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抽水蓄能:儲能產(chǎn)業(yè)的基石

發(fā)布時(shí)間:2022年04月01日    

為實(shí)現碳達峰碳中和戰略目標,可再生能源發(fā)電的規??焖偬嵘?,也推動(dòng)了儲能行業(yè)的發(fā)展。近日,國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)了《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》,為儲能賽道再添了一把火。本次實(shí)施方案提出的新型儲能,主要針對的是以鋰電池為代表的電化學(xué)儲能。

圖為浙江長(cháng)龍山抽水蓄能電站

鋰電池儲能的風(fēng)口處自然熱鬧非凡,國內動(dòng)力電池企業(yè)大多都在開(kāi)辟儲能業(yè)務(wù),作為極為重要的第二增長(cháng)曲線(xiàn)。

然而事實(shí)上,儲能技術(shù)是多種多樣的,常見(jiàn)的是電化學(xué)儲能和機械儲能兩大類(lèi)。電化學(xué)儲能作為增長(cháng)最快的細分領(lǐng)域吸粉最多,而默默擔當大任的機械儲能卻已悄然迎來(lái)了發(fā)展的拐點(diǎn),值得投資者及各界人士深入追蹤。本文將嘗試分析大家并不熟悉卻前景同樣廣闊的——抽水蓄能:

為什么說(shuō)它既是儲能產(chǎn)業(yè)的基石,又是風(fēng)電、光伏及核電等整個(gè)新型電力系統的壓艙石?

圖1:儲能技術(shù)分類(lèi),資料來(lái)源:派能科技招股說(shuō)明書(shū)

1.儲能產(chǎn)業(yè)的基石—抽水蓄能

【1】何謂抽水蓄能?

雖然抽水蓄能對大多數人來(lái)說(shuō)都是陌生的領(lǐng)域,但它并不是什么新鮮的技術(shù)。抽水蓄能作為最早的大容量?jì)δ芗夹g(shù),從20世紀中期開(kāi)始就被大量運用,逐漸成為全世界應用最為廣泛的儲能技術(shù)。

據國際水電協(xié)會(huì )(IHA)發(fā)布的2021全球水電報告,截至2020年底,全球抽水蓄能裝機規模為1.59億千瓦,占儲能總規模的94%。在我國,抽水蓄能在儲能領(lǐng)域同樣是主導者。 

圖2:截至2020年末中國抽水蓄能占比


資料來(lái)源:CNESA


抽水蓄能,按字面意思理解,即利用水作為儲能介質(zhì),通過(guò)電能與水的勢能相互轉化,實(shí)現電能的儲存和釋放。通常一座抽水蓄能電站由兩座海拔高度不同的水庫、水輪機、水泵以及配套的輸水系統等組成。

【2】工作原理

我們都熟悉,水力發(fā)電的原理是把水的勢能轉化為電能。抽水蓄能技術(shù)和水力發(fā)電技術(shù)是一脈相承的,底層技術(shù)都是勢能和電能的相互轉換。

在抽水蓄能電站運行過(guò)程中,當用電處在低谷時(shí),先用電網(wǎng)中富余的電將水抽到上水庫儲存,這個(gè)過(guò)程是把電能轉化為水的勢能;等到用電高峰來(lái)的時(shí)候,再將上水庫的水放出來(lái),水流順勢而下推動(dòng)水輪機發(fā)電,電就“送回去”了。

抽水蓄能有兩種方式,一種是純抽水蓄能,國內建的大部分都是這類(lèi),比如廣州抽水蓄能電站、河北豐寧抽水蓄能電站;另一種是混合式抽水蓄能,是在純抽水蓄能的基礎上安裝有普通水輪發(fā)電機組,可以利用上河道的水流發(fā)電。后者既有儲能的作用,又擁有常規水電站的功能。

圖3:抽水蓄能電站示意圖,資料來(lái)源:鵬芃科藝

【3】建設抽水蓄能的必要性

鑒于風(fēng)電、光伏資源的特殊性,風(fēng)電、光伏裝機容量在負荷高峰時(shí)存在不能充分利用的可能性。故而建設抽水蓄能電站的必要性格外凸顯:它可以同等程度替代煤電裝機容量,并發(fā)揮調峰、填谷等特殊功能,能夠顯著(zhù)減輕電網(wǎng)調峰壓力。

