摘 要 2060年碳中和場景下對儲能需求量巨大，但是，我國常規(guī)抽水蓄能站點資源不足。針對這一問題，本文綜述了美國、俄羅斯、新加坡、日本等國關(guān)于地下抽水蓄能的研究，提出基于硬巖掘進機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，包括地下工程建設(shè)與運營現(xiàn)狀，以及高水頭水泵水輪機技術(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)濟可行，優(yōu)勢明顯，建議我國加強對地下抽水蓄能技術(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，是實現(xiàn)人類社會長期可持續(xù)發(fā)展和國家能源獨立的必由之路。我國確定了2030碳達峰、2060年碳中和的“雙碳”目標，預(yù)計至2030年，將實現(xiàn)太陽能風能電力裝機達12億千瓦以上。
新能源發(fā)電出力具有隨機性、間歇性、波動性，光伏發(fā)電出力具有晝夜周期性，除此之外，還可出現(xiàn)長時間新能源出力盈余或者出力不足的問題，因此需要配置儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)一般包括長周期能量轉(zhuǎn)移型(對應(yīng)的是周、月或季度)、短周期能量轉(zhuǎn)移型(日內(nèi)削峰填谷)、短時間尺度功率補償型三種類型。
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)的最為理想的儲能方式之一。澳大利亞國立大學(xué)Blakers等研究報告指出：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)國家能源局2021年8月頒布的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，截至2020年底，我國抽水蓄能裝機容量只有3149萬千瓦，預(yù)計到2025年，抽水蓄能將投產(chǎn)總規(guī)模6200萬千瓦以上；預(yù)計到2030年，將投產(chǎn)總規(guī)模1.2億千瓦左右，僅占2030年預(yù)期太陽能風能電力裝機容量12億千瓦的10%。
預(yù)計2060年，全國可再生能源裝機容量可達80億千瓦。研究表明，為了實現(xiàn)可再生能源的合理消納，所需儲能裝機容量將達到可再生能源裝機容量的40%~50%，即32~40億千瓦。根據(jù)《抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2021》披露的信息，2020年12月，國家能源局組織開展了新一輪抽水蓄能中長期規(guī)劃資源站點普查工作，我國可建抽水蓄能站點1529個，總裝機規(guī)模達16.04億千瓦。截至2021年底，我國已納入規(guī)劃的抽水蓄能站點資源總量約8.14億千瓦，其中，重點實施項目4.21億千瓦，規(guī)劃儲備項目3.05億千瓦。假設(shè)其他新型儲能和靈活電源可以提供約10億千瓦的等效儲能裝機，按照重點實施項目4.21億千瓦計算，儲能的缺口為18~26億千瓦，即使是按照納入規(guī)劃的抽水蓄能資源總量8.14億千瓦計算，儲能的缺口仍為14~22億千瓦，雖然普查中我國可建抽水蓄能總裝機規(guī)模達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，實際上并不是所有的站點資源都有開發(fā)的價值。因此，為了實現(xiàn)碳中和，我國大約存在上限26億千瓦，下限14億千瓦的儲能容量缺口。
目前，其他形式的儲能技術(shù)在規(guī)模、成本、技術(shù)成熟度、可靠性、經(jīng)濟性等方面很難與抽水蓄能形成競爭優(yōu)勢，從而難以填補抽水蓄能站點資源不足造成的儲能容量空缺，繼而影響“雙碳”目標的實現(xiàn)。近年來，國內(nèi)壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)展迅速，相繼完成了1.5 MW、10 MW、60 MW和100 MW非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范工程并投運，同時，國內(nèi)多家單位正在進行300 MW級以及以上的壓縮空氣儲能的工程示范，預(yù)計當壓縮空氣儲能系統(tǒng)循環(huán)效率高于70%，單位建設(shè)成本達到6500~8000元/kW時，將有望成為大規(guī)模儲能的又一重要選擇。
發(fā)展地下抽水蓄能是解決常規(guī)抽水蓄能資源站點不足問題的重要方法，本文將綜述地下抽水蓄能的發(fā)展，吸取和借鑒各國在地下抽水蓄能研究方面的經(jīng)驗，掌握該研究領(lǐng)域的最新進展，結(jié)合中國的實際情況，提出新型地下抽水蓄能方案，為解決抽水蓄能資源站點不足的問題提出重要建議。
