抽水蓄能在支持美國可再生能源目標(biāo)中的發(fā)展機(jī)遇

[美國 ] R.R.米勒 M.溫特斯

20世紀(jì) 20年代以來,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 2%。抽水蓄能電站容量約占全國可再生能源容量的 16%。

抽水蓄能電站對美國輸電網(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。在面臨蓄能容量和綠色電力迅速增長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)對風(fēng)電和太陽能發(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剩電力,在用電高峰期釋放所蓄的能量。因此,業(yè)已證明,對風(fēng)電不斷增長的美國電力系統(tǒng),抽水蓄能是一項(xiàng)可行的技術(shù)。

2 對蓄能的迫切需求

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)電儲備。壓縮空氣蓄能也可提供大容量蓄能,但目前美國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)劃或能源立法沒有優(yōu)先考慮不斷增長的蓄能容量。20世紀(jì) 90年代,因?yàn)閷υS多發(fā)電行業(yè)放松了管制,發(fā)電行業(yè)還沒有協(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)致無法推進(jìn)新建可再生能源工程。據(jù)有關(guān)資料,市場大量增加可變發(fā)電(如風(fēng)能、太陽能),但沒有提供所需的平衡負(fù)荷設(shè)備,這對輸電系統(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,對可再生能源發(fā)電的需求仍在持續(xù)增長。在過去 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)對氣候變化的政策措施也在推動可再生能源的投資。這兩個(gè)因素形成了促進(jìn)風(fēng)電和太陽能等可變發(fā)電快速增長的框架,但一直沒有相應(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)電則顯得過剩。另外,當(dāng)風(fēng)電和太陽能發(fā)電站不能發(fā)電時(shí),沒有足夠的調(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)依靠與德國和挪威的電網(wǎng)互聯(lián)提供穩(wěn)定服務(wù)。德國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)電整合行動計(jì)劃”指出,在西北地區(qū)開發(fā)風(fēng)能需要相應(yīng)增加機(jī)動靈活的發(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)對日益增長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,將抽水蓄能電站的容量翻一番。美國聯(lián)邦能源管理委員會(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 15項(xiàng)前期許可證申請進(jìn)行審核,容量 16000MW。

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

美國能源部(D O E)最近計(jì)劃,到 2030年,為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電占全國發(fā)電量 20%的國家目標(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,電力咨詢委員會在給美國能源部的報(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)定開發(fā)過程。能源部長最近表示,為進(jìn)一步開發(fā)清潔能源資源,抽水蓄能技術(shù)必須在美國國家計(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,簡化許可證審批程序也將肯定促進(jìn)抽水蓄能的開發(fā)和增長。

《美國復(fù)蘇與再投資法案(2009年)》,通過投資稅收減免、生產(chǎn)稅收減免、清潔可再生能源債券、贈款和能源部可再生能源研究基金,開創(chuàng)了投資可再生能源的新階段。雖然這些獎(jiǎng)勵(lì)措施對抽水蓄能作用不大,但是會鼓勵(lì)對其他能源(風(fēng)能和太陽能)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)目優(yōu)先享受生產(chǎn)稅收減免資格,水電開發(fā)已增加 25%～50%,這為美國所有地區(qū)帶來了高品質(zhì)、長期的綠色能源發(fā)展所創(chuàng)造的就業(yè)機(jī)會。如果將刺激常規(guī)水電增長的獎(jiǎng)勵(lì)措施應(yīng)用于抽水蓄能,將極大推動抽水蓄能的發(fā)展。

加強(qiáng)和更新美國輸電基礎(chǔ)設(shè)施,對解決美國最迫切能源問題非常有益。發(fā)展輸電設(shè)施可提高國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,推動與普及更多的可變可再生能源開發(fā),美國水電行業(yè)和整個(gè)國家需要完善促進(jìn)蓄能增長的政策。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),在夜間儲存多余能量,供高峰時(shí)利用。通過負(fù)荷平衡服務(wù),使可變發(fā)電能源移動時(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。

蓄能委員會確定了鼓勵(lì)開發(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、開發(fā)和部署蓄能技術(shù),提高蓄能對美國未來供電和能源安全重要性的認(rèn)識。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)劃過程。蓄能委員會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)境和長遠(yuǎn)發(fā)展的時(shí)間表。這些問題必須加以解決,以確保新抽水蓄能項(xiàng)目審批和建設(shè)的投資環(huán)境。