具體來(lái)說(shuō),建設抽水蓄能電站,可以有效改善電網(wǎng)系統運行條件,降低系統煤耗量,提高水電、風(fēng)電資源的利用程度,保證核電機組安全平穩運行,提高核電運行效益,從而促進(jìn)能源結構的優(yōu)化調整和清潔能源、可再生能源的發(fā)展。

【4】抽水蓄能的優(yōu)點(diǎn)

1) 技術(shù)成熟

在我國,抽水蓄能早在20世紀60年代就實(shí)現了商業(yè)化應用。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀的發(fā)展,我國的抽水儲能技術(shù)已經(jīng)處于世界一流水平。


圖4:中國抽水蓄能電站發(fā)展歷程


資料來(lái)源:中國改革報《能源發(fā)展》周刊,華創(chuàng )證券
2) 運行成本低


看到運行成本低,相信很多人會(huì )疑問(wèn),抽水蓄能電站是個(gè)大工程,成本能低到哪里去?實(shí)際上,抽水蓄能電站度電成本(即儲能電站總投資/儲能電站總處理電量)遠低于其他儲能方案。

具體來(lái)說(shuō),根據國家能源局披露抽水蓄能在建項目數據,抽蓄電站平均單位裝機投資金額為6136元/千瓦,初始投資確實(shí)較大,但抽水蓄能電站建成之后穩定運營(yíng)期超過(guò)50年,甚至長(cháng)達100年,長(cháng)期保值攤薄了各項費用。這就跟水力發(fā)電一樣,雖然建造成本高昂,但綜合下來(lái)反倒是最經(jīng)濟的電力來(lái)源。

根據澳洲國立大學(xué)研究團隊的成本模型數據:使用100%可再生能源電力系統發(fā)電成本約$30/MWh,平衡成本約$20/MWh(含抽水蓄能、高壓直流輸電和光伏/風(fēng)電溢漏成本),總度電成本約為$50/MWh(約合人民幣0.32元/KWh)。

反觀(guān)電化學(xué)儲能雖然裝機成本低,但其壽命跟抽水蓄能相比實(shí)在太短。當前成本較低的磷酸鐵鋰電池,循環(huán)壽命往往只有5000次左右,導致其度電成本高達0.62-0.82元/kWh。顯然,抽水蓄能是現成的較為經(jīng)濟的儲能技術(shù),有抽水儲能在,我們不必過(guò)于依賴(lài)鋰電池或其他儲能方式在未來(lái)能夠大幅降本。


圖5:使用100%可再生能源電力的抽水蓄能成本模型


資料來(lái)源:澳洲國立大學(xué)研究團隊


3) 儲電能力大

抽水蓄能電站額定功率一般在100-2000MW之間,是目前唯一達到GW級且能大規模使用的儲能技術(shù)。

那么抽水蓄能具體有多大能耐呢?舉個(gè)例子,今年3月17日,國家電網(wǎng)浙江泰順、江西奉新兩座抽水蓄能電站工程同時(shí)開(kāi)工建設,這兩座電站裝機容量都達到了120萬(wàn)千瓦,預計2030年竣工投產(chǎn)后,年發(fā)電量可達24億度。這相當于一個(gè)可以?xún)Υ?4億度電的“巨型充電寶”。

還有更大的巨無(wú)霸,世界上最大抽水蓄能電站——河北豐寧抽水蓄能電站,總裝機容量360萬(wàn)千瓦。電站全部投產(chǎn)后每年可消納過(guò)剩電能87億千瓦時(shí),年發(fā)電量62.88億千瓦時(shí),可以滿(mǎn)足260萬(wàn)戶(hù)家庭一年的用電。豐寧抽水蓄能電站也因此成為京津冀能源電力轉型的關(guān)鍵項目。

