摘 要 2060年碳中和場(chǎng)景下對(duì)儲(chǔ)能需求量巨大，但是，我國(guó)常規(guī)抽水蓄能站點(diǎn)資源不足。針對(duì)這一問(wèn)題，本文綜述了美國(guó)、俄羅斯、新加坡、日本等國(guó)關(guān)于地下抽水蓄能的研究，提出基于硬巖掘進(jìn)機(jī)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，闡述了三種不同地下抽水蓄能的發(fā)展現(xiàn)狀，即人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能，廢棄礦井改造的地下抽水蓄能，以及其他地(海)下抽水蓄能。介紹了地下抽水蓄能的關(guān)鍵技術(shù)及其難點(diǎn)，包括地下工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，以及高水頭水泵水輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。最終，討論了發(fā)展地下抽水蓄能的挑戰(zhàn)，提出優(yōu)先發(fā)展人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能的建議，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向提出建議。分析表明，地下抽水蓄能技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)可行，優(yōu)勢(shì)明顯，建議我國(guó)加強(qiáng)對(duì)地下抽水蓄能技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 地下抽水蓄能；碳中和；新能源
大力發(fā)展清潔低碳能源，是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家能源獨(dú)立的必由之路。我國(guó)確定了2030碳達(dá)峰、2060年碳中和的“雙碳”目標(biāo)，預(yù)計(jì)至2030年，將實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能風(fēng)能電力裝機(jī)達(dá)12億千瓦以上。
新能源發(fā)電出力具有隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性，光伏發(fā)電出力具有晝夜周期性，除此之外，還可出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間新能源出力盈余或者出力不足的問(wèn)題，因此需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括長(zhǎng)周期能量轉(zhuǎn)移型(對(duì)應(yīng)的是周、月或季度)、短周期能量轉(zhuǎn)移型(日內(nèi)削峰填谷)、短時(shí)間尺度功率補(bǔ)償型三種類型。
抽水蓄能具有日內(nèi)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，是建設(shè)以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的最為理想的儲(chǔ)能方式之一。澳大利亞國(guó)立大學(xué)Blakers等研究報(bào)告指出：配合足夠的抽水蓄能，即可支撐起100%可再生能源電力系統(tǒng)；有足夠抽水蓄能的支撐，100%可再生能源比大多數(shù)人想象的更容易、更便宜。根據(jù)國(guó)家能源局2021年8月頒布的《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，截至2020年底，我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)容量只有3149萬(wàn)千瓦，預(yù)計(jì)到2025年，抽水蓄能將投產(chǎn)總規(guī)模6200萬(wàn)千瓦以上；預(yù)計(jì)到2030年，將投產(chǎn)總規(guī)模1.2億千瓦左右，僅占2030年預(yù)期太陽(yáng)能風(fēng)能電力裝機(jī)容量12億千瓦的10%。
預(yù)計(jì)2060年，全國(guó)可再生能源裝機(jī)容量可達(dá)80億千瓦。研究表明，為了實(shí)現(xiàn)可再生能源的合理消納，所需儲(chǔ)能裝機(jī)容量將達(dá)到可再生能源裝機(jī)容量的40%~50%，即32~40億千瓦。根據(jù)《抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2021》披露的信息，2020年12月，國(guó)家能源局組織開(kāi)展了新一輪抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃資源站點(diǎn)普查工作，我國(guó)可建抽水蓄能站點(diǎn)1529個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模達(dá)16.04億千瓦。截至2021年底，我國(guó)已納入規(guī)劃的抽水蓄能站點(diǎn)資源總量約8.14億千瓦，其中，重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目4.21億千瓦，規(guī)劃儲(chǔ)備項(xiàng)目3.05億千瓦。假設(shè)其他新型儲(chǔ)能和靈活電源可以提供約10億千瓦的等效儲(chǔ)能裝機(jī)，按照重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目4.21億千瓦計(jì)算，儲(chǔ)能的缺口為18~26億千瓦，即使是按照納入規(guī)劃的抽水蓄能資源總量8.14億千瓦計(jì)算，儲(chǔ)能的缺口仍為14~22億千瓦，雖然普查中我國(guó)可建抽水蓄能總裝機(jī)規(guī)模達(dá)16.04億千瓦，但根據(jù)其地理位置距源、荷的距離，環(huán)保要求等因素，實(shí)際上并不是所有的站點(diǎn)資源都有開(kāi)發(fā)的價(jià)值。因此，為了實(shí)現(xiàn)碳中和，我國(guó)大約存在上限26億千瓦，下限14億千瓦的儲(chǔ)能容量缺口。
