中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第3章 機(jī)械儲(chǔ)能
3.1簡(jiǎn)介
為了存儲(chǔ)能量，電能和機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，并且有各種形式（例如重力勢(shì)能或動(dòng)能），也可以用來(lái)壓縮氣體儲(chǔ)能。其中一些機(jī)械形式的儲(chǔ)能技術(shù)適用于部署大規(guī)模的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。作為一個(gè)主要儲(chǔ)能類別，機(jī)械儲(chǔ)能包含多種技術(shù)，它們與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)并不相同。事實(shí)上報(bào)告指出，抽水蓄能 (PSH)設(shè)施和壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES) 這兩種主要的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)從技術(shù)或?qū)嵤┑慕嵌葋?lái)看幾乎沒有共同之處。然而確實(shí)有一個(gè)重要的共同點(diǎn)：這些機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)的能量密度遠(yuǎn)低于化學(xué)儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能的能量密度。這兩種機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)占地面積大，必須在地質(zhì)條件有利的位置部署，并且不適合實(shí)現(xiàn)模塊化。
抽水蓄能(PSH)設(shè)施是通過電力將水從下游水庫(kù)抽到上游水庫(kù)存儲(chǔ)，以重力勢(shì)能的形式儲(chǔ)存電能，這是一項(xiàng)成熟且廣泛部署的儲(chǔ)能技術(shù)，2020年占美國(guó)電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能容量的98%以上，占美國(guó)總儲(chǔ)能容量的87%。然而，自從上世紀(jì)90年代以來(lái)，抽水蓄能(PSH)設(shè)施在美國(guó)和許多其他國(guó)家（中國(guó)是明顯的例外）的部署目前已經(jīng)顯著放緩。除了其他因素之外，這種部署放緩反映了由于更加靈活的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施的增加以及在電力市場(chǎng)重組中為抽水蓄能(PSH)設(shè)施融資困難而導(dǎo)致的當(dāng)日能源套利價(jià)值降低。然而，最近在美國(guó)的分析和許可經(jīng)驗(yàn)表明，在選址環(huán)境可接受的抽水蓄能(PSH)方面具有巨大的潛力。實(shí)現(xiàn)這一潛力取決于深度脫碳電力系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的價(jià)值、抽水蓄能(PSH)相對(duì)于其他長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方案的競(jìng)爭(zhēng)力以及為抽水蓄能設(shè)施(PSH)融資的能力。
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)的工作原理是壓縮空氣并儲(chǔ)存壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的熱量。幾十年來(lái)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)作為一種潛在的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能解決方案并被廣泛討論，
但該技術(shù)在過去30年中并沒有大規(guī)模部署，因?yàn)槭鹦碌膲嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)存在重大障礙。