4) 響應快

有人會(huì )問(wèn),抽水蓄能體型大,是典型的機械儲能,真到緊急調節的時(shí)候,反應速度跟得上嗎?與煤電、氣電等相比,抽水蓄能電站的優(yōu)勢就是“更靈活”,后者啟停速度更快,從停機狀態(tài)到滿(mǎn)負荷運行僅需幾十秒至數分鐘。而且,抽水蓄能也一樣具備黑啟動(dòng)能力。

往遠一點(diǎn)看,抽水儲能憑借快速響應和大容量存儲能力可以填補煤炭和天然氣發(fā)電站退役后的空白。

5) 待開(kāi)發(fā)資源豐富

由于當前大部分抽水儲能電站都與水電項目有關(guān)或者沿河而建,大家會(huì )以為建一個(gè)少一個(gè)。實(shí)際上,在遠離河流的廣闊地區,潛在的抽水蓄能站點(diǎn)極其豐富,也被業(yè)內稱(chēng)為離河抽水儲能。

所謂離河抽水儲能,通常只需滿(mǎn)足一對人工水庫(每個(gè)面積為幾平方公里),彼此靠近(相隔幾公里),但海拔不同(200-1200米的高度差)即可。水在兩個(gè)水庫之間通過(guò)管道無(wú)限循環(huán),偶爾通過(guò)雨水、人工等方式來(lái)以彌補水分蒸發(fā)。而且離河抽水儲能還有個(gè)優(yōu)勢就是建設防洪設施的成本更低。

那么抽水儲能的整體規模究竟有多大呢?此前澳大利亞的研究團隊曾做過(guò)相應研究,其在全球發(fā)現了約61.6萬(wàn)個(gè)潛在可行的站點(diǎn)(含現有水庫),儲能容量約2300萬(wàn)GWh。其中,東亞地區有12.4萬(wàn)個(gè),儲能容量約為400萬(wàn)GWh,相當于每百萬(wàn)人口有2400GWh的潛在抽水儲能容量(按照16.7億人口計算)。

根據上述團隊的估算,支撐100%可再生能源電力系統(90%為風(fēng)電和光伏,10%為水電和生物質(zhì)能等)所需儲能約為每百萬(wàn)人20GWh,那么抽水儲能的潛在儲能容量將達到所需儲能的120倍。即使將來(lái)全社會(huì )用電量大幅提升,也足夠滿(mǎn)足。

換言之,未來(lái)以風(fēng)電、光伏為主要電力來(lái)源,配合抽水蓄能、特高壓、智能電網(wǎng),就能用較為經(jīng)濟的成本支撐起以可再生能源為主的新型電力系統。

圖6:東亞地區擁有每百萬(wàn)人2400GWh的


潛在儲能容量,資料來(lái)源:澳大利亞國立大學(xué)研究團隊


到這里想必有人會(huì )疑問(wèn),依靠人工水庫的抽水儲能得多耗費水資源?基于澳大利亞電力系統的建模表明,假設抽水蓄能電站在20年的過(guò)渡期內分階段進(jìn)行填充水庫,平均下來(lái)就是每人每天多花3升水,這相當于2020年廣東省人均日均用水量的1.27%。

6) 安全性高

抽水蓄能利用水作為儲能介質(zhì),安全性是毋庸置疑的。反觀(guān)電化學(xué)儲能卻因安全事件時(shí)常引發(fā)行業(yè)內外高度關(guān)注。就在去年4月16日,北京市就發(fā)生一起儲能電站起火爆炸事故。而韓國自2017年以來(lái)已經(jīng)發(fā)生30余起儲能火災事故。

需要引起重視的是,鋰離子電池起火后難以被快速撲滅,極易造成重大事故,因此電化學(xué)儲能系統安全相關(guān)技術(shù)問(wèn)題也警醒著(zhù)正在高速發(fā)展的儲能產(chǎn)業(yè),亟待終極解決方案。

