[美國(guó) ] R.R.米勒 M.溫特斯

20世紀(jì) 20年代以來(lái),歐美的抽水蓄能電站提供了寶貴的蓄能容量、輸電網(wǎng)絡(luò)配套服務(wù)和可再生能源。美國(guó)目前在運(yùn)行中的抽水蓄能電站有 40座,提供容量 20000MW,發(fā)電量約占全國(guó) 2%。抽水蓄能電站容量約占全國(guó)可再生能源容量的 16%。

抽水蓄能電站對(duì)美國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)很大。抽水蓄能電站提供了穩(wěn)定性供電服務(wù),并滿足了蓄能容量需求,擴(kuò)大了綠色就業(yè)市場(chǎng)。在面臨蓄能容量和綠色電力迅速增長(zhǎng)的需求和依靠投資可再生能源技術(shù)、刺激經(jīng)濟(jì)恢復(fù)的背景下,隨著《美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案(2009年)》以及州和聯(lián)邦可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)的誕生,再加上投資抽水蓄能技術(shù)的相關(guān)立法和規(guī)章的政策支持,抽水蓄能還可發(fā)揮重大作用。

1 抽水蓄能概念

抽水蓄能電站與傳統(tǒng)水電站不同在于它是耗電的。實(shí)際上,抽水蓄能電站發(fā)揮的功能,主要為蓄能、電網(wǎng)平衡并提供配套服務(wù),而不是發(fā)電。由于峰谷電價(jià)差異和提供配套服務(wù),從整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的角度來(lái)看,抽水蓄能電站有很大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

抽水蓄能電站用于平衡系統(tǒng)負(fù)荷,可使大型火電廠在最佳工況下運(yùn)行。抽水蓄能是電網(wǎng)中可用的容量最大、最具成本效益的蓄能形式。抽水蓄能電站還提供配套的電網(wǎng)服務(wù),如電網(wǎng)調(diào)頻和儲(chǔ)備發(fā)電,因其與其他水電站一樣,能在幾秒鐘內(nèi)響應(yīng)負(fù)荷變化。

抽水蓄能現(xiàn)用于穩(wěn)定可再生電源,應(yīng)對(duì)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的可變性。抽水蓄能電站能在電網(wǎng)電力高輸出、用電低需求期吸收過(guò)剩電力,在用電高峰期釋放所蓄的能量。因此,業(yè)已證明,對(duì)風(fēng)電不斷增長(zhǎng)的美國(guó)電力系統(tǒng),抽水蓄能是一項(xiàng)可行的技術(shù)。

2 對(duì)蓄能的迫切需求

如前所述,抽水蓄能電站的效益非常顯著,包括蓄能、負(fù)荷平衡、頻率控制以及發(fā)電儲(chǔ)備。壓縮空氣蓄能也可提供大容量蓄能,但目前美國(guó)只有一座壓縮空氣蓄能工廠在運(yùn)行。與大容量蓄能技術(shù)相反,蓄電池、飛輪、超級(jí)電容器等小容量蓄能最適用于接近負(fù)荷中心和變電所的終端用戶,甚至可就設(shè)在用戶處。

最近幾十年,電力規(guī)劃或能源立法沒(méi)有優(yōu)先考慮不斷增長(zhǎng)的蓄能容量。20世紀(jì) 90年代,因?yàn)閷?duì)許多發(fā)電行業(yè)放松了管制,發(fā)電行業(yè)還沒(méi)有協(xié)調(diào)整合新的發(fā)電、蓄能和輸電的機(jī)制和激勵(lì)措施。這些是需要長(zhǎng)期協(xié)調(diào)規(guī)劃的可靠發(fā)電和輸電系統(tǒng)的 3個(gè)重要方面。這種脫節(jié)導(dǎo)致無(wú)法推進(jìn)新建可再生能源工程。據(jù)有關(guān)資料,市場(chǎng)大量增加可變發(fā)電(如風(fēng)能、太陽(yáng)能),但沒(méi)有提供所需的平衡負(fù)荷設(shè)備,這對(duì)輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度造成嚴(yán)重破壞。