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向地下開挖空間形成地下水庫、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。本部分將首先對不同地下抽水蓄能的技術(shù)方案和發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述。
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、無線電先驅(qū)Reginald Aubrey Fessenden在1917年首次提出了利用地下空間進行抽水蓄能的概念設(shè)想。在那個年代，Reginald準確預(yù)測人類未來面臨的能源短缺場景，以及風能、太陽能開發(fā)的潛力，他提出的地下抽水蓄能用于解決常規(guī)抽水蓄能對地理條件的依賴，解決風能出力的間歇性問題，發(fā)明結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖 1 Reginald于1917年提出的儲能系統(tǒng)
在電動機技術(shù)相對落后的年代，Reginald提出的方案是直接用風力機械能驅(qū)動水泵抽水蓄能，發(fā)電的過程中通過水帶動水輪機和發(fā)電機發(fā)電。根據(jù)他的計算，在地面和地下水庫存在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1馬力小時(0.7457千瓦時)的能量。從現(xiàn)代的眼光看，雖然，受當時技術(shù)條件限制，Reginald采用的方案通過風車機械能直接帶動水泵造成效率低的問題，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70年代，美國能源部牽頭對地下抽水蓄能系統(tǒng)進行了較為詳細的研究，其方案為人工挖掘地下空間的地下抽水蓄能。
根據(jù)美國能源部阿貢實驗室的資料，在20世紀70年代，美國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荷時具有良好的經(jīng)濟性。對于峰值負荷，需要使用燃氣輪機進行頂峰支撐，這種電源響應(yīng)快，易于維護，但是，燃氣輪機效率低(20世紀70年代技術(shù)水平)且需要昂貴的燃料(石油或者天然氣)。需要說明的是，20世紀70年代，西方經(jīng)歷了廣泛的石油危機，在那時，美國尚未實現(xiàn)頁巖油和頁巖氣的規(guī)?；_采。因此，在那個年代，美國人迫切需要減少對燃氣輪機的依賴。
自從1953年美國第一座地上抽水蓄能建成，抽水蓄能已經(jīng)長期應(yīng)用于電網(wǎng)頂峰功率發(fā)電運行。由于地上抽水蓄能要求上下庫靠近且具有一定落差，相對于負荷中心距離較近，美國國內(nèi)的地上抽水蓄能可用站點資源不多。因此，美國能源部牽頭研究并設(shè)計地下抽水蓄能來緩解抽水蓄能建設(shè)站點資源不足的問題，從而滿足電網(wǎng)頂峰發(fā)電功率的需求，減少對燃氣輪機發(fā)電的依賴。
1.2.2 研究進展
美國阿貢實驗室提出一個典型的地下抽水蓄能電站容量為1000~2000 MW，儲能時長為8~10小時，循環(huán)效率接近80%。其中，有兩種基本電站結(jié)構(gòu)——單級地下抽水蓄能和二級地下抽水蓄能。
單級地下抽水蓄能如圖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位于地面，下水庫通過在地下開挖硐室形成，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)接入點的地方，從而進一步減少輸電系統(tǒng)的投資。主廠房在下水庫水平面以下，為水泵水輪機提供淹沒深度，通道、電纜以及設(shè)備通道連接地面的服務(wù)廠房，下水庫與上水庫之間通過輸水管道相連，下水庫通過通風井與外界大氣連通。
圖2 單級地下抽水蓄能系統(tǒng)
二級地下抽水蓄能如圖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)的單級可逆式水泵水輪機機組，每臺機組設(shè)計平均水頭為下庫深度的一半，在上下水庫之間一半的深度建設(shè)一個比較小的中間水庫，中間水庫和下水庫各自配備一個主廠房，但是，各自的水泵水輪機機組的運行不必同步。二級地下抽水蓄能通道的設(shè)計要求與單級地下抽水蓄能系統(tǒng)相似。當然，還可根據(jù)需求設(shè)計更多級的地下抽水蓄能電站。
圖3 二級地下抽水蓄能系統(tǒng)
以上方案中，下水庫采用網(wǎng)格形狀隧洞的設(shè)計方案，占地約64萬平方米，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，機器鏜孔，通過升降平臺提升廢渣，如果需要，還可以繼續(xù)擴大通道的截面積。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)計和準備工作，時間將會超過10年。