雖然研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注的重點(diǎn)是抽水蓄能(PSH)和壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)，但本章簡(jiǎn)要討論了其他機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，如固體重力儲(chǔ)能、地下壓縮空氣儲(chǔ)能和液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。基于動(dòng)能儲(chǔ)能系統(tǒng)（例如飛輪系統(tǒng)）的儲(chǔ)能容量太小，不足以支持嚴(yán)重依賴可再生能源發(fā)電的電網(wǎng)，在此處不予討論。
3.2 抽水蓄能
3.2.1 抽水蓄能 (PSH)的概述
抽水蓄能（PSH）設(shè)施由兩個(gè)不同高度的水庫(kù)組成。通常在需求較低的非峰值期間采用電力將水從下游水庫(kù)抽到上游水庫(kù)來(lái)儲(chǔ)存能量。 然后在電力需求峰值期間將水從較高的水庫(kù)通過水力渦輪輪機(jī)釋放到下游水庫(kù)中來(lái)發(fā)電。 現(xiàn)有的抽水蓄能（PSH）設(shè)施的往返效率從 65% 到 80% 不等，而最新建設(shè)的抽水蓄能（PSH）設(shè)施的效率估計(jì)約為 75%，但某些項(xiàng)目的往返效率可能高達(dá)82%。
就裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量而言，抽水蓄能（PSH）是迄今為止在美國(guó)和全球范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位的儲(chǔ)能技術(shù)。一個(gè)抽水蓄能（PSH）設(shè)施的裝機(jī)容量通常高達(dá)數(shù)百兆瓦到為數(shù)吉瓦，儲(chǔ)能容量通常高達(dá)數(shù)吉瓦時(shí)。截至2018年底，全球各地運(yùn)營(yíng)的抽水蓄能（PSH）設(shè)施總裝機(jī)容量為166GW，此外正在建設(shè)50GW以上抽水蓄能（PSH）設(shè)施（預(yù)計(jì)到2030年完成），還有更多項(xiàng)目正在規(guī)劃中。抽水蓄能（PSH）設(shè)施的總儲(chǔ)能容量的數(shù)據(jù)并不完整，但那些抽水蓄能（PSH）設(shè)施的水庫(kù)通?？梢匀菁{足夠的水，持續(xù)時(shí)間通常長(zhǎng)達(dá)8～12小時(shí)。一些抽水蓄能（PSH）設(shè)施的水庫(kù)足夠大，持續(xù)時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)天，甚至可以排放一周或更長(zhǎng)時(shí)間。假設(shè)無(wú)法獲得更具體信息的抽水蓄能（PSH）設(shè)施的平均持續(xù)時(shí)間為10小時(shí)，估計(jì)全球現(xiàn)有抽水蓄能（PSH）設(shè)施總儲(chǔ)能容量約為8,000GWh。
而采用水庫(kù)蓄水發(fā)電的傳統(tǒng)電設(shè)施與抽水蓄能（PSH）設(shè)施的不同之處在于它不提供直接的儲(chǔ)能功能。盡管如此，傳統(tǒng)水電設(shè)施可以成為零碳可調(diào)度電力的重要來(lái)源，為電力系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施提供補(bǔ)充。例如，釋放水庫(kù)儲(chǔ)存的水來(lái)發(fā)電的抽水蓄能（PSH）設(shè)施可以減少其發(fā)電量釋放以適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電量的增長(zhǎng)。雖然這種情況不涉及將水抽到上游水庫(kù)，抽水蓄能（PSH）設(shè)施可以與新增的風(fēng)電設(shè)施和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施相結(jié)合，在上游水庫(kù)儲(chǔ)存更多的水，以支持在風(fēng)電設(shè)施和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施發(fā)電量較低的時(shí)期增加發(fā)電量。對(duì)現(xiàn)有水電系統(tǒng)和相關(guān)輸電資產(chǎn)的投資可以進(jìn)一步提高補(bǔ)充風(fēng)電和太陽(yáng)能設(shè)施的發(fā)電能力。事實(shí)上，這種方法可以廣泛應(yīng)用于擁有大量水電資產(chǎn)的發(fā)達(dá)和新興市場(chǎng)發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體。
