中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：抽水蓄能電站是一種利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電的水電站。作為一種成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，抽水蓄能電站具有多種優(yōu)點(diǎn)，例如提高電力系統(tǒng)中火電站和核電站的運(yùn)行效益;減少核電、火電或其它類(lèi)型電源的裝機(jī)容量，改變能源結(jié)構(gòu)，等等。因此，全國(guó)各地都已建設(shè)不少抽水蓄能電站。
圖1 中國(guó)大中型抽水蓄能電站分布圖
圖2 某抽水蓄能電站實(shí)景
筆者認(rèn)為，抽水蓄能電站附近是一個(gè)適宜建設(shè)數(shù)據(jù)中心，也容易建成綠色數(shù)據(jù)中心的好地方。對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，抽水蓄能電站相當(dāng)于一個(gè)超級(jí)電池，夜里充好電，白天再把電給放出來(lái)，可以給數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)頻濾波和停電保護(hù)。同時(shí)，抽水蓄能電站由于有上下兩個(gè)容量很大的水庫(kù)，也相當(dāng)于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的兩個(gè)超大蓄冷罐或者蓄水池，其深層湖水可用于數(shù)據(jù)中心持續(xù)供冷(典型的抽水蓄能電站主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，紅線以下為死庫(kù)容深層湖水，可用于數(shù)據(jù)中心散熱需要。）
圖3 典型抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)
抽水蓄能電站實(shí)際上有多種優(yōu)勢(shì)適宜建設(shè)數(shù)據(jù)中心，以下將詳細(xì)介紹。
1、選址考慮
由于抽水蓄能電站對(duì)地質(zhì)條件要求非常高，因此選址的時(shí)候充分考慮了當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，地下巖石多為礫巖、砂巖等，無(wú)地震隱患、無(wú)臺(tái)風(fēng)、海嘯、龍卷風(fēng)、洪水、干旱等災(zāi)害，完全可用于數(shù)據(jù)中心建設(shè)。
典型的抽水蓄能電站多建設(shè)在植被良好的山區(qū)，因湖水比熱容大及良好植被覆蓋，整體環(huán)境溫度比周邊城市地區(qū)要低幾度。無(wú)季節(jié)性洪水，且附近多有天然小徑流水源，多具備良好湖水自?xún)裟芰Γ虼怂w質(zhì)量通常較好?？傮w而言，電力充沛，氣候良好。
抽水蓄能電站投資龐大，相對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)配套也較為完善，比如滿(mǎn)足大型水電機(jī)組的運(yùn)輸公路;宛如度假園區(qū)的湖光山色美景;配套的住宿、酒店、會(huì)議中心等等，土地儲(chǔ)備等也非常豐富，可擴(kuò)展性好。此外，抽水蓄能電站也具備豐富的電力、水利人才，因此數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)人力資源也非常豐富和穩(wěn)定。此外蓄能電站廠區(qū)安全性要求很高，數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)的安保及破壞風(fēng)險(xiǎn)將很小。
2、數(shù)據(jù)中心供電的問(wèn)題
雖然按照抽水4度電發(fā)電3度、年利用時(shí)間兩千小時(shí)估算，以及電站造價(jià)均攤、發(fā)電價(jià)格、加上合理的管理費(fèi)用及利潤(rùn)等，計(jì)算出來(lái)的峰電電價(jià)也要比電網(wǎng)平均電價(jià)便宜，但抽水蓄能電站的間歇性供電特性決定了不好直接從電站的發(fā)電機(jī)組來(lái)供電?；旌鲜匠樗钅茈娬局苓呁ǔＳ谐Ｒ?guī)水電站，或者純抽水蓄能電站周邊往往也有些小水電站(部分用于黑啟動(dòng))，可以獲得便宜且潔凈的水電等綠色能源，但目前國(guó)內(nèi)政策多不允許數(shù)據(jù)中心直供電?？紤]到蓄能電站發(fā)電的間歇性以及難以實(shí)現(xiàn)周邊水電廠的直供電，因此數(shù)據(jù)中心的電力基本還是要從大電網(wǎng)上獲得。當(dāng)然如果未來(lái)數(shù)據(jù)中心能夠獲得直供電政策，特別是采用分布式小水電來(lái)供電，既可以得到非常便宜的綠色能源，而且大大提升小水電的綜合收益，也不影響大電網(wǎng)的負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)，將是個(gè)多贏的局面。