順便說(shuō)一句,在很多人的觀(guān)念中,磷酸鐵鋰電池是非常安全的電池。但是儲能電池是非常復雜的系統,一個(gè)儲能模塊,往往是集裝箱一樣的大小,相當于把數百輛電動(dòng)汽車(chē)的電池放在同一個(gè)空間管理,這個(gè)難度可想而知。而且未來(lái)電化學(xué)儲能的回收也是一大難點(diǎn),如何避免重金屬污染的問(wèn)題。這些都是電化學(xué)儲能需要克服的。

最后,抽水儲能有助于更好地利用現有輸電線(xiàn)路。舉例來(lái)說(shuō),假如光伏電站位于難以建造更多輸電線(xiàn)路的地區,通過(guò)確保抽水蓄能電站大部分時(shí)間(包括夜間)都在負載條件下運行,可以使輸電線(xiàn)路的工作強度進(jìn)一步提高。

當然,除此上述優(yōu)勢,抽蓄儲能電站還具備儲能周期長(cháng),安全運營(yíng)周期長(cháng),穩定性好等優(yōu)勢,限于篇幅這里不作贅述。

最后總結一下,如果把儲能比作電力系統的“充電寶”,那么抽水蓄能相當于便宜、環(huán)保又安全的巨型“充電寶”。

圖7:不同儲能的優(yōu)缺點(diǎn),資料來(lái)源:錦緞研究院根據公開(kāi)資料整理

2.頂層規劃催生行業(yè)大機遇

目前我國的抽水蓄能裝機容量位居世界第一,但裝機容量占電源總裝機容量比例僅為1.4%,與歐洲、日本等發(fā)達國家4%-8%的水平有著(zhù)一定差距??紤]到抽水蓄能電站建設周期跨度較長(cháng),一般在6-8年,其實(shí)抽水蓄能的建設已經(jīng)迫在眉睫。

頂層規劃發(fā)布標志著(zhù)政策拐點(diǎn)的到來(lái)。

去年9月,國家能源局印發(fā)《抽水蓄能中長(cháng)期發(fā)展規劃(2021-2035年)》,到2025年,抽水蓄能投產(chǎn)總規模較“十三五”翻一番,達到6200萬(wàn)千瓦以上;到2030年,抽水蓄能投產(chǎn)總規模較“十四五”再翻一番,達到1.2億千瓦左右。簡(jiǎn)單估算下,未來(lái)15年時(shí)間中國抽水蓄能裝機將迎來(lái)約10倍的增長(cháng)。

同時(shí)《規劃》指出,我國開(kāi)展了全國性的抽水蓄能站點(diǎn)資源普查。綜合考慮地理位置、地形地質(zhì)、水源條件、水庫淹沒(méi)、環(huán)境影響、工程技術(shù)及初步經(jīng)濟性等因素,在全國范圍內普查篩選資源站點(diǎn),分布在除北京、上海以外的29個(gè)省(區、市)。另外還強調按照能核盡核、能開(kāi)盡開(kāi)的原則,在規劃重點(diǎn)實(shí)施項目庫內核準建設抽水蓄能電站。

總之,這是國家首次將抽水蓄能從水電中分離出來(lái)單獨進(jìn)行規劃,是中國迄今為止涵蓋區域最全、產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系最完整、規劃體量最大的抽水蓄能發(fā)展規劃,意味著(zhù)行業(yè)將按下加速鍵。

值得一提的是,2022年政府工作報告的正式版中,新增了“加強抽水蓄能電站建設”內容,足以證明國家高層對抽水儲能的重視程度。

圖8:抽水蓄能中長(cháng)期發(fā)展規劃(2021-2035年)


目標,資料來(lái)源:能源局


行業(yè)層面,隨著(zhù)電價(jià)政策也迎來(lái)拐點(diǎn),抽水蓄能的投資回報率有望節節攀升。

過(guò)去幾年,國家一直在調整和完善電價(jià)機制,促進(jìn)抽水儲能行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,取得了一定的成效。但是抽水儲能的盈利能力跟其它相關(guān)行業(yè)比起來(lái)還是偏弱。