3.2.2 抽水蓄能（PSH）的不同區(qū)域增長(zhǎng)軌跡
抽水蓄能（PSH）設(shè)施于19世紀(jì)90年代首次部署在歐洲。直到1970年，全球抽水蓄能（PSH）裝機(jī)容量的一半以上位于歐洲。從上世紀(jì)70年代開始，美國(guó)和日本建造了一些大型的抽水蓄能（PSH）設(shè)施。抽水蓄能（PSH）裝機(jī)容量的增加通常與大型燃煤發(fā)電廠和核電廠的擴(kuò)建有關(guān)，這些電廠的投資成本較高，但相對(duì)于其他類型的發(fā)電設(shè)施而言運(yùn)營(yíng)成本較低。抽水蓄能（PSH）使這些工廠能夠全天候或接近滿負(fù)荷運(yùn)行，因?yàn)樵谝归g電力需求較低時(shí)產(chǎn)生的多余電力可用于在一天中的峰值期間抽水到上游水庫(kù)。直到2000年，日本、美國(guó)和歐洲合計(jì)占全球抽水蓄能（PSH）儲(chǔ)能容量的80%以上（圖3.1）。從本世紀(jì)初開始，中國(guó)迅速成為抽水蓄能（PSH）的主要建設(shè)者，其新增項(xiàng)目數(shù)量超過了世界其他地區(qū)的總和。中國(guó)目前擁有和運(yùn)營(yíng)的抽水蓄能（PSH）設(shè)施的裝機(jī)容量在全球領(lǐng)先，在2015年超過美國(guó)，2017年超過日本。雖然有40多個(gè)國(guó)家擁有抽水蓄能（PSH）設(shè)施，但排名前20位的國(guó)家占全球裝機(jī)容量的91%。除了中國(guó)以外，新的抽水蓄能（PSH）項(xiàng)目高度集中在西歐，盡管日本、韓國(guó)和印度也在建設(shè)一些抽水蓄能（PSH）設(shè)施。而規(guī)模較小和欠發(fā)達(dá)國(guó)家開展的抽水蓄能（PSH）項(xiàng)目很少。
圖3.1世界各地的抽水蓄能設(shè)施裝機(jī)容量的增長(zhǎng)增況
將傳統(tǒng)水電重新定位為平衡可變可再生能源（VRE）發(fā)電的選項(xiàng)
現(xiàn)有的水電設(shè)施在裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量方面都是潛力非常大的資源。2019年全球水電總裝機(jī)容量為1132GW，其中美國(guó)為78GW，水力發(fā)電量占全球發(fā)電量的16%，占美國(guó)總發(fā)電量的7%。目前，一些國(guó)家一半以上的電力供應(yīng)依賴水力發(fā)電。美國(guó)還包括具有水庫(kù)的傳統(tǒng)水電設(shè)施，這是其主要發(fā)電類型，以及不蓄水的“徑流”水電設(shè)施。
即使沒有抽水蓄能的功能，傳統(tǒng)水電設(shè)施的水庫(kù)蓄水能力也可以減輕與天氣相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，特別是其降水模式偏離季節(jié)性標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)，這的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年，從而影響水電系統(tǒng)所依賴的進(jìn)水量。氣候變化可能導(dǎo)致現(xiàn)有水電設(shè)施的季節(jié)性進(jìn)水量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，從而增加或減少平均蓄水量。存儲(chǔ)在傳統(tǒng)水電設(shè)施水庫(kù)中的發(fā)電潛力取決于儲(chǔ)存的水量以及水面與渦輪發(fā)電機(jī)之間的高度差。一些水電項(xiàng)目的水庫(kù)蓄水量使抽水蓄能（PSH）設(shè)施的蓄水量相形見絀。例如，加拿大魁北克省報(bào)告的水庫(kù)儲(chǔ)能容量為176,000GWh，大致相當(dāng)于該省全年的電力需求量用（該省幾乎所有電力需求都依賴水電）。截至2019年，僅魁北克省各水庫(kù)的儲(chǔ)能容量大約是美國(guó)所有抽水蓄能（PSH）設(shè)施總儲(chǔ)能容量的840倍，大約是美國(guó)并網(wǎng)電池儲(chǔ)能容量的17萬(wàn)倍。
