuǎn)換。
在抽水蓄能電站運行過程中，當用電處在低谷時，先用電網(wǎng)中富余的電將水抽到上水庫儲存，這個過程是把電能轉(zhuǎn)化為水的勢能；等到用電高峰來的時候，再將上水庫的水放出來，水流順勢而下推動水輪機發(fā)電，電就“送回去”了。
抽水蓄能有兩種方式，一種是純抽水蓄能，國內(nèi)建的大部分都是這類，比如廣州抽水蓄能電站、河北豐寧抽水蓄能電站；另一種是混合式抽水蓄能，是在純抽水蓄能的基礎(chǔ)上安裝有普通水輪發(fā)電機組，可以利用上河道的水流發(fā)電。后者既有儲能的作用，又擁有常規(guī)水電站的功能。
圖3：抽水蓄能電站示意圖，資料來源：鵬芃科藝
【3】建設(shè)抽水蓄能的必要性
鑒于風(fēng)電、光伏資源的特殊性，風(fēng)電、光伏裝機容量在負荷高峰時存在不能充分利用的可能性。 故而建設(shè)抽水蓄能電站的必要性格外凸顯：它可以同等程度替代煤電裝機容量，并發(fā)揮調(diào)峰、填谷等特殊功能，能夠顯著減輕電網(wǎng)調(diào)峰壓力。
具體來說，建設(shè)抽水蓄能電站，可以有效改善電網(wǎng)系統(tǒng)運行條件，降低系統(tǒng)煤耗量，提高水電、風(fēng)電資源的利用程度，保證核電機組安全平穩(wěn)運行，提高核電運行效益，從而促進能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和清潔能源、可再生能源的發(fā)展。
【4】抽水蓄能的優(yōu)點
1) 技術(shù)成熟
在我國，抽水蓄能早在20世紀60年代就實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國的抽水儲能技術(shù)已經(jīng)處于世界一流水平。
圖4：中國抽水蓄能電站發(fā)展歷程，資料來源：中國改革報《能源發(fā)展》周刊，華創(chuàng)證券
2) 運行成本低
看到運行成本低，相信很多人會疑問，抽水蓄能電站是個大工程，成本能低到哪里去？實際上， 抽水蓄能電站度電成本（即儲能電站總投資/儲能電站總處理電量）遠低于其他儲能方案。
具體來說，根據(jù)國家能源局披露抽水蓄能在建項目數(shù)據(jù)，抽蓄電站平均單位裝機投資金額為6136元/千瓦，初始投資確實較大，但 抽水蓄能電站建成之后穩(wěn)定運營期超過50年，甚至長達100年，長期保值攤薄了各項費用。 這就跟水力發(fā)電一樣，雖然建造成本高昂，但綜合下來反倒是最經(jīng)濟的電力來源。
根據(jù)澳洲國立大學(xué)研究團隊的成本模型數(shù)據(jù)：使用100%可再生能源電力系統(tǒng)發(fā)電成本約$30/MWh，平衡成本約$20/MWh （含抽水蓄能、高壓直流輸電和光伏/風(fēng)電溢漏成本） ，總度電成本約為$50/MWh （約合人民幣0.32元/KWh） 。
反觀 電化學(xué)儲能雖然裝機成本低，但其壽命跟抽水蓄能相比實在太短 。當前成本較低的磷酸鐵鋰電池，循環(huán)壽命往往只有5000次左右，導(dǎo)致其度電成本高達0.62-0.82元/kWh。顯然，抽水蓄能是現(xiàn)成的較為經(jīng)濟的儲能技術(shù)，有抽水儲能在，我們不必過于依賴鋰電池或其他儲能方式在未來能夠大幅降本。
圖5：使用100%可再生能源電力的抽水蓄能成本模型，資料來源：澳洲國立大學(xué)研究團隊
3) 儲電能力大
抽水蓄能電站額定功率一般在100-2000MW之間，是目前唯一達到GW級且能大規(guī)模使用的儲能技術(shù)。
那么抽水蓄能具體有多大能耐呢？舉個例子，今年3月17日，國家電網(wǎng)浙江泰順、江西奉新兩座抽水蓄能電站工程同時開工建設(shè)，這兩座電站裝機容量都達到了120萬千瓦，預(yù)計2030年竣工投產(chǎn)后，年發(fā)電量可達24億度。這相當于一個可以儲存24億度電的“巨型充電寶”。