目前，其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)在規(guī)模、成本、技術(shù)成熟度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面很難與抽水蓄能形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而難以填補(bǔ)抽水蓄能站點(diǎn)資源不足造成的儲(chǔ)能容量空缺，繼而影響“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展迅速，相繼完成了1.5 MW、10 MW、60 MW和100 MW非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程并投運(yùn)，同時(shí)，國(guó)內(nèi)多家單位正在進(jìn)行300 MW級(jí)以及以上的壓縮空氣儲(chǔ)能的工程示范，預(yù)計(jì)當(dāng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)效率高于70%，單位建設(shè)成本達(dá)到6500~8000元/kW時(shí)，將有望成為大規(guī)模儲(chǔ)能的又一重要選擇。
發(fā)展地下抽水蓄能是解決常規(guī)抽水蓄能資源站點(diǎn)不足問(wèn)題的重要方法，本文將綜述地下抽水蓄能的發(fā)展，吸取和借鑒各國(guó)在地下抽水蓄能研究方面的經(jīng)驗(yàn)，掌握該研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況，提出新型地下抽水蓄能方案，為解決抽水蓄能資源站點(diǎn)不足的問(wèn)題提出重要建議。
1 地下抽水蓄能技術(shù)分類與發(fā)展現(xiàn)狀
地下抽水蓄能可以分為人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能，利用廢棄礦井改造的地下抽水蓄能，以及其他地(海)下抽水蓄能。其中，人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能通過(guò)向地下開(kāi)挖空間形成地下水庫(kù)、地下廠房，以及地上與地下的連接通道等設(shè)施，與位于地面的上水庫(kù)共同構(gòu)成地下抽水蓄能電站；利用廢棄礦井改造的地下抽水蓄能是通過(guò)改造廢棄礦井的地下空間建設(shè)地下抽水蓄能電站；此外，還有其他的利用地下空間以及海下空間的抽水蓄能方案。本部分將首先對(duì)不同地下抽水蓄能的技術(shù)方案和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
1.1 地下抽水蓄能的首次提出
加拿大科學(xué)家、發(fā)明家、工程師、無(wú)線電先驅(qū)Reginald Aubrey Fessenden在1917年首次提出了利用地下空間進(jìn)行抽水蓄能的概念設(shè)想。在那個(gè)年代，Reginald準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人類未來(lái)面臨的能源短缺場(chǎng)景，以及風(fēng)能、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)的潛力，他提出的地下抽水蓄能用于解決常規(guī)抽水蓄能對(duì)地理?xiàng)l件的依賴，解決風(fēng)能出力的間歇性問(wèn)題，發(fā)明結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖 1 Reginald于1917年提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)
在電動(dòng)機(jī)技術(shù)相對(duì)落后的年代，Reginald提出的方案是直接用風(fēng)力機(jī)械能驅(qū)動(dòng)水泵抽水蓄能，發(fā)電的過(guò)程中通過(guò)水帶動(dòng)水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電。根據(jù)他的計(jì)算，在地面和地下水庫(kù)存在1200英尺(365.76米)的高差情況下，1立方英碼(764.55升)的水，可以存儲(chǔ)1馬力小時(shí)(0.7457千瓦時(shí))的能量。從現(xiàn)代的眼光看，雖然，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，Reginald采用的方案通過(guò)風(fēng)車機(jī)械能直接帶動(dòng)水泵造成效率低的問(wèn)題，但是，他所提出利用地下空間形成高差用作抽水蓄能是十分有意義且超前于時(shí)代的偉大發(fā)明。
1.2 人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能
1.2.1 研究背景
20世紀(jì)70年代，美國(guó)能源部牽頭對(duì)地下抽水蓄能系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，其方案為人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能。
根據(jù)美國(guó)能源部阿貢實(shí)驗(yàn)室的資料，在20世紀(jì)70年代，美國(guó)的電源主要由煤電和核電構(gòu)成，這兩種電源的共性在于工作在額定負(fù)荷時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于峰值負(fù)荷，需要使用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行頂峰支撐，這種電源響應(yīng)快，易于維護(hù)，但是，燃?xì)廨啓C(jī)效率低(20世紀(jì)70年代技術(shù)水平)且需要昂貴的燃料(石油或者天然氣)。需要說(shuō)明的是，20世紀(jì)70年代，西方經(jīng)歷了廣泛的石油危機(jī)，在那時(shí)，美國(guó)尚未實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣的規(guī)模化開(kāi)采。因此，在那個(gè)年代，美國(guó)人迫切需要減少對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的依賴。