傳統(tǒng)的水電設(shè)施通常用于發(fā)電以外的目的，其中包括防洪、灌溉和其他關(guān)鍵需求的供水等用途。這些用途以及為保護(hù)瀕危物種和生態(tài)系統(tǒng)而對(duì)每日、每月和季節(jié)性流量的限制，可能會(huì)限制優(yōu)化傳統(tǒng)水電設(shè)施運(yùn)行以平衡嚴(yán)重依賴可再生能源的電力系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。然而，即使在靈活性有限的情況下，擁有大型水庫(kù)的水電設(shè)施的巨大裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量也可能在風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施發(fā)電的峰值期間以較低水平發(fā)電，而在風(fēng)力和陽(yáng)光不足期間以較高水平發(fā)電，從而為可再生能源發(fā)電設(shè)施提供一種儲(chǔ)能形式，即使沒有抽水蓄能的功能。
現(xiàn)有水電設(shè)施與風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電能力的整合可以顯著地節(jié)省成本。雖然加拿大魁北克省與美國(guó)東北部地區(qū)（新英格蘭地區(qū)和紐約州）之間的電力以單向流動(dòng)為主，研究人員最近考慮了如何實(shí)現(xiàn)低碳電力在新英格蘭地區(qū)和魁北克的電力系統(tǒng)之間傳輸。在模擬未來(lái)成本最優(yōu)的低碳電力系統(tǒng)，輸電資產(chǎn)用于在風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電量峰值期間的數(shù)小時(shí)內(nèi)將電力從新英格蘭地區(qū)輸送到加拿大魁北克，從而節(jié)省水庫(kù)釋放的水，然后在風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電不足時(shí)，這些水可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)電并出口到新英格蘭地區(qū)。在不增加新的水力發(fā)電設(shè)施或不增加連接魁北克省和新英格蘭地區(qū)輸電容量的2050年模擬情景中，雙向電力交易預(yù)計(jì)可將電力系統(tǒng)成本降低5%～6%。而在增加4GW輸電容量另一種模擬情景下，增加現(xiàn)有水庫(kù)作為平衡資源的利用率，將新英格蘭地區(qū)和魁北克省的零排放電力系統(tǒng)的成本降低17%～28%。最近對(duì)魁北克-新英格蘭地區(qū)的另一項(xiàng)研究探討了減少不同時(shí)間尺度的低碳系統(tǒng)成本也可以顯著節(jié)省成本。
除了運(yùn)營(yíng)變化或增強(qiáng)輸電能力之外，研究團(tuán)隊(duì)還考慮了其他提高現(xiàn)有水電項(xiàng)目?jī)?chǔ)能潛力的機(jī)會(huì)。一種想法是在現(xiàn)有的水電項(xiàng)目中增加渦輪機(jī)以增加其峰值發(fā)電量，盡管重要的是要認(rèn)識(shí)到額外發(fā)電能力的高成本。如果增加儲(chǔ)能容量的努力與項(xiàng)目提供的非電力相關(guān)服務(wù)相沖突，或引起與改變水的流動(dòng)模式或最大流量相關(guān)的環(huán)境問題，則這些策略對(duì)現(xiàn)有項(xiàng)目的適用性都會(huì)受到限制。在某些情況下，現(xiàn)有傳統(tǒng)水電項(xiàng)目可用于改造成獨(dú)立抽水蓄能（PSH）項(xiàng)目。在技術(shù)和環(huán)境可行的情況下，必須在平衡清潔發(fā)電系統(tǒng)的替代方案的背景下評(píng)估這些策略，包括部署其他類型的儲(chǔ)能技術(shù)的方案，這些技術(shù)可能在未來(lái)幾十年內(nèi)變得更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。
總之，現(xiàn)有的水電設(shè)施（特別是那些擁有大型水庫(kù)的水電設(shè)施）在幫助平衡嚴(yán)重依賴間歇性風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的電力系統(tǒng)方面提供了巨大的潛力。這些水電設(shè)施在服務(wù)目的和適用的任何環(huán)境限制方面的差異表明，必須根據(jù)具體情況考慮它們?yōu)槠胶怆娏ο到y(tǒng)提供操作靈活性的潛力。