盡管有這些技術(shù)障礙,對(duì)可再生能源發(fā)電的需求仍在持續(xù)增長(zhǎng)。在過(guò)去 10 a中,有 29個(gè)州已經(jīng)頒布了可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定可再生能源要占新增發(fā)電容量的一定比例。應(yīng)對(duì)氣候變化的政策措施也在推動(dòng)可再生能源的投資。這兩個(gè)因素形成了促進(jìn)風(fēng)電和太陽(yáng)能等可變發(fā)電快速增長(zhǎng)的框架,但一直沒(méi)有相應(yīng)的平衡容量或輸電規(guī)劃。其結(jié)果是,在得克薩斯州、加利福尼亞州和太平洋西北等地區(qū),電力充足時(shí)(通常發(fā)生在夜間),風(fēng)電則顯得過(guò)剩。另外,當(dāng)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電站不能發(fā)電時(shí),沒(méi)有足夠的調(diào)峰電源提供所需容量。

許多人建議增加可調(diào)節(jié)的再生能源發(fā)電,他們指出,丹麥?zhǔn)钦洗罅靠勺儼l(fā)電的典范,但遺憾的是丹麥未提供自己的系統(tǒng)平衡服務(wù)。丹麥的東、西兩大系統(tǒng)依靠與德國(guó)和挪威的電網(wǎng)互聯(lián)提供穩(wěn)定服務(wù)。德國(guó)和挪威有大量的抽水蓄能電站與常規(guī)水電站。

幾項(xiàng)研究論證了大量蓄能容量支持風(fēng)電整合不斷發(fā)展的可行性。這些分析表明,大容量蓄能不僅增加容量、提供負(fù)荷平衡,還降低了風(fēng)電整合的成本。例如,2006年為科羅拉多公共服務(wù)公司所做的風(fēng)電整合研究報(bào)告指出,當(dāng)風(fēng)電占發(fā)電容量 20%時(shí),該公司電力系統(tǒng)的抽水蓄能容量可增加一倍,風(fēng)電的整合成本可減少1.30美元/(MW?h)。

同樣,“西北風(fēng)電整合行動(dòng)計(jì)劃”指出,在西北地區(qū)開(kāi)發(fā)風(fēng)能需要相應(yīng)增加機(jī)動(dòng)靈活的發(fā)電設(shè)施。包括抽水蓄能。該計(jì)劃還指出,風(fēng)電整合成本決定于幾個(gè)因素,包括該地區(qū)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)動(dòng)靈活的發(fā)電資源的可用性。該計(jì)劃還要求西北風(fēng)電整合論壇“表征增加系統(tǒng)靈活性的方案”,包括選擇蓄能技術(shù)。

隨著可再生能源新技術(shù)的出現(xiàn)和可變能源發(fā)電投資的不斷增加,對(duì)蓄能的需求前所未有地強(qiáng)烈。

3 抽水蓄能存在的機(jī)遇

現(xiàn)有的抽水蓄能項(xiàng)目是美國(guó)輸電系統(tǒng)的重要工具,它提供重要的蓄能、發(fā)電和配套服務(wù)。為應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的蓄能需要以及抽水蓄能和可再生能源之間的特殊協(xié)同作用,水電行業(yè)建議,在不久的將來(lái),將抽水蓄能電站的容量翻一番。美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(F E R C)最近發(fā)出 23份新抽水蓄能項(xiàng)目的前期許可證,這標(biāo)志著可新增抽水蓄能容量 15000MW,另外正在對(duì) 15項(xiàng)前期許可證申請(qǐng)進(jìn)行審核,容量 16000MW。