還有更大的巨無霸，世界上最大抽水蓄能電站——河北豐寧抽水蓄能電站，總裝機容量360萬千瓦。電站全部投產(chǎn)后每年可消納過剩電能87億千瓦時，年發(fā)電量62.88億千瓦時，可以滿足260萬戶家庭一年的用電。豐寧抽水蓄能電站也因此成為京津冀能源電力轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵項目。
4) 響應(yīng)快
有人會問，抽水蓄能體型大，是典型的機械儲能，真到緊急調(diào)節(jié)的時候，反應(yīng)速度跟得上嗎？與煤電、氣電等相比，抽水蓄能電站的優(yōu)勢就是“更靈活”，后者啟停速度更快，從停機狀態(tài)到滿負荷運行僅需幾十秒至數(shù)分鐘。而且，抽水蓄能也一樣具備黑啟動能力。
往遠一點看，抽水儲能憑借快速響應(yīng)和大容量存儲能力可以填補煤炭和天然氣發(fā)電站退役后的空白。
5) 待開發(fā)資源豐富
由于當前大部分抽水儲能電站都與水電項目有關(guān)或者沿河而建，大家會以為建一個少一個。實際上，在遠離河流的廣闊地區(qū)，潛在的抽水蓄能站點極其豐富，也被業(yè)內(nèi)稱為離河抽水儲能。
所謂離河抽水儲能，通常只需滿足一對人工水庫 （每個面積為幾平方公里） ，彼此靠近 （相隔幾公里） ，但海拔不同（ 200-1200米的高度差 ）即可。水在兩個水庫之間通過管道無限循環(huán)，偶爾通過雨水、人工等方式來以彌補水分蒸發(fā)。而且離河抽水儲能還有個優(yōu)勢就是建設(shè)防洪設(shè)施的成本更低。
那么抽水儲能的整體規(guī)模究竟有多大呢？此前澳大利亞的研究團隊曾做過相應(yīng)研究，其在全球發(fā)現(xiàn)了約61.6萬個潛在可行的站點 （含現(xiàn)有水庫） ，儲能容量約2300萬GWh。其中，東亞地區(qū)有12.4萬個，儲能容量約為400萬GWh，相當于每百萬人口有2400GWh的潛在抽水儲能容量 （按照16.7億人口計算） 。
根據(jù)上述團隊的估算，支撐100%可再生能源電力系統(tǒng) （90%為風(fēng)電和光伏，10%為水電和生物質(zhì)能等） 所需儲能約為每百萬人20GWh，那么抽水儲能的潛在儲能容量將達到所需儲能的120倍。即使將來全社會用電量大幅提升，也足夠滿足。
換言之，未來以風(fēng)電、光伏為主要電力來源，配合抽水蓄能、特高壓、智能電網(wǎng)，就能用較為經(jīng)濟的成本支撐起以可再生能源為主的新型電力系統(tǒng)。
圖6：東亞地區(qū)擁有每百萬人2400GWh的潛在儲能容量，資料來源：澳大利亞國立大學(xué)研究團隊
到這里想必有人會疑問，依靠人工水庫的抽水儲能得多耗費水資源？基于澳大利亞電力系統(tǒng)的建模表明，假設(shè)抽水蓄能電站在20年的過渡期內(nèi)分階段進行填充水庫，平均下來就是每人每天多花3升水，這相當于2020年廣東省人均日均用水量的1.27%。
6) 安全性高
抽水蓄能利用水作為儲能介質(zhì)，安全性是毋庸置疑的 。反觀電化學(xué)儲能卻因安全事件時常引發(fā)行業(yè)內(nèi)外高度關(guān)注。就在去年4月16日，北京市就發(fā)生一起儲能電站起火爆炸事故。而韓國自2017年以來已經(jīng)發(fā)生30余起儲能火災(zāi)事故。
需要引起重視的是，鋰離子電池起火后難以被快速撲滅，極易造成重大事故，因此電化學(xué)儲能系統(tǒng)安全相關(guān)技術(shù)問題也警醒著正在高速發(fā)展的儲能產(chǎn)業(yè)，亟待終極解決方案。
順便說一句，在很多人的觀念中，磷酸鐵鋰電池是非常安全的電池。但是儲能電池是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，一個儲能模塊，往往是集裝箱一樣的大小，相當于把數(shù)百輛電動汽車的電池放在同一個空間管理，這個難度可想而知。而且未來電化學(xué)儲能的回收也是一大難點，如何避免重金屬污染的問題。這些都是電化學(xué)儲能需要克服的。