直到2021年5月7日,國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步完善抽水蓄能價(jià)格形成機制的意見(jiàn)》,提出堅持并優(yōu)化抽水蓄能兩部制電價(jià)政策,逐步推動(dòng)抽水蓄能電站進(jìn)入市場(chǎng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是優(yōu)化峰谷電價(jià)機制,拉大峰谷電價(jià)價(jià)差,這無(wú)疑給抽水蓄能打開(kāi)了更大的盈利空間。

未來(lái)隨著(zhù)電價(jià)的深入實(shí)施和改革,抽水蓄能電站不僅迎來(lái)盈利拐點(diǎn),也能吸引更多企業(yè)和資本加入。

圖9:抽水蓄能過(guò)往電價(jià)機制梳理


資料來(lái)源:國家發(fā)改委、中國電力新聞網(wǎng)、華創(chuàng )證券


3.走到臺前,抽水蓄能千億新篇章開(kāi)啟

【1】 “風(fēng)”、“光”無(wú)限好,儲能需趕超

在全球減排的背景下,我國提出2030年前實(shí)現碳排放達峰,2060年前實(shí)現碳中和的宏偉目標。而要實(shí)現碳中和的終極目標,光伏、風(fēng)電等可再生能源來(lái)替代化石能源是必經(jīng)之路。

自“十三五”以來(lái),我國火電裝機量占比逐年下降,風(fēng)電、光伏裝機量占比快速增長(cháng)。到2021年,火電累計裝機量占比已降至約55%,可再生能源發(fā)電占比逐步提高,未來(lái)這一占比還將繼續擴大。但同時(shí)電網(wǎng)的矛盾也日益突出。風(fēng)電、光伏作為間歇性能源,急缺大容量?jì)δ芘浜鲜褂谩?/span>

究其原因,光伏和風(fēng)電這類(lèi)可再生能源是典型的間歇性能源。什么意思?以風(fēng)電作為例子,一般在凌晨是風(fēng)力發(fā)電的高峰,但卻是用戶(hù)用電的低峰,發(fā)那么多電,用不完;等到早上用電高峰來(lái)了,結果風(fēng)停了,用戶(hù)又用不上風(fēng)電。這也是為什么風(fēng)電、光伏的發(fā)電量與裝機量占比存在較大差異。

圖10:2021年我國各類(lèi)電源發(fā)電量占比與累計裝機量占比對比,資料來(lái)源:wind

本來(lái)配套的儲能就缺,近幾年隨著(zhù)新能源發(fā)電跨越式發(fā)展,儲能的跛腿情況更加嚴重。根據CNESA數據,截至2020年末我國已投運儲能項目累計裝機規模35.6GW,占可再生能源發(fā)電裝機比重僅為3.73%,顯然儲能的裝機滯后可再生能源裝機。

未來(lái)光伏和風(fēng)能占比還有繼續提升,直到成為主要的電力來(lái)源。但是我們無(wú)法改變光伏和風(fēng)能的發(fā)電時(shí)間,所以需要儲存的電量就越來(lái)越多。根據國家能源局數據顯示,到2030年,中國風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機容量預計將達到12億千瓦以上,到2035年,我國電力系統最大峰谷差將超過(guò)10億千瓦,將來(lái)新型電力系統的靈活調節電源需求無(wú)疑是巨大的,抽水儲能毫無(wú)疑問(wèn)是首選對象。

圖11:2014-2020年我國的儲能裝機占可再生能源裝機比例,資料來(lái)源:CNESA,能源局,中電聯(lián)

總之,抽水蓄能不僅是當下也是未來(lái)滿(mǎn)足100%可再生能源電力系統調節需求的關(guān)鍵方式,對保障電力系統安全、促進(jìn)新能源大規模發(fā)展具有壓艙石作用。

圖12:我國未來(lái)各電源發(fā)電量預測(萬(wàn)億千瓦時(shí))


資料來(lái)源:中電聯(lián),申萬(wàn)宏源


【2】抽水蓄能的空間被打開(kāi)