此外，美國Riverbank公司聯(lián)合AECOM工程咨詢公司計劃在Wiscasset開發(fā)地下抽水蓄能工程[11-12]，如圖4所示?？傃b機容量1 GW，儲能時長6小時，電站和下庫在地下約600 m深處通過鉆爆法開挖，其中下庫巖石爆破量約560萬立方米，其采用的技術(shù)均為成熟的技術(shù)。Riverbank公司將這項技術(shù)命名為Aquabank，并且計劃在北美建設(shè)多座1 GW的此類電站，每個項目的估計成本為20億美元，施工階段預(yù)計將持續(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，通過硬巖掘進機(TBM)螺旋向下開挖形成通往地下的通道，在地下挖掘螺旋隧洞作為下水庫，通過TBM挖掘通道可以在一定程度上解決地下隧洞開挖渣石的運出問題，提高了開挖效率，縮短了整體施工時間。Golder Associates以及AECOM公司完成了該工程的預(yù)可行性研究，由于目前單級水泵水輪機最高設(shè)計水頭為700 m，該工程采用地下700 m埋深的下水庫，設(shè)計容量666 MW，儲能時長12小時，循環(huán)效率80%，工程建造時間為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。其下水庫位于地下1400 m，裝機容量1000 MW，儲能時間8小時。地上與地下之間通過豎井相連，下水庫通過硬巖掘進機(TBM)挖掘，構(gòu)成環(huán)形水庫群，節(jié)省了成本與建造時間，據(jù)估計，整個項目的工期在4.5年，大大縮短了建設(shè)時間，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，相當于目前美國地上抽水蓄能工程的中等偏低水平。需要指出的是，其通往地下水庫和廠房的通道為豎井，豎井運出廢渣和向下運送裝備的重量均有限，可能會增加施工時間，不利于從地上向地下運送裝備。
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，日本、俄羅斯和新加坡也面臨著對抽水蓄能的需求，從而催生對地下抽水蓄能的研究。
從1997年到2002年，日本對地下抽水蓄能工程進行了研究，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方案，證明了在高水頭(800米以上)的情況下，其經(jīng)濟性可與常規(guī)抽水蓄能可比。
由于土地少、無高山等原因，新加坡沒有修建常規(guī)抽水蓄能電站的站點資源，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作為上庫，在花崗巖地層中人工挖掘下水庫和廠房，建造地下抽水蓄能電站，設(shè)計額定容量370 MW，儲能時長9小時，有效水頭500 m，所需下庫容量約270萬立方米，考慮地下廠房和各種隧洞，地下建筑開挖量約300萬立方米。由于不受地形限制，下庫可直接布置在上庫下面，使上下庫水平距離最小。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題，俄羅斯計劃在莫斯科市修建地下抽水蓄能電站，并提出了如下設(shè)計方案：上庫建在地面，下庫為地下800～1300米深的人工挖掘隧洞，隧洞長度為16公里、直徑為12.5米。地下廠房在地下1300米處，長60米，寬20米，高度為30～40米，廠房內(nèi)安裝4臺可逆式水輪機組，水輪機出力各為250 MW，總功率為1000 MW，投資預(yù)算為700美元/kW(2004年美元計價，相當于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。
1.2.3 基于硬巖掘進機(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案
中國科學(xué)院電工研究所提出了基于硬巖掘進機(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，在地面開挖水庫或者利用現(xiàn)有的自然水體作為上水庫，硬巖掘進機向深層地下空間挖掘隧洞形成下水庫，所在地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，圍巖為穩(wěn)定巖層，并在地下開挖抽水蓄能機組廠房，構(gòu)成地下抽水蓄能工程的主要基建部分。通過提高TBM的利用率，減小斜井在總基建工程中的成本比例，提高地下隧洞水庫在總基建工程中的成本比例，通過優(yōu)化施工方案，發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)，進一步減小地下抽水蓄能電站的單位千瓦建造成本。采用兩臺硬巖掘進機向不同的方向挖掘水平隧洞形成地下水庫，其中一臺硬巖掘進機挖掘8.2 km的斜井后還可繼續(xù)掘進12 km至報廢，另一臺嶄新的硬巖掘進機可以在地下另一側(cè)挖掘20 km長的水平隧洞，然后報廢，使兩臺TBM均達到盡限應(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，該工程造價為159~164億，對應(yīng)的單位造價成本為7500~7800元/kW。2023年9月25日，新疆若羌抽水蓄能電站開工，容量為210萬kW，概算總投資165.25億元，即單位造價7870元/kW。由此可見，通過合理設(shè)計和優(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，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)勢明顯：