最后，抽水儲能有助于更好地利用現(xiàn)有輸電線路。舉例來說，假如光伏電站位于難以建造更多輸電線路的地區(qū)，通過確保抽水蓄能電站大部分時間 （包括夜間） 都在負載條件下運行，可以使輸電線路的工作強度進一步提高。
當然，除此上述優(yōu)勢，抽蓄儲能電站還具備儲能周期長，安全運營周期長，穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，限于篇幅這里不作贅述。
最后總結(jié)一下，如果把儲能比作電力系統(tǒng)的“充電寶”，那么抽水蓄能相當于便宜、環(huán)保又安全的巨型“充電寶”。
圖7：不同儲能的優(yōu)缺點，資料來源：錦緞研究院根據(jù)公開資料整理
02、頂層規(guī)劃催生行業(yè)大機遇
目前我國的抽水蓄能裝機容量位居世界第一，但裝機容量占電源總裝機容量比例僅為1.4%，與歐洲、日本等發(fā)達國家4%-8%的水平有著一定差距?？紤]到抽水蓄能電站建設(shè)周期跨度較長，一般在6-8年，其實 抽水蓄能的建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫。
頂層規(guī)劃發(fā)布標志著政策拐點的到來。
去年9月，國家能源局印發(fā)《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃 （2021-2035年） 》，到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番，達到6200萬千瓦以上；到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”再翻一番，達到1.2億千瓦左右。簡單估算下，未來15年時間中國抽水蓄能裝機將迎來約10倍的增長。
同時《規(guī)劃》指出，我國開展了全國性的抽水蓄能站點資源普查。綜合考慮地理位置、地形地質(zhì)、水源條件、水庫淹沒、環(huán)境影響、工程技術(shù)及初步經(jīng)濟性等因素，在全國范圍內(nèi)普查篩選資源站點，分布在除北京、上海以外的29個省 (區(qū)、市) 。另外還強調(diào)按照能核盡核、能開盡開的原則，在規(guī)劃重點實施項目庫內(nèi)核準建設(shè)抽水蓄能電站。
總之，這是國家首次將抽水蓄能從水電中分離出來單獨進行規(guī)劃，是中國迄今為止涵蓋區(qū)域最全、產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系最完整、規(guī)劃體量最大的抽水蓄能發(fā)展規(guī)劃，意味著行業(yè)將按下加速鍵。
值得一提的是， 2022年政府工作報告的正式版中，新增了“加強抽水蓄能電站建設(shè)”內(nèi)容，足以證明國家高層對抽水儲能的重視程度。
圖8：抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）目標，資料來源：能源局
行業(yè)層面，隨著電價政策也迎來拐點，抽水蓄能的投資回報率有望節(jié)節(jié)攀升。
過去幾年，國家一直在調(diào)整和完善電價機制，促進抽水儲能行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，取得了一定的成效。但是抽水儲能的盈利能力跟其它相關(guān)行業(yè)比起來還是偏弱。
直到2021年5月7日，國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》，提出堅持并優(yōu)化抽水蓄能兩部制電價政策，逐步推動抽水蓄能電站進入市場。簡單來說，就是優(yōu)化峰谷電價機制，拉大峰谷電價價差，這無疑給抽水蓄能打開了更大的盈利空間。