這些新的開(kāi)發(fā)均在美國(guó)西部的關(guān)鍵區(qū)域,新的可變能源的開(kāi)發(fā)速度正在向輸電系統(tǒng)容量提出挑戰(zhàn)。

美國(guó)能源部(D O E)最近計(jì)劃,到 2030年,為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電占全國(guó)發(fā)電量 20%的國(guó)家目標(biāo),必須將約300000MW風(fēng)電整合入電網(wǎng)。為了適應(yīng)新增風(fēng)電的可變性,估計(jì)需要新增 50000MW的高峰發(fā)電,可能用天然氣發(fā)電。然而,新的發(fā)電并不是滿足需求的唯一方法。2008年 12月,電力咨詢委員會(huì)在給美國(guó)能源部的報(bào)告中,主張使用一些蓄能容量,代替新的發(fā)電資源。

根據(jù)其目前的建議,準(zhǔn)備由抽水蓄能電站滿足平衡發(fā)電量風(fēng)電所需蓄能容量的 30%～60%。這將減少對(duì)增加化石燃料調(diào)峰發(fā)電的需要,避免了相關(guān)的溫室氣體排放。重要的是,將對(duì)新能源基礎(chǔ)設(shè)施的投資引導(dǎo)到達(dá)到或接近此容量的蓄能設(shè)施中,同時(shí)也提供了許多附加效益,從而避免了投資于溫室氣體排放量大的大型化石燃料發(fā)電能源。

4 確保有利投資環(huán)境的辦法

聯(lián)邦政策必須鼓勵(lì)投資和穩(wěn)定開(kāi)發(fā)過(guò)程。能源部長(zhǎng)最近表示,為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)清潔能源資源,抽水蓄能技術(shù)必須在美國(guó)國(guó)家計(jì)劃中發(fā)揮重要作用,將可變能源整合到輸電網(wǎng)中。然而,聯(lián)邦政府沒(méi)有刺激發(fā)展抽水蓄能資源的計(jì)劃,因而需要激勵(lì)機(jī)制,以吸引投資者和鼓勵(lì)新抽水蓄能項(xiàng)目的迅速發(fā)展。

提供投資稅收減免、獎(jiǎng)勵(lì)抽水蓄能投資和創(chuàng)造更加穩(wěn)定的投資環(huán)境等其他機(jī)制至關(guān)重要。促進(jìn)政府間合作的政策,簡(jiǎn)化許可證審批程序也將肯定促進(jìn)抽水蓄能的開(kāi)發(fā)和增長(zhǎng)。

《美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案(2009年)》,通過(guò)投資稅收減免、生產(chǎn)稅收減免、清潔可再生能源債券、贈(zèng)款和能源部可再生能源研究基金,開(kāi)創(chuàng)了投資可再生能源的新階段。雖然這些獎(jiǎng)勵(lì)措施對(duì)抽水蓄能作用不大,但是會(huì)鼓勵(lì)對(duì)其他能源(風(fēng)能和太陽(yáng)能)的快速投資,因而需要抽水蓄能提供容量和負(fù)荷平衡。

美國(guó)水電業(yè)反映出了稅收優(yōu)惠和水電業(yè)繼續(xù)創(chuàng)造的工作機(jī)會(huì)和投資之間的直接聯(lián)系。根據(jù)《能源政策法案(2005年)》,由于增量水電項(xiàng)目?jī)?yōu)先享受生產(chǎn)稅收減免資格,水電開(kāi)發(fā)已增加 25%～50%,這為美國(guó)所有地區(qū)帶來(lái)了高品質(zhì)、長(zhǎng)期的綠色能源發(fā)展所創(chuàng)造的就業(yè)機(jī)會(huì)。如果將刺激常規(guī)水電增長(zhǎng)的獎(jiǎng)勵(lì)措施應(yīng)用于抽水蓄能,將極大推動(dòng)抽水蓄能的發(fā)展。