（1）環(huán)保、安全且無生態(tài)影響；
（2）效率中高(>75%)；
（3）使用壽命長(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)負荷/電源需要選址)；
（8）資源幾乎無限制；
（9）環(huán)境適應(yīng)性強(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，位于美國主要工業(yè)帶和電力負荷區(qū)均可建設(shè)地下抽水蓄能電站。參照美國的研究結(jié)論，根據(jù)中國地質(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)條件在我國也廣泛分布。
圖8 美國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)大容量地下水庫耗資巨大且建設(shè)周期較長，工程師們設(shè)想利用現(xiàn)有的廢棄礦洞巷道或采空區(qū)作為地下水庫以解決地下水庫經(jīng)濟性和建設(shè)周期長的問題。國外部分基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計及實施情況如表2所示，基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計示意圖如圖9所示。
表2 國外部分基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計及實施情況
圖9 基于廢棄礦洞抽水蓄能電站設(shè)計示意圖
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，通過固體介質(zhì)的重力增強位于地下水庫的壓強，從而等效常規(guī)抽水蓄能上下水庫高差，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不同埋深的鹽穴作為上下水庫，兩個鹽穴中的飽和鹽水通過水泵和水輪機連接，并注入壓縮空氣，為水泵提供所需淹沒深度對應(yīng)的壓力。美國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)力維持水的壓力來等效水頭。
此外，美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)以及德國弗勞恩霍夫協(xié)會能源經(jīng)濟和能源系統(tǒng)研究所(Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology)分別提出了海下儲能，其概念是利用海洋本身作為上水庫，下水庫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，有柔性儲能空間和剛性儲能空間兩個不同的儲能空間，其中，柔性儲能空間的壓強與海底壓強相同，剛性儲能空間通過通風管與海平面以上的大氣連通，柔性儲能空間等效為上庫，剛性儲能空間等效為下庫。
2 地下抽水蓄能關(guān)鍵技術(shù)及其難點
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)濟性，地下抽水蓄能電站設(shè)計水頭一般高于1000 m，而現(xiàn)有的水泵水輪機水頭一般在800 m以內(nèi)，因此，高水頭水泵水輪機裝備技術(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)計和制造高水頭水泵水輪機，同時保證其技術(shù)經(jīng)濟性是地下抽水蓄能實施的難點。
2.1 地下工程建設(shè)
中國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和廠房建設(shè)的技術(shù)、經(jīng)濟和時效的需求。引漢濟渭工程中包含一條長度達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，硬巖掘進機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)過防水、防滲、加固襯砌處理。隧道建設(shè)歷時6年，平均每年16 km，每公里隧洞的體積約為3.8萬立方米，整個隧洞的儲水量約為370萬立方米，與抽水蓄能電站所需的水庫容量相當。此外，中國可以建造掘進直徑15.08米的TBM，可以建設(shè)規(guī)模更大的地下水庫。
