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前沿 | 调水储能:新概念、新思路、新方案

北极星储能网  来源:中国水利杂志  作者:陈阳宇等  2020/2/17 13:08:28  我要投稿  

北极星储能网讯:摘要:调水储能又涉及储能,在实现调水的同时又实现储能。

(来源:微信公众号“中国水利杂志”作者:陈阳宇等)

一、调水储能提出的背景

调水储能,这个概念即涉及调水,又涉及储能,在实现调水的同时又实现储能。调水主要是水利部门的职能,储能是电力系统的工作,因此,调水储能是跨行业的一个组合概念。为什么要提出这个新概念呢?

背景一

生态文明建设要求我们必须调整治水思路,注重人与自然的和谐,在防洪和供水安全得到保障的情况下,更加注重生态用水的需求。调水工程的建设目标在常规满足生产和生活用水基础上加入了满足生态用水这个重要指标,对生态文明的重视甚至使得完全以满足生态用水为建设目标的调水工程成为可能。

背景二

我国水资源分布不均,南多北少。西北和华北由于降雨较少,大量的沙漠、沙地均分布在这一广袤区域,生态环境十分脆弱,如何引水改善这里的生态环境成为众多专家学者研究探讨的问题,这个重大问题的解决在当今的技术条件下是否还有更好的方案?

背景三

由于经济发展速度放慢和产能过剩,近几年,发电设备年利用小时数逐年下降,同时存在大量的弃水弃风弃光现象,可再生能源发电面临的限电问题日趋严重,发电设备利用小时数过低和清洁能源消纳已成为社会关注的焦点。有没有一种发展思路既能大量消纳弃掉的可再生能源还能吸收较大的电力产能?生态文明建设已成国策,要建设生态文明国家,西北华北的生态环境需要改善,生态环境的改善需要生态水源,生态水源需要调水工程,调水工程需要能量驱动,恰恰现在有大量的弃能和产能需要消纳,这些弃能和产能能否转化为驱动调水工程的能量呢?将抽水蓄能这种主要的储能方式与调水工程的能量驱动联系起来,一个创新的概念诞生了:调水储能。

二、调水储能与抽水蓄能的异同

调水储能与抽水蓄能两者有什么异同?

第一,两者应用的目标不同。抽水储能主要是作为一种储能方式,服务于电网的调峰调频和事故备用等;调水储能着眼于生态文明国策,解决调水工程的能量来源和绿色可再生能源的消纳问题。

第二,两者蕴含的工程内容不同。抽水储能对应着抽水储能电站。调水储能首先要实现跨流域调水,在调水区和受水区之间恰当选择分水凹地形修建水库,对应的调水储能电站一般至少有下库(调水区)、上库(分水凹)、下库(受水区)3个水库及相应的泵站、水轮发电机组及其他配套设施。一般而言,调水储能电站的工程规模比抽水储能电站规模大得多,为了实现一些大的流域之间的调水,可能要修建一系列的水库、引水隧洞、明渠等工程设施以建成调水储能电站群组联合运行。

第三,储能电站的运行方式不同。抽水储能电站采用可逆式水轮机组,抽水时以泵站方式运行,发电时以水轮机方式运行,抽取的水流一般原路返回,不涉及水流在不同流域之间输送。调水储能电站要实现水流在不同流域之间的输送,因此,在调水区是以泵站抽水方式运行,在受水区以水轮机发电方式运行,水流一般沿调水路线单向流动,不一定要原路返回。

两者的一个共同点是抽水时都实现储能,储能的物理原理完全相同(电能转化为水的势能)。

抽水储能基本技术原理图

调水储能基本技术原理图

三、调水储能的概念和内涵

调水储能的概念描述为:着眼于大范围区域生态环境的改良,充分利用天然河道和湖泊的连通和输送能力,以实现水流在不同尺度流域之间输送为目标,综合考虑地形、移民、征地等因素合理选择工程地点修建储能电站,消纳电力能源网络的弃能或闲置产能,各种工程设施与天然河道或湖泊组合形成的水流链路和电力网络之间不断进行能量交换和互补,在为电网提供可靠的储能调节稳定能力的同时,实现水资源的跨流域/地域的空间调配。

调水储能这个新概念立足于我国水资源空间分布不均及电网储能需求的客观事实,具有丰富的内涵。

第一,调水储能着眼于生态,立意高远。传统的调水工程主要是满足生产和生活用水,调水储能将生态用水摆在突出优先的位置,着眼于国家整个西北和华北的生态环境改善,调水目标优先顺序为先生态再生活再生产,为国家生态文明建设提供水资源战略支撑。