因此，現(xiàn)有水電項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)商應(yīng)審查其設(shè)施的運(yùn)營(yíng)能力，并與利益相關(guān)者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)合作，以確定是否有機(jī)會(huì)為電力系統(tǒng)平衡目的創(chuàng)造或提供額外的靈活性，而不會(huì)對(duì)其他項(xiàng)目的用途或環(huán)境產(chǎn)生不利影響。
與此同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家應(yīng)在努力實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)深度脫碳的背景下，積極探索增加可再生能源等低碳或零碳發(fā)電的潛力，以最大限度地發(fā)揮其水電設(shè)施儲(chǔ)能容量的價(jià)值。
3.2.3 抽水蓄能（PSH）技術(shù)的物理特性
有幾種抽水蓄能（PSH）設(shè)計(jì)已在世界各地成功實(shí)施?，F(xiàn)有抽水蓄能（PSH）系統(tǒng)的區(qū)別在于兩個(gè)主要設(shè)計(jì)特征：傳統(tǒng)與混合以及閉環(huán)與開環(huán)。
?傳統(tǒng)與混合：傳統(tǒng)抽水蓄能（PSH）設(shè)施的設(shè)計(jì)只是利用先前儲(chǔ)存的水來(lái)發(fā)電，不會(huì)將水采有電力泵入上游水庫(kù)?；旌系某樗钅埽≒SH）設(shè)施既使用上游水庫(kù)存儲(chǔ)的水，也使用抽水設(shè)施將水泵入上游水庫(kù)發(fā)電。
?閉環(huán)與開環(huán)：在閉環(huán)抽水蓄能（PSH）設(shè)施中，其水庫(kù)（或多個(gè)水庫(kù)）位于遠(yuǎn)離自然水體的地方，地表水或地下水的抽取僅用于初始填充或根據(jù)需要定期補(bǔ)水的抽水蓄能設(shè)施。開環(huán)抽水蓄能（PSH）設(shè)施利用一個(gè)或幾個(gè)天然地表水體。
混合抽水蓄能（PSH）設(shè)施始終是開環(huán)的。閉環(huán)抽水蓄能（PSH）設(shè)施總是閉環(huán)的，但傳統(tǒng)抽水蓄能（PSH）的設(shè)計(jì)可以是閉環(huán)或開環(huán)。開環(huán)抽水蓄能（PSH）設(shè)施有很多不同的變體。一種類型的混合設(shè)計(jì)包括在兩個(gè)地方筑壩形成一個(gè)上游水庫(kù)和一個(gè)下游水庫(kù)。由于上游水庫(kù)的水來(lái)自河流和從下游水庫(kù)泵回，因此該設(shè)計(jì)既可用作傳統(tǒng)水電發(fā)電設(shè)施又可以作為抽水蓄能（PSH）設(shè)施。
在另一種開環(huán)抽水蓄能（PSH）設(shè)施的配置中，上游水庫(kù)是通過使用山頂上的環(huán)形路堤或水壩來(lái)圍住干涸的山谷來(lái)建造的。這兩者都是純粹的開環(huán)設(shè)計(jì)示例，因?yàn)榧词瓜掠嗡畮?kù)與自然流動(dòng)的河流相通，將水泵入上游水庫(kù)也只是為了將水注滿。
由于抽水蓄能設(shè)施涉及大型土木工程項(xiàng)目并蓄積和使用大量水，這些設(shè)施不可避免地會(huì)帶來(lái)重大的環(huán)境影響，包括對(duì)土地和水生生態(tài)系統(tǒng)的影響以及對(duì)景觀價(jià)值的影響。一般來(lái)說，開環(huán)系統(tǒng)往往比閉環(huán)系統(tǒng)具有更顯著的環(huán)境影響。需要對(duì)天然河流筑壩的抽水蓄能設(shè)施通常對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的影響比其他設(shè)計(jì)更嚴(yán)重。使用一個(gè)或多個(gè)河流水壩的開環(huán)抽水蓄能設(shè)施的運(yùn)行會(huì)改變水體流動(dòng)模式、水位、濁度和溫度，并對(duì)相連水體或河岸帶中的動(dòng)植物造成不利影響。
在上世紀(jì)70年代，人們開始意識(shí)到水壩對(duì)環(huán)境的影響。而到上世紀(jì)90年代，美國(guó)幾乎所有的大型水壩項(xiàng)目都停止建設(shè)，環(huán)保運(yùn)動(dòng)將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到大壩拆除上。從那時(shí)起，抽水蓄能設(shè)施開發(fā)商的注意力轉(zhuǎn)移到了閉環(huán)抽水蓄能項(xiàng)目上。然而即使是這些類型的項(xiàng)目，在美國(guó)也很難開發(fā)。