雖然抽水蓄能電站數(shù)據(jù)中心的電力也是從大電網(wǎng)上取得的，但卻和普通數(shù)據(jù)中心的用電可靠性等級(jí)不太一樣。因?yàn)槌樗钅茈娬旧舷滤畮?kù)這倆超級(jí)儲(chǔ)能電池的存在大大提升了蓄能電站周邊電網(wǎng)的可靠性。不同于大型核電站和火電站需要很長(zhǎng)時(shí)間的啟動(dòng)時(shí)間，以及只能允許較小的負(fù)載波動(dòng)特性，抽水蓄能電站具備快速啟動(dòng)以及瞬間帶重載能力。當(dāng)任何電網(wǎng)的異常情況發(fā)生，抽水蓄能電站以及附近的水電站都可以在幾秒內(nèi)的時(shí)間快速起來(lái)恢復(fù)電網(wǎng)的持續(xù)供電，具有很高的供電可靠性，蓄能電站周邊的供電可靠性號(hào)稱(chēng)達(dá)到4個(gè)9以上。因此供電可靠性可以得到大幅提升，甚至電站的快速啟動(dòng)特性可大大降低柴油發(fā)電機(jī)容量，以及減少UPS電池備份容量的投資成本。
以廣州抽水蓄能電站一期電廠為例，年平均吸收低谷電量14.05億kW·h、調(diào)峰發(fā)電量10.8億kW·h;為電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相，平均每臺(tái)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間2217h，平均每臺(tái)機(jī)每天啟動(dòng)2.25次;當(dāng)系統(tǒng)有事故周波低于49.8Hz時(shí)，平均每年緊急啟動(dòng)16.5次。另外機(jī)組可靠性也是很高的;1999年，發(fā)電啟動(dòng)成功率達(dá)99.8%;抽水啟動(dòng)成功率達(dá)到97.7%。二期機(jī)組從靜止到發(fā)電滿(mǎn)載僅需2min，靜止至抽水滿(mǎn)載也僅需4min左右。這些快速啟動(dòng)特性可以大幅減少柴發(fā)投資。
3、免費(fèi)供冷的可行性分析
大型抽水蓄能電站的庫(kù)容高達(dá)幾千萬(wàn)立方米，水庫(kù)最深處深達(dá)50-60米，而死水位深度通常多達(dá)30-40米，而這底下部分冷水常年擾動(dòng)不大、水溫較低。而且某些純抽水蓄能電站的湖水沒(méi)有和河流直接連接，由于沒(méi)有季節(jié)性洪水的影響，加上庫(kù)區(qū)豐茂植被及小徑流泉水具備很強(qiáng)的自?xún)裟芰?，水質(zhì)常年清澈見(jiàn)底，因此數(shù)據(jù)中心散熱可以采用死水位以下的常年低溫冷水，或者將數(shù)據(jù)中心建設(shè)在地勢(shì)比下庫(kù)水壩的低的地方，可直接利用大壩高差，進(jìn)一步減少水泵等傳送功耗。
采用死水位底下的深層湖水，通常常年水溫都較低，典型的如4-12攝氏度，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單水處理后可直接用于板換給數(shù)據(jù)中心內(nèi)的空調(diào)末端供冷。被數(shù)據(jù)中心加熱后的溫水可以直接排放到湖水水面(高溫水浮在湖面上層)、水壩下方(如果有徑流加入)、遠(yuǎn)離取水口的灣區(qū)，或者電站的抽水口處被帶走(上庫(kù)可以當(dāng)成是超級(jí)冷卻塔)，可擇優(yōu)選擇。還可以采用更多的低溫冷水給數(shù)據(jù)中心加熱后的溫水降溫后再排放到抽水口附近帶走，以減少數(shù)據(jù)中心溫水對(duì)環(huán)境的影響。
當(dāng)然如果出現(xiàn)夏季高溫天氣，湖水溫度高于冷凍水溫度，則可以適當(dāng)配置少量冷水機(jī)組備用，以應(yīng)對(duì)短時(shí)高溫天氣。但由于相對(duì)較低的湖水溫度，冷水機(jī)組的容量和壓力可以大大降低。比如可以利用12-20℃湖水作為冷機(jī)冷卻水使用，通過(guò)降低冷機(jī)的冷凝溫度，COP的提升也在30%左右，節(jié)能效果也很明顯。且每年冷機(jī)只工作較少量時(shí)間，因此對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的常年P(guān)UE影響較小，加上借用上下庫(kù)高差帶來(lái)可能的水泵功耗降低，在南方地區(qū)都有望實(shí)現(xiàn)1.2X的年均PUE。
圖4.利用湖水為數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻
4、蓄冷及冷卻水補(bǔ)水、消防水池等
前面提到了抽水蓄能電站的大水庫(kù)，既是儲(chǔ)能供電的大電池，又是蓄冷的超級(jí)大冷池，可以提供快速供電和海量蓄冷能力。除此之外，水庫(kù)海量的庫(kù)容還是冷卻水的補(bǔ)水池(如果需要冷機(jī)度夏的話(huà))，以及數(shù)據(jù)中心園區(qū)的大消防水池，因此可取消或者減少傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在蓄水池及消防水池方面的投資和場(chǎng)地占用。這些天然的地理優(yōu)勢(shì)也是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心園區(qū)不具備的有利條件。