此外，國內(nèi)已有相當規(guī)模的地下基礎(chǔ)設(shè)施建成投運，比如廣東江門中微子實驗室位于地下700米，底部呈圓形，底深距穹頂達70米左右，水平跨度達50米，為深埋超大跨度地下洞室。中國錦屏地下實驗室垂直巖石埋深達2400米，地下廠房容積33萬立方米。這些都表明我國具有建設(shè)和運營地下抽水蓄能廠房的成熟經(jīng)驗，不存在技術(shù)和施工障礙。
地下工程建設(shè)的難點在于準確且經(jīng)濟的深層底下地質(zhì)勘測，高效且經(jīng)濟的大規(guī)模地下空間設(shè)計和施工技術(shù)，雖然如1.2.3小節(jié)所述，經(jīng)過與國內(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，估算基于硬巖掘進機挖掘的低成本地下抽水蓄能方案造價與傳統(tǒng)抽水蓄能造價可比，但是仍然位于抽水蓄能單位kW成本的高限，需要進一步提高地下工程建設(shè)的經(jīng)濟性。
2.2 高水頭水泵水輪機
單級可逆式水泵水輪機，采用混流式水輪機轉(zhuǎn)輪(trancis turbine)，既可以用作儲能時的水泵，又可以用作發(fā)電時的水輪機。以目前單級可逆式水泵水輪機額定水頭可達約700 m以上，額定容量可達約500 MW。需要說明的是，美國能源部的研究表明，經(jīng)過分析和設(shè)計，單級可逆式水泵水輪機水頭可以達到約1000 m。增加水輪機級數(shù)，通過多級可逆式水泵水輪機可以進一步提高設(shè)計水頭，其中，意大利的Edolo電站，采用4級方案，水頭高達1290 m，容量142 MW。
三機式水泵水輪機包含多級混流式儲能水泵以及沖擊式水輪機(pelton turbine)。沖擊式水輪機額定水頭可達1500 m，額定容量可達300 MW。多級水泵額定水頭可達1500 m，額定容量可達200 MW。
關(guān)于可逆式水泵水輪機和三機式水泵水輪機的綜合性能比較如表3所示。
表3 可逆式/三機式水泵水輪機綜合比較
水泵水輪機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，可逆式水泵水輪機組更為適合。因此，美國能源部研究混流可逆式水泵水輪機用于高水頭地下抽水蓄能的可行性，完成對350 MW、500 MW二級混流式機組(加裝一級導(dǎo)葉)技術(shù)方案下1000 m、1250 m和1500 m水頭機組的技術(shù)可行性和技術(shù)經(jīng)濟性的研究，得出了重要結(jié)論：預(yù)計不會出現(xiàn)阻礙這些水泵水輪機發(fā)展的主要機械系統(tǒng)障礙。1500 m水頭、500 MW機組在水輪機和水泵工況下的效率分別能達到約88%。同等水頭和容量條件下，單級水泵水輪機成本低于二級機組，對于二級機組，水頭越高成本越低。關(guān)于經(jīng)濟性，按照1978年美元計算，不同500 MW水泵水輪機單位千瓦成本如表4所示。通過對不同水頭，不同技術(shù)方案的水泵水輪機的比較，可以得出高水頭水泵水輪機的單位千瓦成本與較低水頭的水泵水輪機相當或者更低。
表4 不同500 MW水泵水輪機單位千瓦成本
注：以上成本均只包含水泵水輪機，不包含電動發(fā)電機；1978年的1美元相當于2023年的3.66美元。
目前，國內(nèi)外企業(yè)高水頭水泵水輪機的生產(chǎn)能力如表5所示。奧地利Andritz的4級混流式水泵水輪機已于2015年10月交付瑞士主要的電力集團Axpo Power AG，用于Tierfehd抽水蓄能電廠，該機組不帶導(dǎo)葉，額定水頭可達1060 m，最大輸出功率為140 MW。德國Voith公司為浙江長龍山抽水蓄能電站提供的機組，水頭為700 m級。
表5 國內(nèi)外高水頭可逆式水泵水輪機案例
此外，我國具有高水頭三機式抽水蓄能機組的使用經(jīng)驗，我國于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級離心泵，設(shè)計揚程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、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?shù)慕?jīng)濟性，技術(shù)上可行。然而，這些國家前期都沒有建設(shè)實際的工程。分析主要原因有兩個方面：一是過去傳統(tǒng)能源主導(dǎo)的背景下，對儲能的需求量不大；此外，這些國家均較易獲得價格合理的油氣資源用于燃氣輪機發(fā)電，進入新能源高速發(fā)展時期，燃氣輪機發(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；二是當時的地下空間挖掘技術(shù)相對落后，導(dǎo)致工期過長，建設(shè)成本偏高。但是，這些不對我國發(fā)展地下抽水蓄能形成挑戰(zhàn)，我國油氣資源相對匱乏，不適合大量、大規(guī)模發(fā)展燃氣輪機發(fā)電作為靈活調(diào)節(jié)電源；火電機組靈活性較抽水蓄能尚有差距；而抽水蓄能站點有限，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，火電廠無法根本解決碳排放問題，而地下抽水蓄能屬于零排放。