自從1953年美國(guó)第一座地上抽水蓄能建成，抽水蓄能已經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用于電網(wǎng)頂峰功率發(fā)電運(yùn)行。由于地上抽水蓄能要求上下庫(kù)靠近且具有一定落差，相對(duì)于負(fù)荷中心距離較近，美國(guó)國(guó)內(nèi)的地上抽水蓄能可用站點(diǎn)資源不多。因此，美國(guó)能源部牽頭研究并設(shè)計(jì)地下抽水蓄能來(lái)緩解抽水蓄能建設(shè)站點(diǎn)資源不足的問(wèn)題，從而滿足電網(wǎng)頂峰發(fā)電功率的需求，減少對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的依賴。
1.2.2 研究進(jìn)展
美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室提出一個(gè)典型的地下抽水蓄能電站容量為1000~2000 MW，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為8~10小時(shí)，循環(huán)效率接近80%。其中，有兩種基本電站結(jié)構(gòu)——單級(jí)地下抽水蓄能和二級(jí)地下抽水蓄能。
單級(jí)地下抽水蓄能如圖2所示，其結(jié)構(gòu)與地上抽水蓄能相似，主要的不同在于其上水庫(kù)位于地面，下水庫(kù)通過(guò)在地下開(kāi)挖硐室形成，使選址更加方便，基于此可將地下抽水蓄能電站建設(shè)在靠近電網(wǎng)接入點(diǎn)的地方，從而進(jìn)一步減少輸電系統(tǒng)的投資。主廠房在下水庫(kù)水平面以下，為水泵水輪機(jī)提供淹沒(méi)深度，通道、電纜以及設(shè)備通道連接地面的服務(wù)廠房，下水庫(kù)與上水庫(kù)之間通過(guò)輸水管道相連，下水庫(kù)通過(guò)通風(fēng)井與外界大氣連通。
圖2 單級(jí)地下抽水蓄能系統(tǒng)
二級(jí)地下抽水蓄能如圖3所示，由于將總的水頭分成兩部分，因此可以使用現(xiàn)有技術(shù)的單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)平均水頭為下庫(kù)深度的一半，在上下水庫(kù)之間一半的深度建設(shè)一個(gè)比較小的中間水庫(kù)，中間水庫(kù)和下水庫(kù)各自配備一個(gè)主廠房，但是，各自的水泵水輪機(jī)機(jī)組的運(yùn)行不必同步。二級(jí)地下抽水蓄能通道的設(shè)計(jì)要求與單級(jí)地下抽水蓄能系統(tǒng)相似。當(dāng)然，還可根據(jù)需求設(shè)計(jì)更多級(jí)的地下抽水蓄能電站。
圖3 二級(jí)地下抽水蓄能系統(tǒng)
以上方案中，下水庫(kù)采用網(wǎng)格形狀隧洞的設(shè)計(jì)方案，占地約64萬(wàn)平方米，每一條隧洞寬15 m，高25 m，并且?guī)в?.5 m半徑的拱頂，隧洞網(wǎng)格的規(guī)格為45 m×45 m，這種結(jié)構(gòu)可以保證地下抽水蓄能系統(tǒng)在地下1000 m深度的下水庫(kù)的穩(wěn)定性。
通往地下的通道主要施工方法為：傳統(tǒng)鑿井，機(jī)器鏜孔，通過(guò)升降平臺(tái)提升廢渣，如果需要，還可以繼續(xù)擴(kuò)大通道的截面積。所需地下抽水蓄能系統(tǒng)的施工周期為6~8年，如果考慮前期設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備工作，時(shí)間將會(huì)超過(guò)10年。
此外，美國(guó)Riverbank公司聯(lián)合AECOM工程咨詢公司計(jì)劃在Wiscasset開(kāi)發(fā)地下抽水蓄能工程[11-12]，如圖4所示。總裝機(jī)容量1 GW，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)6小時(shí)，電站和下庫(kù)在地下約600 m深處通過(guò)鉆爆法開(kāi)挖，其中下庫(kù)巖石爆破量約560萬(wàn)立方米，其采用的技術(shù)均為成熟的技術(shù)。Riverbank公司將這項(xiàng)技術(shù)命名為Aquabank，并且計(jì)劃在北美建設(shè)多座1 GW的此類電站，每個(gè)項(xiàng)目的估計(jì)成本為20億美元，施工階段預(yù)計(jì)將持續(xù)4年。
圖4 Riverbank和AECOM公司地下抽水蓄能電站方案Aquabank
美國(guó)Nelson Energy公司提出了另一種地下抽水蓄能電站的解決方案，如圖5所示，通過(guò)硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)螺旋向下開(kāi)挖形成通往地下的通道，在地下挖掘螺旋隧洞作為下水庫(kù)，通過(guò)TBM挖掘通道可以在一定程度上解決地下隧洞開(kāi)挖渣石的運(yùn)出問(wèn)題，提高了開(kāi)挖效率，縮短了整體施工時(shí)間。Golder Associates以及AECOM公司完成了該工程的預(yù)可行性研究，由于目前單級(jí)水泵水輪機(jī)最高設(shè)計(jì)水頭為700 m，該工程采用地下700 m埋深的下水庫(kù)，設(shè)計(jì)容量666 MW，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)12小時(shí)，循環(huán)效率80%，工程建造時(shí)間為5~6年，單位建設(shè)成本約為2640美元/kW。
圖5 Nelson Energy公司地下抽水蓄能電站方案