5、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)[注]問(wèn)題
我們知道用電負(fù)荷中心也多是人口中心，因?yàn)槟壳爸袊?guó)的大部分用電和人口都是在東部沿海地區(qū)，且目前絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心也是建設(shè)在東邊人口富集的地方。數(shù)據(jù)中心靠近用戶(hù)則傳輸延遲較小，網(wǎng)絡(luò)帶寬豐富，專(zhuān)線的建設(shè)成本較低。抽水蓄能電站是為負(fù)荷中心配置的，也基本多建設(shè)在東部地區(qū)，靠近用戶(hù)靠近現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)。以下圖珠三角區(qū)域?yàn)槔?，在南方網(wǎng)絡(luò)骨干超核心廣州周邊的200公里范圍內(nèi)匯聚了近億流動(dòng)人口，幾千萬(wàn)千瓦的用電負(fù)荷。以及240萬(wàn)千瓦廣蓄、240萬(wàn)千瓦惠蓄、136萬(wàn)千瓦清遠(yuǎn)蓄、以及在建的120萬(wàn)千瓦深蓄、新會(huì)蓄等一大批抽水蓄能電站，因此這些抽水蓄能電站都離骨干網(wǎng)很近，帶寬資源豐富、網(wǎng)絡(luò)延遲小、拉專(zhuān)線成本低等優(yōu)勢(shì)，甚至在抽水蓄能電站內(nèi)還可以直接租用電網(wǎng)豐富的電力光纖，就近連接到骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，很好的解決了抽水蓄能電站數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)方面的問(wèn)題。
6、生態(tài)環(huán)保問(wèn)題
抽水蓄能電站屬于工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，在電站勘測(cè)及建設(shè)期間已經(jīng)考慮了很多環(huán)保問(wèn)題，因此采用庫(kù)區(qū)的工業(yè)湖水用于數(shù)據(jù)中心散熱，對(duì)環(huán)境的影響要比采用自然湖泊的環(huán)境影響要小很多，相比較每天水電站大體量抽水蓄能、放水發(fā)電循環(huán)，少量的數(shù)據(jù)中心用水總體環(huán)保的風(fēng)險(xiǎn)較小。但如果數(shù)據(jù)中心采用長(zhǎng)白山天池、千島湖、萬(wàn)綠湖等湖水散熱(+微信關(guān)注網(wǎng)絡(luò)世界)，由于位于著名景區(qū)，且是生活水源，甚至是很多純凈水的水源地等，如果大量數(shù)據(jù)中心富集，需要仔細(xì)評(píng)估環(huán)境和政策的風(fēng)險(xiǎn)。
7、數(shù)據(jù)中心運(yùn)維問(wèn)題
數(shù)據(jù)中心是個(gè)大而復(fù)雜的系統(tǒng)，如果規(guī)劃設(shè)計(jì)得足夠簡(jiǎn)潔，且采用成熟的技術(shù)，那么運(yùn)營(yíng)起來(lái)問(wèn)題就小很多，比如google的數(shù)據(jù)中心就很少采用太復(fù)雜的技術(shù)，只采用最為成熟和簡(jiǎn)單的水系統(tǒng)加上完美的控制，同樣可以實(shí)現(xiàn)1.1X的超低PUE。同樣抽水蓄能電站內(nèi)的數(shù)據(jù)中心可以借用抽水蓄能電站的有利條件，采用高可靠電網(wǎng)的穩(wěn)定電力，以及無(wú)冷機(jī)、深層湖水自然散熱等，大大精簡(jiǎn)了數(shù)據(jù)中心機(jī)電系統(tǒng)，架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，加上電站內(nèi)幾十年豐富工作經(jīng)驗(yàn)的電力、水利人才對(duì)后期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)更是如虎添翼。最后，相比較數(shù)據(jù)中心10年左右的壽命，抽水蓄能電站長(zhǎng)達(dá)幾十年的生命周期，足以讓數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行，且滿(mǎn)足未來(lái)更新?lián)Q代的需求。
8、風(fēng)能、太陽(yáng)能等和抽水蓄能電站的結(jié)合