本文估算基于硬巖掘進機挖掘的低成本地下抽水蓄能方案造價與傳統(tǒng)抽水蓄能造價可比，經(jīng)濟上可行，但是，其仍然接近抽水蓄能單位kW成本的高限，在目前階段我國地上抽水蓄能站點資源還沒有開發(fā)結(jié)束的情況下，相比于一些經(jīng)濟性較好的選址站點，地下抽水蓄能方案不具備價格優(yōu)勢，根據(jù)與潛在業(yè)主的溝通，這些是阻礙快速通過決策的一大因素。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，由于目前國際上沒有地下抽水蓄能建成投產(chǎn)的案例，業(yè)界普遍對地下抽水蓄能的安全性存在疑問。這些是阻礙我國發(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，各個方案在容量和儲能量的設(shè)計上已經(jīng)初具規(guī)模，達到電網(wǎng)級規(guī)模化儲能的參數(shù)要求，但是，各工程僅僅停留在提出計劃和完成設(shè)計的初期階段，未見后續(xù)實施和示范的相關(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，詳見表6。綜合考慮，一般情況下通過人工挖掘隧洞建設(shè)地下抽水蓄能的方案更具備優(yōu)勢，但是，在一些特殊場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)計階段，即使進入樣機示范的工程規(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，進一步提高地下工程建設(shè)的經(jīng)濟性，硬巖掘進機直徑的持續(xù)擴大可以顯著提高地下抽水儲能電站儲能量，提升其規(guī)模效益和經(jīng)濟性，因此，建議進一步提高硬巖掘進機的直徑。增加地上到地下斜井的坡度可以減少開挖量，提高經(jīng)濟性，此外，硬巖掘進機挖掘后出渣效率是影響開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)勘探的方法是通過炮眼進行勘探，單個炮眼探測范圍有限，所需勘測的地下空間分布廣，建議突破大范圍深層地下地質(zhì)勘探技術(shù)，滿足地質(zhì)勘探的準確性和經(jīng)濟性。地下空間的安全性也是潛在業(yè)主關(guān)注的焦點，建議從選址、勘探、設(shè)計、運維、檢修等多個方面，開發(fā)確保地下空間安全和可靠的關(guān)鍵技術(shù)。
水泵水輪機方面，目前，我國已經(jīng)掌握了700 m級水頭單級混流可逆式水泵水輪機的設(shè)計和制造技術(shù)。國外可以提供1000 m級水頭的多級混流可逆式水泵水輪機，建議突破1000 m級水頭的水泵水輪機設(shè)計和制造技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵裝備的國產(chǎn)化。此外，建議突破大容量變速抽水蓄能電動發(fā)電機技術(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，且美國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、新加坡等國的研究同樣證實了地下抽水蓄能的技術(shù)和經(jīng)濟可行性。通過硬巖掘進機對施工方案進行改進，可以繼續(xù)提高工程建設(shè)效率，降低工程造價。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。
我國的地質(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，提出基于硬巖掘進機(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，通過優(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當下在建的常規(guī)抽水蓄能工程相當。除此之外，由于地下抽水蓄能工程具有靈活選址的優(yōu)點，可以在電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點附近選址，節(jié)省輸電線路建設(shè)和輸電走廊的同時，還可顯著加強對電網(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，進一步提高地下工程施工的技術(shù)經(jīng)濟性，確保全生命周期安全性，實現(xiàn)1000 m級水頭水泵水輪機組的國產(chǎn)化，地下抽水蓄能有望成為我國大規(guī)模儲能的重要組成部分。建議國家大力支持地下抽水蓄能相關(guān)技術(shù)的研發(fā)并進行工程示范，以加快我國地下抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展。