英國(guó)McWilliams Energy公司提出了一種新型的不依賴選址的抽水蓄能方案(location agnostic pumped storage)，其示意圖和施工順序如圖6所示。其下水庫(kù)位于地下1400 m，裝機(jī)容量1000 MW，儲(chǔ)能時(shí)間8小時(shí)。地上與地下之間通過(guò)豎井相連，下水庫(kù)通過(guò)硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)挖掘，構(gòu)成環(huán)形水庫(kù)群，節(jié)省了成本與建造時(shí)間，據(jù)估計(jì)，整個(gè)項(xiàng)目的工期在4.5年，大大縮短了建設(shè)時(shí)間，使地下抽水蓄能電站方案更加可行。此外，該工程的單位建設(shè)成本為2200美元/kW，相當(dāng)于目前美國(guó)地上抽水蓄能工程的中等偏低水平。需要指出的是，其通往地下水庫(kù)和廠房的通道為豎井，豎井運(yùn)出廢渣和向下運(yùn)送裝備的重量均有限，可能會(huì)增加施工時(shí)間，不利于從地上向地下運(yùn)送裝備。
圖6 McWilliams Energy公司不依賴選址的抽水蓄能的示意圖和施工順序
與此同時(shí)，日本、俄羅斯和新加坡也面臨著對(duì)抽水蓄能的需求，從而催生對(duì)地下抽水蓄能的研究。
從1997年到2002年，日本對(duì)地下抽水蓄能工程進(jìn)行了研究，提出了用于地下淡水抽水蓄能以及地下海水抽水蓄能的高水頭水泵水輪機(jī)方案，證明了在高水頭(800米以上)的情況下，其經(jīng)濟(jì)性可與常規(guī)抽水蓄能可比。
由于土地少、無(wú)高山等原因，新加坡沒(méi)有修建常規(guī)抽水蓄能電站的站點(diǎn)資源，于是在1996年也提出修建地下抽水蓄能電站的設(shè)想[16]。該設(shè)想利用廢棄的采石場(chǎng)作為上庫(kù)，在花崗巖地層中人工挖掘下水庫(kù)和廠房，建造地下抽水蓄能電站，設(shè)計(jì)額定容量370 MW，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)9小時(shí)，有效水頭500 m，所需下庫(kù)容量約270萬(wàn)立方米，考慮地下廠房和各種隧洞，地下建筑開(kāi)挖量約300萬(wàn)立方米。由于不受地形限制，下庫(kù)可直接布置在上庫(kù)下面，使上下庫(kù)水平距離最小。經(jīng)核算，其投資與相同規(guī)模的燃油電廠相同。
2004年，為了解決莫斯科市的供電問(wèn)題，俄羅斯計(jì)劃在莫斯科市修建地下抽水蓄能電站，并提出了如下設(shè)計(jì)方案：上庫(kù)建在地面，下庫(kù)為地下800～1300米深的人工挖掘隧洞，隧洞長(zhǎng)度為16公里、直徑為12.5米。地下廠房在地下1300米處，長(zhǎng)60米，寬20米，高度為30～40米，廠房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)可逆式水輪機(jī)組，水輪機(jī)出力各為250 MW，總功率為1000 MW，投資預(yù)算為700美元/kW(2004年美元計(jì)價(jià)，相當(dāng)于2023年1080美元/kW)，與常規(guī)抽水蓄能電站建設(shè)成本基本相當(dāng)。
1.2.3 基于硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案
中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了基于硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，在地面開(kāi)挖水庫(kù)或者利用現(xiàn)有的自然水體作為上水庫(kù)，硬巖掘進(jìn)機(jī)向深層地下空間挖掘隧洞形成下水庫(kù)，所在地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，圍巖為穩(wěn)定巖層，并在地下開(kāi)挖抽水蓄能機(jī)組廠房，構(gòu)成地下抽水蓄能工程的主要基建部分。通過(guò)提高TBM的利用率，減小斜井在總基建工程中的成本比例，提高地下隧洞水庫(kù)在總基建工程中的成本比例，通過(guò)優(yōu)化施工方案，發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)，進(jìn)一步減小地下抽水蓄能電站的單位千瓦建造成本。采用兩臺(tái)硬巖掘進(jìn)機(jī)向不同的方向挖掘水平隧洞形成地下水庫(kù)，其中一臺(tái)硬巖掘進(jìn)機(jī)挖掘8.2 km的斜井后還可繼續(xù)掘進(jìn)12 km至報(bào)廢，另一臺(tái)嶄新的硬巖掘進(jìn)機(jī)可以在地下另一側(cè)挖掘20 km長(zhǎng)的水平隧洞，然后報(bào)廢，使兩臺(tái)TBM均達(dá)到盡限應(yīng)用，向兩側(cè)挖掘水平隧洞方案如圖7所示，基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能主要參數(shù)如表1所示。據(jù)估算，該工程造價(jià)為159~164億，對(duì)應(yīng)的單位造價(jià)成本為7500~7800元/kW。2023年9月25日，新疆若羌抽水蓄能電站開(kāi)工，容量為210萬(wàn)kW，概算總投資165.25億元，即單位造價(jià)7870元/kW。由此可見(jiàn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化地下抽水蓄能電站，可以使地下抽水蓄能的單位kW建設(shè)成本下降且接近常規(guī)抽水蓄能電站單位kW造價(jià)的水平。
圖7 基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能
表1 基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能主要參數(shù)