最后，還有一些抽水蓄能概念旨在避免對(duì)淡水資源的依賴或減少需要選址和開發(fā)新的地上水庫(kù)。抽水蓄能設(shè)施可以使用海水，但這種方法需要特殊的設(shè)計(jì)考慮，包括需要使用耐腐蝕的液壓機(jī)械，并采取措施防止上游水庫(kù)周圍的土壤污染。迄今為止，僅建造了一個(gè)這種類型的抽水蓄能設(shè)施。
在抽水蓄能設(shè)施中使用地下洞穴和廢棄礦井作為地勢(shì)較低的水庫(kù)已經(jīng)被提議和推廣了幾十年。從理論上講，這樣的抽水蓄能系統(tǒng)可以避免不利的環(huán)境影響。近年來(lái)，美國(guó)提出了幾個(gè)地下項(xiàng)目，包括賓夕法尼亞州使用廢棄礦井作為抽水蓄能系統(tǒng)的一部分。美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)已裁定這些項(xiàng)目不需要申請(qǐng)聯(lián)邦許可證，但開發(fā)商一直無(wú)法獲得融資。
3.2.4 抽水蓄能設(shè)施利用率的發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)有抽水蓄能設(shè)利用率的發(fā)展趨勢(shì)反映了儲(chǔ)能價(jià)值的變化。
這份研究報(bào)告進(jìn)行的分析表明，自從2000年以來(lái)，奧地利、中國(guó)、德國(guó)、葡萄牙、韓國(guó)和瑞士的抽水蓄能設(shè)施利用率有所增加。相比之下，希臘、愛爾蘭、意大利、日本、西班牙和美國(guó)的抽水蓄能設(shè)施利用率同期有所下降。
將各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較，減少抽水蓄能設(shè)施的使用率通常與低成本的天然氣增加使用相關(guān)，這往往會(huì)降低批發(fā)電價(jià)，同時(shí)增加發(fā)電組合的靈活性和負(fù)載跟蹤能力。迄今為止，可再生能源發(fā)電量的增長(zhǎng)并不一定會(huì)增加抽水蓄能設(shè)施的利用率，除非是在很少采用或沒有天然氣發(fā)電的電力系統(tǒng)中。這種受到天然氣發(fā)電影響的抽水蓄能設(shè)施利用率下降似乎歸因于兩個(gè)因素：(1)峰谷電價(jià)之間的差距縮小（并導(dǎo)致能源市場(chǎng)套利價(jià)值降低）與天然氣價(jià)格較低 ；(2)天然氣發(fā)電廠的高度靈活性與現(xiàn)有抽水蓄能設(shè)施的靈活性通常仍然有限。
關(guān)于第一個(gè)因素，美國(guó)的電力系統(tǒng)對(duì)天然氣發(fā)電的依賴增加，這是由于美國(guó)頁(yè)巖油氣資源中的低成本天然氣產(chǎn)量快速增長(zhǎng)。
自從2000年以來(lái)，美國(guó)許多地區(qū)的日內(nèi)能源價(jià)格套利機(jī)會(huì)減少。非峰值期間和峰值期間的電力價(jià)格都由天然氣發(fā)電廠設(shè)定，或者由燃料成本非常相近的燃煤發(fā)電廠和天然氣發(fā)電廠組合設(shè)定時(shí)，抽水蓄能設(shè)施的經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較低。
這可能會(huì)隨著對(duì)可再生能源發(fā)電的依賴增加而改變，當(dāng)邊際發(fā)電成本來(lái)自燃料成本為零的可再生能源資源時(shí)，這將導(dǎo)致市場(chǎng)價(jià)格更頻繁地接近零（甚至為負(fù)）。然而，較舊的抽水蓄能設(shè)施（可能遠(yuǎn)不如天然氣發(fā)電廠的靈活性）能夠在多大程度上利用與可再生能源相關(guān)的市場(chǎng)機(jī)會(huì)尚不清楚。最近的一項(xiàng)研究指出現(xiàn)有的抽水蓄能設(shè)施并未針對(duì)當(dāng)今的批發(fā)市場(chǎng)進(jìn)行充分優(yōu)化，這為向?qū)崟r(shí)能源市場(chǎng)銷售以及提供各種輔助服務(wù)提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。該研究報(bào)告發(fā)現(xiàn)，充分優(yōu)化現(xiàn)有的抽水蓄能設(shè)施以利用有組織的批發(fā)市場(chǎng)可以使這些項(xiàng)目產(chǎn)生的市場(chǎng)收入增加三倍以上。