未來隨著電價的深入實施和改革，抽水蓄能電站不僅迎來盈利拐點，也能吸引更多企業(yè)和資本加入。
圖9：抽水蓄能過往電價機制梳理，資料來源：國家發(fā)改委，中國電力新聞網(wǎng)，華創(chuàng)證券
03、走到臺前，抽水蓄能千億新篇章開啟
【1】 “風(fēng)”、“光”無限好，儲能需趕超
在全球減排的背景下，我國提出2030年前實現(xiàn)碳排放達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的宏偉目標。而要實現(xiàn)碳中和的終極目標，光伏、風(fēng)電等可再生能源來替代化石能源是必經(jīng)之路。
自“十三五”以來，我國火電裝機量占比逐年下降，風(fēng)電、光伏裝機量占比快速增長。到2021年，火電累計裝機量占比已降至約55%，可再生能源發(fā)電占比逐步提高，未來這一占比還將繼續(xù)擴大。但同時電網(wǎng)的矛盾也日益突出。風(fēng)電、光伏作為間歇性能源，急缺大容量儲能配合使用。
究其原因，光伏和風(fēng)電這類可再生能源是典型的間歇性能源。什么意思？以風(fēng)電作為例子，一般在凌晨是風(fēng)力發(fā)電的高峰，但卻是用戶用電的低峰，發(fā)那么多電，用不完；等到早上用電高峰來了，結(jié)果風(fēng)停了，用戶又用不上風(fēng)電。這也是為什么風(fēng)電、光伏的發(fā)電量與裝機量占比存在較大差異。
圖10： 2021年我國各類電源發(fā)電量占比與累計裝機量占比對比，資料來源：wind
本來配套的儲能就缺，近幾年隨著新能源發(fā)電跨越式發(fā)展，儲能的跛腿情況更加嚴重。根據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，截至2020年末我國已投運儲能項目累計裝機規(guī)模35.6GW，占可再生能源發(fā)電裝機比重僅為3.73%，顯然儲能的裝機滯后可再生能源裝機。
未來光伏和風(fēng)能占比還有繼續(xù)提升，直到成為主要的電力來源。但是我們無法改變光伏和風(fēng)能的發(fā)電時間，所以需要儲存的電量就越來越多。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)顯示，到2030年，中國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量預(yù)計將達到12億千瓦以上，到2035年，我國電力系統(tǒng)最大峰谷差將超過10億千瓦，將來新型電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)電源需求無疑是巨大的，抽水儲能毫無疑問是首選對象。
圖11： 2014-2020年我國的儲能裝機占可再生能源裝機比例，資料來源：CNESA，能源局，中電聯(lián)
總之，抽水蓄能不僅是當下也是未來滿足100%可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求的關(guān)鍵方式，對保障電力系統(tǒng)安全、促進新能源大規(guī)模發(fā)展具有壓艙石作用。
圖12： 我國未來各電源發(fā)電量預(yù)測（萬億千瓦時），資料來源：中電聯(lián)，申萬宏源
【2】抽水蓄能的空間被打開
眾所周知，我國水能資源非常豐富，水電裝機早已是全世界第一，正好很多梯級開發(fā)的水電站都可以通過加泵和擴機變成抽水蓄能電站。另外，國內(nèi)很多小水電可以改造成小型混合抽水蓄能，夏季水量大時充當水電站發(fā)電，枯水期發(fā)揮抽水蓄能作用。更關(guān)鍵的是，抽水蓄能改造周期比較快，并且改造成本比新建低很多。