常規(guī)抽水蓄能電站一般建設(shè)在山區(qū)，距離主要輸電線路和變電站距離較遠(yuǎn)，需要在電網(wǎng)原有輸變線路規(guī)劃基礎(chǔ)上另外專門建設(shè)接入電網(wǎng)的輸變電工程。基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能電站選址靈活，可以選址修建在靠近傳統(tǒng)火電廠的位置，隨著傳統(tǒng)火電廠逐漸退役，地下抽水蓄能電站可以利用退役火電廠的輸變電設(shè)備并網(wǎng)，從而節(jié)省電網(wǎng)輸電線路以及變電站的基建投入，進(jìn)一步減少地下抽水蓄能電站的建造成本。
基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能電站綜合優(yōu)勢(shì)明顯：
（1）環(huán)保、安全且無(wú)生態(tài)影響；
（2）效率中高(>75%)；
（3）使用壽命長(zhǎng)(40～50年以上)；
（4）建造成本低、投資收益大；
（5）功率可連續(xù)靈活調(diào)節(jié)，可提供一次二次調(diào)頻；
（6）可提供旋轉(zhuǎn)慣量支撐，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；
（7）選址靈活(可以根據(jù)負(fù)荷/電源需要選址)；
（8）資源幾乎無(wú)限制；
（9）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)(幾乎不受天氣影響)；
（10）占地少。
1.2.4 地質(zhì)結(jié)構(gòu)
修建人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能電站對(duì)地質(zhì)條件有一定的要求。一般滿足于修建地下工程的介質(zhì)為侵入火成巖和結(jié)晶變質(zhì)巖，且?guī)r石不存在斷裂帶和不連續(xù)區(qū)域，美國(guó)大陸適合地下抽水蓄能系統(tǒng)選址的區(qū)域如圖8所示，可以看出，位于美國(guó)主要工業(yè)帶和電力負(fù)荷區(qū)均可建設(shè)地下抽水蓄能電站。參照美國(guó)的研究結(jié)論，根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的信息，可以初步明確適合建設(shè)地下抽水蓄能的地質(zhì)條件在我國(guó)也廣泛分布。
圖8 美國(guó)大陸適合地下抽水蓄能系統(tǒng)洞穴的選址地
1.3 廢棄礦井改造的地下抽水蓄能
由于建設(shè)大容量地下水庫(kù)耗資巨大且建設(shè)周期較長(zhǎng)，工程師們?cè)O(shè)想利用現(xiàn)有的廢棄礦洞巷道或采空區(qū)作為地下水庫(kù)以解決地下水庫(kù)經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)周期長(zhǎng)的問(wèn)題。國(guó)外部分基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計(jì)及實(shí)施情況如表2所示，基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計(jì)示意圖如圖9所示。
表2 國(guó)外部分基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計(jì)及實(shí)施情況
圖9 基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計(jì)示意圖
1.4 其他地(海)下抽水蓄能
除人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能以及廢棄礦井改造的地下抽水蓄能之外，一些新的地(海)下抽水蓄能方案也被提出。例如Eduard Heindl和Gravity Power公司分別提出了地下重力-抽水蓄能概念，通過(guò)固體介質(zhì)的重力增強(qiáng)位于地下水庫(kù)的壓強(qiáng)，從而等效常規(guī)抽水蓄能上下水庫(kù)高差，如圖10所示。
圖10 Eduard Heindl方案效果圖
Cavern Energy Storage提出了一種地下鹽穴壓氣抽水蓄能概念，其基本原理是利用兩個(gè)不同埋深的鹽穴作為上下水庫(kù)，兩個(gè)鹽穴中的飽和鹽水通過(guò)水泵和水輪機(jī)連接，并注入壓縮空氣，為水泵提供所需淹沒(méi)深度對(duì)應(yīng)的壓力。美國(guó)Quidnet Energy公司提出了地應(yīng)力抽水蓄能(geomechanical pumped storage)，其概念是利用地應(yīng)力維持水的壓力來(lái)等效水頭。
此外，美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)以及德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)能源經(jīng)濟(jì)和能源系統(tǒng)研究所(Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology)分別提出了海下儲(chǔ)能，其概念是利用海洋本身作為上水庫(kù)，下水庫(kù)由海床上的混凝土空心圓球構(gòu)成。荷蘭初創(chuàng)公司Ocean Grazer提出海洋電池(ocean battery)的概念，其裝置安裝在海床上，有柔性儲(chǔ)能空間和剛性儲(chǔ)能空間兩個(gè)不同的儲(chǔ)能空間，其中，柔性儲(chǔ)能空間的壓強(qiáng)與海底壓強(qiáng)相同，剛性儲(chǔ)能空間通過(guò)通風(fēng)管與海平面以上的大氣連通，柔性儲(chǔ)能空間等效為上庫(kù)，剛性儲(chǔ)能空間等效為下庫(kù)。
2 地下抽水蓄能關(guān)鍵技術(shù)及其難點(diǎn)
以人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能和廢棄礦井改造的地下抽水蓄能為例，將水庫(kù)修建于地下，而且地下廠房的埋深增大，因此，地下工程建設(shè)是地下抽水蓄能工程的關(guān)鍵技術(shù)。此外，考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，地下抽水蓄能電站設(shè)計(jì)水頭一般高于1000 m，而現(xiàn)有的水泵水輪機(jī)水頭一般在800 m以內(nèi)，因此，高水頭水泵水輪機(jī)裝備技術(shù)也是地下抽水蓄能的關(guān)鍵技術(shù)。建設(shè)大規(guī)模地下空間以及設(shè)計(jì)和制造高水頭水泵水輪機(jī)，同時(shí)保證其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性是地下抽水蓄能實(shí)施的難點(diǎn)。