與此同時(shí)，開發(fā)新的抽水蓄能設(shè)施還面臨著其他挑戰(zhàn)。從歷史上看，國(guó)家監(jiān)管、垂直整合的公用事業(yè)公司或公共實(shí)體在抽水蓄能設(shè)施的開發(fā)和運(yùn)營(yíng)發(fā)揮了主導(dǎo)作用。但在上世紀(jì)90年代，恰逢許多發(fā)達(dá)國(guó)家放松對(duì)電力市場(chǎng)的管制，導(dǎo)致全球抽水蓄能設(shè)施部署放緩。在上世紀(jì)1990年代到本世紀(jì)初，美國(guó)取消了許多抽水蓄能設(shè)施的建設(shè)。對(duì)開發(fā)商關(guān)于這些取消的聲明的審查清楚地表明，市場(chǎng)不確定性是主要問題。雖然對(duì)環(huán)境的擔(dān)憂影響和選址確實(shí)在一些項(xiàng)目取消中發(fā)揮了重要作用，但抽水蓄能投資的拖延和中斷在很大程度上并不是由于抽水蓄能選址稀缺或環(huán)境挑戰(zhàn)所致。
其他長(zhǎng)期趨勢(shì)降低了許多電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。首先，隨著時(shí)間的推移，許多燃煤發(fā)電廠和一些核電廠的靈活性有所提高，因此這些發(fā)電廠可以更好地滿足負(fù)載的電力需求。其次，天然氣發(fā)電成為一種越來(lái)越受歡迎、低成本和高度靈活的電力選擇，包括在高峰負(fù)荷條件下。盡管人們普遍預(yù)期增加使用可再生能源將增加對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求，但正如報(bào)告中指出的那樣，在許多國(guó)家觀察到的趨勢(shì)是現(xiàn)有抽水蓄能設(shè)施利用率下降的趨勢(shì)之一。
抽水蓄能設(shè)施利用率下降、批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格處于歷史低位、長(zhǎng)期市場(chǎng)和能源政策的重大不確定性、高昂且不確定的投資，選址和許可方面的挑戰(zhàn)，以及較長(zhǎng)的開發(fā)周期，使得開發(fā)和資助新的抽水蓄能設(shè)施變得非常具有挑戰(zhàn)性。 然而，在一些能夠降低建設(shè)抽水蓄能設(shè)施成本的地區(qū)，面臨著通過充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施（例如現(xiàn)有水力發(fā)電廠的水庫(kù)或最近退役燃煤電廠的變電站和輸電設(shè)備）和更長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)間表的挑戰(zhàn)。
3.2.5 抽水蓄能設(shè)施的優(yōu)勢(shì)和局限
在目前部署的儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能設(shè)施以儲(chǔ)能容量衡量的運(yùn)營(yíng)成本通常最低。然而，鑒于其規(guī)模大、發(fā)電成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)，新建抽水蓄能設(shè)施的建設(shè)成本通常在數(shù)億美元至數(shù)十億美元之間。這可能會(huì)帶來(lái)融資挑戰(zhàn)，這意味著政府部門和國(guó)有企業(yè)等公共實(shí)體通常在為抽水蓄能設(shè)施的項(xiàng)目融資方面發(fā)揮重要作用。
電力部門從垂直整合公用事業(yè)的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿藶樾陆ǔ樗钅茉O(shè)施項(xiàng)目融資的難度。股權(quán)融資對(duì)于私有項(xiàng)目開發(fā)商來(lái)并不是一個(gè)理想的選擇，因?yàn)樗枰罅康那捌谫Y本。商業(yè)融資也帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)業(yè)主無(wú)法找到愿意支付固定付款以換取項(xiàng)目提供的電力服務(wù)的長(zhǎng)期買家時(shí)。購(gòu)買者不愿簽訂長(zhǎng)期的抽水蓄能設(shè)施的服務(wù)合同，這可能反映了他們擔(dān)心這些服務(wù)的價(jià)值在未來(lái)將會(huì)取決于對(duì)儲(chǔ)能的整體需求以及當(dāng)時(shí)提供類似服務(wù)的儲(chǔ)能技術(shù)的成本。
另一方面，重組還可以為抽水蓄能設(shè)施運(yùn)營(yíng)商提供進(jìn)入批發(fā)市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，在那里他們能夠以不受管制的價(jià)格向更大地理區(qū)域的買家出售能源、容量和輔助服務(wù)。