另外，以往國內(nèi)建設(shè)的都是大型抽水蓄能，卻較少有小型項目。一是因為大的設(shè)計院更傾向于做大型抽水蓄能項目，也對抽水蓄能改造項目不感興趣，畢竟大項目能賺取更高的設(shè)計費；二是小型抽水蓄能賺錢更難。
值得重申的是，《規(guī)劃》已經(jīng)提出在浙江、湖北、江西、廣東等資源較好的地區(qū)，結(jié)合當?shù)仉娏Πl(fā)展和新能源發(fā)展需求，因地制宜規(guī)劃建設(shè)中小型抽水蓄能電站。
總之，隨著可再生能源的發(fā)展和頂層規(guī)劃的發(fā)布，這部分的空間也將會逐步釋放。
那這個空間具體有多大？按照申萬宏源證券測算，到2030年我國抽水蓄能裝機規(guī)模達到1.2億千瓦，2021-2030年抽水蓄能電站投資總金額將達到驚人的4973億元。
圖13： 預(yù)計2021-2030抽水蓄能電站總投資達4973億元（單位： 萬千瓦）， 資料來源： 《荒溝抽水蓄能電站建設(shè)項目經(jīng)濟評價研究》，申萬宏源
【3】供需矛盾最大的江浙地區(qū)先行
落到投資的視角，大家自然會關(guān)心哪些地區(qū)的空間更大。
前面提到，我國已投運所有的儲能項目累計裝機規(guī)模36 GWh，再根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，目前我國在建抽水蓄能電站總規(guī)模55 GWh左右，新規(guī)劃的力度開始增強，但加起來也就將將90GWh。
再考慮到我國幅員遼闊，這些新規(guī)劃分到每一個省份就顯得更少了，地區(qū)之間對抽水蓄能的供需矛盾差異更大。
以國內(nèi)工業(yè)重鎮(zhèn)江浙地區(qū)為例，2021年僅工業(yè)用電就達到960GWh，而浙江、江蘇在建的抽水蓄能加起來不到10GWh，適配產(chǎn)能缺口之大可想而知。
根據(jù)浙江省的電源發(fā)展規(guī)劃，未來將優(yōu)先發(fā)展核電和可再生能源，積極消納區(qū)外來電，優(yōu)化發(fā)展火電，合理配置抽水蓄能電站：2030 年，浙江省接受區(qū)外電力40450MW，大量外部輸入的電力，將進一步加劇電網(wǎng)調(diào)峰壓力。
建設(shè)抽水蓄能電站，是解決電力系統(tǒng)調(diào)峰問題及確保區(qū)域電網(wǎng)安全的有效手段和經(jīng)濟現(xiàn)實手段。投入一定規(guī)模的抽水蓄能電站，不僅能解決電力缺口問題，而且較大程度緩解調(diào)峰壓力，進而減輕區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度運行對省網(wǎng)的依賴性，增強區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰的靈活性和安全性。
根據(jù)地區(qū)能源資源狀況、電力發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合系統(tǒng)擴展電源經(jīng)濟比較，考慮煤電調(diào)峰幅度 （35%左右） 、煤電年利用小時數(shù)、系統(tǒng)總耗煤量等指標，中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院經(jīng)綜合分析認為：浙江電網(wǎng)2030 年抽水蓄能合理規(guī)模約13GW?？紤]浙江省內(nèi)已、在建省內(nèi)可用7.53GW，浙江省內(nèi)還需新增5.5GW 抽水蓄能電站。
圖14： 江浙地區(qū)是國內(nèi)的用電大戶，資料來源：國家能源局
圖15： 國內(nèi)各地在建抽水蓄能裝機容量（單位： 萬千瓦），資料來源：國家能源局
雙拐點帶來行業(yè)東風(fēng)，吹暖了早已暗動的春江水。此前一直在幕后的抽水蓄能，也將走到臺前，成為新能源的第二生命線。