2.1 地下工程建設(shè)
中國(guó)目前深層空間地下設(shè)施的建設(shè)已經(jīng)完全可以滿足地下抽水蓄能地下水庫(kù)和廠房建設(shè)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和時(shí)效的需求。引漢濟(jì)渭工程中包含一條長(zhǎng)度達(dá)98.3 km的秦嶺輸水隧道，已于2022年2月22日全線貫通，隧道最大埋深達(dá)2012 m，其中鉆爆法施工橫斷面為馬蹄形，斷面尺寸7.0×7.0 m，硬巖掘進(jìn)機(jī)TBM法施工斷面為圓形，斷面直徑7.16 m/8.03 m，其內(nèi)表面經(jīng)過(guò)防水、防滲、加固襯砌處理。隧道建設(shè)歷時(shí)6年，平均每年16 km，每公里隧洞的體積約為3.8萬(wàn)立方米，整個(gè)隧洞的儲(chǔ)水量約為370萬(wàn)立方米，與抽水蓄能電站所需的水庫(kù)容量相當(dāng)。此外，中國(guó)可以建造掘進(jìn)直徑15.08米的TBM，可以建設(shè)規(guī)模更大的地下水庫(kù)。
此外，國(guó)內(nèi)已有相當(dāng)規(guī)模的地下基礎(chǔ)設(shè)施建成投運(yùn)，比如廣東江門中微子實(shí)驗(yàn)室位于地下700米，底部呈圓形，底深距穹頂達(dá)70米左右，水平跨度達(dá)50米，為深埋超大跨度地下洞室。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室垂直巖石埋深達(dá)2400米，地下廠房容積33萬(wàn)立方米。這些都表明我國(guó)具有建設(shè)和運(yùn)營(yíng)地下抽水蓄能廠房的成熟經(jīng)驗(yàn)，不存在技術(shù)和施工障礙。
地下工程建設(shè)的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)的深層底下地質(zhì)勘測(cè)，高效且經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模地下空間設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，雖然如1.2.3小節(jié)所述，經(jīng)過(guò)與國(guó)內(nèi)權(quán)威的地下工程施工單位以及抽水蓄能建設(shè)單位咨詢，估算基于硬巖掘進(jìn)機(jī)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案造價(jià)與傳統(tǒng)抽水蓄能造價(jià)可比，但是仍然位于抽水蓄能單位kW成本的高限，需要進(jìn)一步提高地下工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。
2.2 高水頭水泵水輪機(jī)
單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)，采用混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(trancis turbine)，既可以用作儲(chǔ)能時(shí)的水泵，又可以用作發(fā)電時(shí)的水輪機(jī)。以目前單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)額定水頭可達(dá)約700 m以上，額定容量可達(dá)約500 MW。需要說(shuō)明的是，美國(guó)能源部的研究表明，經(jīng)過(guò)分析和設(shè)計(jì)，單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)水頭可以達(dá)到約1000 m。增加水輪機(jī)級(jí)數(shù)，通過(guò)多級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)可以進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)水頭，其中，意大利的Edolo電站，采用4級(jí)方案，水頭高達(dá)1290 m，容量142 MW。
三機(jī)式水泵水輪機(jī)包含多級(jí)混流式儲(chǔ)能水泵以及沖擊式水輪機(jī)(pelton turbine)。沖擊式水輪機(jī)額定水頭可達(dá)1500 m，額定容量可達(dá)300 MW。多級(jí)水泵額定水頭可達(dá)1500 m，額定容量可達(dá)200 MW。
關(guān)于可逆式水泵水輪機(jī)和三機(jī)式水泵水輪機(jī)的綜合性能比較如表3所示。
表3 可逆式/三機(jī)式水泵水輪機(jī)綜合比較
水泵水輪機(jī)是高水頭抽水蓄能系統(tǒng)的重要組成部分，以500 MW、1000 m水頭為例，考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性以及地下抽水蓄能電站日內(nèi)調(diào)峰和緊急備用的定位，可逆式水泵水輪機(jī)組更為適合。因此，美國(guó)能源部研究混流可逆式水泵水輪機(jī)用于高水頭地下抽水蓄能的可行性，完成對(duì)350 MW、500 MW二級(jí)混流式機(jī)組(加裝一級(jí)導(dǎo)葉)技術(shù)方案下1000 m、1250 m和1500 m水頭機(jī)組的技術(shù)可行性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的研究，得出了重要結(jié)論：預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)阻礙這些水泵水輪機(jī)發(fā)展的主要機(jī)械系統(tǒng)障礙。1500 m水頭、500 MW機(jī)組在水輪機(jī)和水泵工況下的效率分別能達(dá)到約88%。同等水頭和容量條件下，單級(jí)水泵水輪機(jī)成本低于二級(jí)機(jī)組，對(duì)于二級(jí)機(jī)組，水頭越高成本越低。關(guān)于經(jīng)濟(jì)性，按照1978年美元計(jì)算，不同500 MW水泵水輪機(jī)單位千瓦成本如表4所示。通過(guò)對(duì)不同水頭，不同技術(shù)方案的水泵水輪機(jī)的比較，可以得出高水頭水泵水輪機(jī)的單位千瓦成本與較低水頭的水泵水輪機(jī)相當(dāng)或者更低。