抽水蓄能設(shè)施的使用壽命非常長(zhǎng)。事實(shí)上，水壩是地球上最耐用的建筑結(jié)構(gòu)之一。由于很少有此類水庫(kù)退役，因此缺乏關(guān)于抽水蓄能設(shè)施水庫(kù)使用壽命的可靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此可以合理 地假設(shè)水能夠保持運(yùn)行100年或更長(zhǎng)時(shí)間，只要它們得到適當(dāng)?shù)木S護(hù)。
而抽水蓄能設(shè)施的機(jī)電部件不如水庫(kù)耐用。水力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命通常為40至60年，但實(shí)際使用壽命可能要長(zhǎng)得多。在其使用壽命結(jié)束時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最脆弱的部分（通常是磁軛和磁極）不可避免地會(huì)存在金屬疲勞，從而可能影響安全性和可靠性。然而，設(shè)計(jì)壽命比水庫(kù)和其他抽水蓄能設(shè)施壽命更短的轉(zhuǎn)子和其他機(jī)電設(shè)備，可以并且通常會(huì)以僅占抽水蓄能設(shè)施總價(jià)值很小一部分的成本進(jìn)行翻新或更換。考慮到這些做法，抽水蓄能設(shè)施的實(shí)際運(yùn)營(yíng)壽命取決于其土建工程的耐用性，在許多情況下可以超過100年。
美國(guó)抽水蓄能設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性通常在30年內(nèi)進(jìn)行分析。使用基于商業(yè)融資成本的貼現(xiàn)率，地 30年之后的運(yùn)營(yíng)凈現(xiàn)值很?。词箍紤]反映更長(zhǎng)使用壽命的終值）。 相比之下，中國(guó)建設(shè)的抽水蓄能設(shè)施通常在20到50年的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行分析，更長(zhǎng)的時(shí)間段適用于更大的投資回報(bào)期長(zhǎng)的項(xiàng)目，反之亦然?？傊?，融資條款和貼現(xiàn)率的選擇決定了經(jīng)濟(jì)分析的相關(guān)期間，但這一期間通常不能反映抽水蓄能設(shè)施的預(yù)期使用壽命。在當(dāng)今的利率環(huán)境下，政策制定者和投資者可能都想重新考慮選擇哪種貼現(xiàn)率更加合理。
經(jīng)過數(shù)十年的使用，現(xiàn)有抽水蓄能設(shè)施的銷售經(jīng)驗(yàn)有限，這也說明了它們的長(zhǎng)期價(jià)值。案例研究表明，經(jīng)過數(shù)十年的運(yùn)營(yíng)，一些抽水蓄能設(shè)施的售價(jià)高于經(jīng)過通脹調(diào)整后的建設(shè)成本。因此，一些研究報(bào)告假設(shè)抽水蓄能設(shè)施的資產(chǎn)價(jià)值在僅運(yùn)行幾十年后就為零，這可能高估了這些設(shè)施提供的服務(wù)成本。很少有其他儲(chǔ)能技術(shù)（如果有的話）顯示出可以顯著抵消或超過其經(jīng)過通脹調(diào)整的購(gòu)置成本的資本增值潛力。
總之，抽水蓄能設(shè)施的投資提出了一個(gè)財(cái)務(wù)難題。一方面，現(xiàn)有的抽水蓄能設(shè)施設(shè)施很可能在多年內(nèi)仍可作為大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的一種低成本解決方案。另一方面，由于前面提到的各種挑戰(zhàn)（即開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)模大、資本成本高且不確定，以及市場(chǎng)和政策的不確定性），新建抽水蓄能設(shè)施獲得融資極為困難。這些挑戰(zhàn)與其他一些儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)形成鮮明對(duì)比，例如電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模塊化，具有更短的開發(fā)時(shí)間以及更低資本成本——所有因素這顯著地降低了抽水蓄能設(shè)施的開發(fā)和融資風(fēng)險(xiǎn)。