眾所周知,我國水能資源非常豐富,水電裝機早已是全世界第一,正好很多梯級開(kāi)發(fā)的水電站都可以通過(guò)加泵和擴機變成抽水蓄能電站。另外,國內很多小水電可以改造成小型混合抽水蓄能,夏季水量大時(shí)充當水電站發(fā)電,枯水期發(fā)揮抽水蓄能作用。更關(guān)鍵的是,抽水蓄能改造周期比較快,并且改造成本比新建低很多。

另外,以往國內建設的都是大型抽水蓄能,卻較少有小型項目。一是因為大的設計院更傾向于做大型抽水蓄能項目,也對抽水蓄能改造項目不感興趣,畢竟大項目能賺取更高的設計費;二是小型抽水蓄能賺錢(qián)更難。

值得重申的是,《規劃》已經(jīng)提出在浙江、湖北、江西、廣東等資源較好的地區,結合當地電力發(fā)展和新能源發(fā)展需求,因地制宜規劃建設中小型抽水蓄能電站。

總之,隨著(zhù)可再生能源的發(fā)展和頂層規劃的發(fā)布,這部分的空間也將會(huì )逐步釋放。

那這個(gè)空間具體有多大?按照申萬(wàn)宏源證券測算,到2030年我國抽水蓄能裝機規模達到1.2億千瓦,2021-2030年抽水蓄能電站投資總金額將達到驚人的4973億元。

圖13:預計2021-2030抽水蓄能電站總投資達4973億元(單位:萬(wàn)千瓦),資料來(lái)源:《荒溝抽水蓄能電站建設項目經(jīng)濟評價(jià)研究》,申萬(wàn)宏源

【3】供需矛盾最大的江浙地區先行

落到投資的視角,大家自然會(huì )關(guān)心哪些地區的空間更大。

前面提到,我國已投運所有的儲能項目累計裝機規模36 GWh,再根據國家能源局數據,目前我國在建抽水蓄能電站總規模55 GWh左右,新規劃的力度開(kāi)始增強,但加起來(lái)也就將將90GWh。


再考慮到我國幅員遼闊,這些新規劃分到每一個(gè)省份就顯得更少了,地區之間對抽水蓄能的供需矛盾差異更大。

以國內工業(yè)重鎮江浙地區為例,2021年僅工業(yè)用電就達到960GWh,而浙江、江蘇在建的抽水蓄能加起來(lái)不到10GWh,適配產(chǎn)能缺口之大可想而知。

根據浙江省的電源發(fā)展規劃,未來(lái)將優(yōu)先發(fā)展核電和可再生能源,積極消納區外來(lái)電,優(yōu)化發(fā)展火電,合理配置抽水蓄能電站:2030 年,浙江省接受區外電力40450MW,大量外部輸入的電力,將進(jìn)一步加劇電網(wǎng)調峰壓力。

建設抽水蓄能電站,是解決電力系統調峰問(wèn)題及確保區域電網(wǎng)安全的有效手段和經(jīng)濟現實(shí)手段。投入一定規模的抽水蓄能電站,不僅能解決電力缺口問(wèn)題,而且較大程度緩解調峰壓力,進(jìn)而減輕區域電網(wǎng)調度運行對省網(wǎng)的依賴(lài)性,增強區域電網(wǎng)調峰的靈活性和安全性。

根據地區能源資源狀況、電力發(fā)展規劃,結合系統擴展電源經(jīng)濟比較,考慮煤電調峰幅度(35%左右)、煤電年利用小時(shí)數、系統總耗煤量等指標,中國電建集團華東勘測設計研究院經(jīng)綜合分析認為:浙江電網(wǎng)2030 年抽水蓄能合理規模約13GW??紤]浙江省內已、在建省內可用7.53GW,浙江省內還需新增5.5GW 抽水蓄能電站。

圖14:江浙地區是國內的用電大戶(hù)

資料來(lái)源:國家能源局


圖15:國內各地在建抽水蓄能裝機容量(單位:萬(wàn)千瓦),資料來(lái)源:國家能源局

雙拐點(diǎn)帶來(lái)行業(yè)東風(fēng),吹暖了早已暗動(dòng)的春江水。此前一直在幕后的抽水蓄能,也將走到臺前,成為新能源的第二生命線(xiàn)。

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