表4 不同500 MW水泵水輪機(jī)單位千瓦成本
注：以上成本均只包含水泵水輪機(jī)，不包含電動(dòng)發(fā)電機(jī)；1978年的1美元相當(dāng)于2023年的3.66美元。
目前，國(guó)內(nèi)外企業(yè)高水頭水泵水輪機(jī)的生產(chǎn)能力如表5所示。奧地利Andritz的4級(jí)混流式水泵水輪機(jī)已于2015年10月交付瑞士主要的電力集團(tuán)Axpo Power AG，用于Tierfehd抽水蓄能電廠，該機(jī)組不帶導(dǎo)葉，額定水頭可達(dá)1060 m，最大輸出功率為140 MW。德國(guó)Voith公司為浙江長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站提供的機(jī)組，水頭為700 m級(jí)。
表5 國(guó)內(nèi)外高水頭可逆式水泵水輪機(jī)案例
此外，我國(guó)具有高水頭三機(jī)式抽水蓄能機(jī)組的使用經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)于1997年竣工投產(chǎn)的西藏羊卓雍措抽水蓄能電站，抽水蓄能機(jī)組由奧地利依林—伏伊特(ELIN—VOITH)公司制造，額定容量(發(fā)電工況)25 MVA，額定功率23 MW，額定水頭816 m；水泵為6級(jí)離心泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程850 m。
3 地下抽水蓄能發(fā)展挑戰(zhàn)與建議
3.1 發(fā)展挑戰(zhàn)
美國(guó)、日本、俄羅斯和新加坡的研究表明，基于人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能具有與常規(guī)抽水蓄能相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性，技術(shù)上可行。然而，這些國(guó)家前期都沒(méi)有建設(shè)實(shí)際的工程。分析主要原因有兩個(gè)方面：一是過(guò)去傳統(tǒng)能源主導(dǎo)的背景下，對(duì)儲(chǔ)能的需求量不大；此外，這些國(guó)家均較易獲得價(jià)格合理的油氣資源用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，進(jìn)入新能源高速發(fā)展時(shí)期，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電屬于靈活性電源，有利于為新能源調(diào)峰，從而削弱了地下抽水蓄能建設(shè)的必要性；二是當(dāng)時(shí)的地下空間挖掘技術(shù)相對(duì)落后，導(dǎo)致工期過(guò)長(zhǎng)，建設(shè)成本偏高。但是，這些不對(duì)我國(guó)發(fā)展地下抽水蓄能形成挑戰(zhàn)，我國(guó)油氣資源相對(duì)匱乏，不適合大量、大規(guī)模發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電作為靈活調(diào)節(jié)電源；火電機(jī)組靈活性較抽水蓄能尚有差距；而抽水蓄能站點(diǎn)有限，因此，適合發(fā)展基于人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能。此外，火電廠無(wú)法根本解決碳排放問(wèn)題，而地下抽水蓄能屬于零排放。
本文估算基于硬巖掘進(jìn)機(jī)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案造價(jià)與傳統(tǒng)抽水蓄能造價(jià)可比，經(jīng)濟(jì)上可行，但是，其仍然接近抽水蓄能單位kW成本的高限，在目前階段我國(guó)地上抽水蓄能站點(diǎn)資源還沒(méi)有開(kāi)發(fā)結(jié)束的情況下，相比于一些經(jīng)濟(jì)性較好的選址站點(diǎn)，地下抽水蓄能方案不具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)，根據(jù)與潛在業(yè)主的溝通，這些是阻礙快速通過(guò)決策的一大因素。此外，正確的選址和可靠的地下工程施工足以保證地下空間的安全，但是，由于目前國(guó)際上沒(méi)有地下抽水蓄能建成投產(chǎn)的案例，業(yè)界普遍對(duì)地下抽水蓄能的安全性存在疑問(wèn)。這些是阻礙我國(guó)發(fā)展人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能的主要挑戰(zhàn)。
關(guān)于廢棄礦井改造的地下抽水蓄能，各個(gè)方案在容量和儲(chǔ)能量的設(shè)計(jì)上已經(jīng)初具規(guī)模，達(dá)到電網(wǎng)級(jí)規(guī)?；瘍?chǔ)能的參數(shù)要求，但是，各工程僅僅停留在提出計(jì)劃和完成設(shè)計(jì)的初期階段，未見(jiàn)后續(xù)實(shí)施和示范的相關(guān)信息。究其原因，是利用廢棄礦洞建設(shè)地下抽水蓄能存在一些不足，經(jīng)過(guò)查閱資料和與廢棄煤礦業(yè)主單位交流，總結(jié)出利用廢棄礦井抽水蓄能和人工挖掘隧洞地下抽水蓄能的綜合比較，詳見(jiàn)表6。綜合考慮，一般情況下通過(guò)人工挖掘隧洞建設(shè)地下抽水蓄能的方案更具備優(yōu)勢(shì)，但是，在一些特殊場(chǎng)景下廢棄礦井改造的地下抽水蓄能可能具備較好的技術(shù)可行性以及經(jīng)濟(jì)可行性。