隨著全球能源儲(chǔ)備不斷減少，開(kāi)發(fā)利用新能源得到了高度重視。目前，新能源以風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電為代表，因其可再生、環(huán)保而得到迅速發(fā)展。這些新能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)都將導(dǎo)致發(fā)、用電之間的季節(jié)性差異和日內(nèi)時(shí)間差異矛盾更為突出，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電夏大冬小，中午高早晚低和西部地區(qū)(如青海)用電冬大夏小、早晚兩個(gè)用電高峰的負(fù)荷特性是直接相悖的。類(lèi)似的，對(duì)于風(fēng)電而言，因?yàn)橥ǔＲ估锏娘L(fēng)電較為豐富，而此時(shí)是谷電時(shí)間用戶(hù)負(fù)荷卻較小，如蒙西電網(wǎng)2010年投入的風(fēng)電容量?jī)H為3600MW，但在冬季供暖期間，特別是在夜間，幾乎全部停機(jī)棄風(fēng)，以保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全，目前在蒙東地區(qū)大約只有三分之一的風(fēng)電容量能夠上網(wǎng)。根據(jù)對(duì)風(fēng)電的特性進(jìn)行研究，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段，棄風(fēng)率達(dá)到60%，而在其他時(shí)段棄風(fēng)不超過(guò)30%，這樣風(fēng)電95%的電量可以得到有效利用，也可以和抽水蓄能電站的工作時(shí)間匹配上，進(jìn)一步加大了數(shù)據(jù)中心供電的綠色程度。
目前不同的儲(chǔ)能技術(shù)中，又以抽水蓄能電站的儲(chǔ)能投資收益最高，且技術(shù)成熟度最高。比如，廣州抽水蓄能電站的建設(shè)成本平均只有2500元/KW以?xún)?nèi)，明顯低于世界同類(lèi)電站水平。抽水蓄能電站良好的調(diào)節(jié)性能和快速負(fù)荷跟蹤能力，還可以有效減少風(fēng)電場(chǎng)等并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，提高風(fēng)電場(chǎng)利用率。對(duì)于太陽(yáng)能，可通過(guò)抽水蓄能電站的蓄電池功能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量之間的時(shí)間轉(zhuǎn)換，使發(fā)、用電曲線相互彌合。抽水蓄能技術(shù)可提高光伏發(fā)電和風(fēng)電運(yùn)行的協(xié)調(diào)性及安全穩(wěn)定性，因此興建抽水蓄能電站將有助于推動(dòng)風(fēng)電和太陽(yáng)能等新能源的建設(shè)和發(fā)展。
隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)一路向西，向能源富集的西部地區(qū)發(fā)展，而西部地區(qū)有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能等綠色能源，伴隨著抽水蓄能電站在西部風(fēng)電和太陽(yáng)能富裕地區(qū)的不斷建設(shè)，將會(huì)有越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心用上風(fēng)能太陽(yáng)能等綠色能源。
結(jié)束語(yǔ)
基于抽水蓄能電站的數(shù)據(jù)中心有很多天然優(yōu)勢(shì)，可以獲得穩(wěn)定的綠色能源、免費(fèi)的自然冷源、豐富的網(wǎng)絡(luò)資源及運(yùn)維人才等，還靠近負(fù)荷中心及人口中心，且采用工業(yè)湖水沒(méi)有多少環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，還可以更好利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色能源用于數(shù)據(jù)中心。充分發(fā)揮部分地區(qū)高可靠供電及深層湖水制冷等有利條件，在節(jié)省數(shù)據(jù)中心投資情況下，還可以獲得較低的PUE指標(biāo)等，大幅降低數(shù)據(jù)中心的TCO。
雖然截至目前我國(guó)抽水蓄能電站已經(jīng)覆蓋大江南北，全國(guó)各地有了較多中大型抽水蓄能電站的分布，但抽水蓄能電站容量占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量的比例還不到3%，未來(lái)還有很大的發(fā)展空間。這些分布在全國(guó)各地的抽水蓄能電站中，部分條件好的可以充分發(fā)掘利用其有利條件，適當(dāng)建設(shè)一定規(guī)模的數(shù)據(jù)中心?；蛘弋惖?cái)?shù)據(jù)中心也可以結(jié)合抽水蓄能電站的各地分布，做全國(guó)性布局，在獲得很好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也讓中國(guó)本土數(shù)據(jù)中心更具創(chuàng)新性和領(lǐng)先性，引領(lǐng)世界的新潮流。