加強(qiáng)和更新美國(guó)輸電基礎(chǔ)設(shè)施,對(duì)解決美國(guó)最迫切能源問(wèn)題非常有益。發(fā)展輸電設(shè)施可提高國(guó)家重要能源的安全水平,并可提供就業(yè)崗位、創(chuàng)造新的業(yè)務(wù)。增強(qiáng)輸電系統(tǒng)也將應(yīng)用新技術(shù),保證電力可靠性,提高效率,使能源利用最大化,環(huán)境影響最小化。抽水蓄能電站可為輸電系統(tǒng)提供服務(wù)和支持,推動(dòng)與普及更多的可變可再生能源開(kāi)發(fā),美國(guó)水電行業(yè)和整個(gè)國(guó)家需要完善促進(jìn)蓄能增長(zhǎng)的政策。電力系統(tǒng)是一個(gè)必須不斷平衡供與求的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。抽水蓄能項(xiàng)目是一項(xiàng)成熟的技術(shù),在夜間儲(chǔ)存多余能量,供高峰時(shí)利用。通過(guò)負(fù)荷平衡服務(wù),使可變發(fā)電能源移動(dòng)時(shí)間,減輕輸電擠塞,抽水蓄能為此成為增強(qiáng)輸電網(wǎng)的重要組成部分。

蓄能委員會(huì)確定了鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)新蓄能技術(shù)和建設(shè)蓄能設(shè)施所需的若干步驟,旨在促進(jìn)研究、開(kāi)發(fā)和部署蓄能技術(shù),提高蓄能對(duì)美國(guó)未來(lái)供電和能源安全重要性的認(rèn)識(shí)。與常規(guī)輸電設(shè)施比較,這些步驟包括:建立蓄能設(shè)施和服務(wù)、取得輸電定價(jià)激勵(lì)機(jī)制資格和參與輸電規(guī)劃過(guò)程。蓄能委員會(huì)還主張為以下目的建立一個(gè)“安全港”:

(1)可提高輸電系統(tǒng)容量、可靠性和安全性的蓄能服務(wù),使輸電業(yè)主與此有關(guān)的合同費(fèi)用降低;

(2)在蓄能服務(wù)方面投資,可增強(qiáng)受限輸電系統(tǒng)或替代升級(jí)系統(tǒng)的投資。

盡管《能源政策法案(2005年)》承認(rèn)了抽水蓄能作為輸電系統(tǒng)的增加部分,聯(lián)邦能源管理委員會(huì)也應(yīng)考慮讓抽水蓄能有資格作為輸電設(shè)施,其目的是使其以后可享受激勵(lì)措施帶來(lái)的優(yōu)惠政策。

加大當(dāng)前的投資和生產(chǎn)稅收減免,加上承認(rèn)抽水蓄能為輸電系統(tǒng)一部分的配套政策,將創(chuàng)建鼓勵(lì)發(fā)展抽水蓄能電站需要的投資環(huán)境。這種增長(zhǎng)將取代新建化石燃料調(diào)峰發(fā)電的需求,并提供必要的負(fù)荷容量,以滿足美國(guó)可再生能源的目標(biāo)。

總之,抽水蓄能是廣泛用于蓄能的唯一可行的大規(guī)模能源,是利用可再生能源進(jìn)行非高峰發(fā)電的最佳選擇。隨著可變能源投資的不斷增加,蓄能將成為有效利用清潔能源的重要工具。雖然聯(lián)邦能源管理委員會(huì)正在規(guī)劃新建 31000MW抽水蓄能項(xiàng)目,表明水電行業(yè)兌現(xiàn)了新增抽水蓄能容量以支持其他可再生能源的承諾,但是,開(kāi)發(fā)人員仍然面臨重大障礙。這些障礙包括不明朗的投資環(huán)境和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的時(shí)間表。這些問(wèn)題必須加以解決,以確保新抽水蓄能項(xiàng)目審批和建設(shè)的投資環(huán)境。