表6 廢棄礦井改造的地下抽水蓄能與人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能比較
其他地(海)下抽水蓄能大多處于概念設(shè)想和方案設(shè)計(jì)階段，即使進(jìn)入樣機(jī)示范的工程規(guī)模還較小，尚不具備大規(guī)模示范和產(chǎn)業(yè)化的條件。
3.2 發(fā)展建議
廢棄礦井改造的地下抽水蓄能受廢棄礦井客觀條件的影響，具有諸多不確定性因素，其他地(海)下抽水蓄能尚不具備大規(guī)模開(kāi)發(fā)的條件，建議優(yōu)先關(guān)注并發(fā)展人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能。
地下工程方面，進(jìn)一步提高地下工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，硬巖掘進(jìn)機(jī)直徑的持續(xù)擴(kuò)大可以顯著提高地下抽水儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能量，提升其規(guī)模效益和經(jīng)濟(jì)性，因此，建議進(jìn)一步提高硬巖掘進(jìn)機(jī)的直徑。增加地上到地下斜井的坡度可以減少開(kāi)挖量，提高經(jīng)濟(jì)性，此外，硬巖掘進(jìn)機(jī)挖掘后出渣效率是影響開(kāi)挖速度的主要制約因素，建議突破TBM正井法大角度挖掘和高效出渣技術(shù)。精細(xì)地質(zhì)勘探是人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能電站建設(shè)選址的關(guān)鍵技術(shù)，目前主要地質(zhì)勘探的方法是通過(guò)炮眼進(jìn)行勘探，單個(gè)炮眼探測(cè)范圍有限，所需勘測(cè)的地下空間分布廣，建議突破大范圍深層地下地質(zhì)勘探技術(shù)，滿足地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。地下空間的安全性也是潛在業(yè)主關(guān)注的焦點(diǎn)，建議從選址、勘探、設(shè)計(jì)、運(yùn)維、檢修等多個(gè)方面，開(kāi)發(fā)確保地下空間安全和可靠的關(guān)鍵技術(shù)。
水泵水輪機(jī)方面，目前，我國(guó)已經(jīng)掌握了700 m級(jí)水頭單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。國(guó)外可以提供1000 m級(jí)水頭的多級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)，建議突破1000 m級(jí)水頭的水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵裝備的國(guó)產(chǎn)化。此外，建議突破大容量變速抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)，提高地下抽水蓄能的功率調(diào)節(jié)的靈活性和效率。
4 結(jié) 論
本文綜述了地下抽水蓄能的發(fā)展歷程以及不同的地下抽水蓄能方案，美國(guó)能源部的研究表明，建設(shè)埋深1000~1500 m的地下抽水蓄能技術(shù)可行，高水頭水泵水輪機(jī)組等關(guān)鍵裝備滿足建設(shè)要求，單位kW建設(shè)成本與常規(guī)抽水蓄能相當(dāng)，且美國(guó)大陸廣泛的地域具備建設(shè)地下抽水蓄能的穩(wěn)定的地質(zhì)條件。加拿大、俄羅斯、日本、新加坡等國(guó)的研究同樣證實(shí)了地下抽水蓄能的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。通過(guò)硬巖掘進(jìn)機(jī)對(duì)施工方案進(jìn)行改進(jìn)，可以繼續(xù)提高工程建設(shè)效率，降低工程造價(jià)。除此之外，綜合分析，一般情況下人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能建設(shè)要比廢棄礦井改造的地下抽水蓄能具備優(yōu)勢(shì)。
我國(guó)的地質(zhì)同樣具備在廣泛的地域建設(shè)人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能的條件，提出基于硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，通過(guò)優(yōu)化方案和發(fā)揮規(guī)模效益，可以使地下抽水蓄能工程的度電成本與我國(guó)當(dāng)下在建的常規(guī)抽水蓄能工程相當(dāng)。除此之外，由于地下抽水蓄能工程具有靈活選址的優(yōu)點(diǎn)，可以在電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)附近選址，節(jié)省輸電線路建設(shè)和輸電走廊的同時(shí)，還可顯著加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)的支撐功能，綜合效益明顯。
建議優(yōu)先發(fā)展人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能，進(jìn)一步提高地下工程施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，確保全生命周期安全性，實(shí)現(xiàn)1000 m級(jí)水頭水泵水輪機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化，地下抽水蓄能有望成為我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能的重要組成部分。建議國(guó)家大力支持地下抽水蓄能相關(guān)技術(shù)的研發(fā)并進(jìn)行工程示范，以加快我國(guó)地下抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展。