第二,调水储能增进国家整体福利。调水储能跨越水利和电力两大行业,从国家整体利益高度,将两大行业的问题联系起来求得最优解,在为电网建立分布式储能系统的同时实现水资源跨流域空间配置(即跨流域调水)。调水可以消纳电网大量弃能和闲置产能,电网可以为调水提供能量驱动。

第三,调水储能可以具体表现为一种工程设施——调水储能电站。有别于传统的抽水蓄能电站,调水储能电站以实现水流在不同尺度流域之间输送为目标,不同尺度的流域对应着规模大小不同的调水储能电站,大的流域之间的水流输送可能需要大小不一的调水储能电站群组联合运行才能完成。

第四,调水储能意味着可以组成调水储能系统。调水储能电站群组联合运行就是一个调水储能系统。调水储能系统由天然河道、湖泊、关键节点的调水储能电站、输水设施(隧洞或明渠)形成水流链路,水流链路可能是开放的,也有可能形成闭环,水流链路与电力网络之间不断进行能量交换。调水工程跨越的区域或流域范围决定着调水储能系统的规模大小。

第五,调水储能可以成为一门新的专业学科。它涉及水文水资源、水利工程、地质力学、水力动力设备、发电工程、环境生态、气象气候、工程管理、经济规划、公共政策管理等多学科专业的知识和技能。调水储能线路与电站的规划、选址、建设和管理为广大研究工作者开辟了一个全新的综合性研究领域,可以带动水利、电力、环境、经济、管理等多学科的交叉、集成和创新。

第六,调水储能可以成为发展战略。调水储能着眼大生态格局,统筹考虑将南方多余水资源调往西北华北干旱地区,其间要修建大量的调水储能电站和其他配套输水设施,投资巨大,不仅为水利行业发展提供新思路,而且为电力行业的储能建设和新能源开发指引新方向。调水储能事业的推进对国家整个发展影响深远,完全可以上升为国家层面的发展战略。

四、调水储能的发展前景

调水储能在相邻流域分水岭处巧妙选址修建储能电站,在流域的一边水流逆向跃升储能再沿流域的另一边下泄发电,实现传统抽水蓄能电站储能功能的同时完成相邻流域的河湖连通和水资源配置。这一创新的技术思路跳出了就水治水的思维局限,将水资源配置与电力能源开发有机地联系起来,不仅可以形成全国主要江河湖库纵横贯通的水资源配置格局,而且可以建立覆盖全国的分布式电网储能系统,对于我国宏观水资源配置、电网储能调节运行、可再生能源消纳开发及基础设施有效投资等均具有重大战略价值,具有广阔的发展前景。

为我国水资源配置提供新的解决方案

南多北少是我国水资源国土分布的基本国情,已经修建的南水北调中线和东线及规划的西线工程是我国水资源宏观配置的主要工程措施。南水北调中线和东线发挥了重要作用,但设计的总体思路没有考虑调水工程与周围环境的水系连通及电力能源的开发利用。调水储能充分利用天然江河的水流输送能力,在流域分水岭修建调水储能电站可将全国各大流域和主要江河湖库有效地连通起来,形成横贯南北、东西互济的大型水资源配置网络系统,为我国各种尺度的水资源配置提供切实可行的解决方案。

为电网储能建设提供新的规划

调水储能是基于抽水蓄能的技术创新,为电网储能建设提供新的规划,也为电网储能建设提供新的指导原则,即全国储能电站的建设规划必须兼顾我国宏观的水资源整体配置。如果不对现有抽水蓄能电站建设规划的指导思想进行大的调整,仅为电网运行而储能,电力行业的大量弃能和庞大的产能就无法找到大的消纳方式和出口,国家的整体经济福利将受到较大的抑制和伤害。调水储能可以将水调和电调完美结合,在实现水资源的空间配置调度的同时也为电网建立了大规模的分布式储能系统,还可为风电、光电、核电及其他绿色能源的开发创造十分有利的条件,极大地提高能源电网的负荷调节能力、可靠性和稳定性。我国西北和华北对水资源的庞大需求为大规模消纳电网弃能和闲置产能提供了现实的可能,也为储能产业的发展提供了广阔的空间。

为国家经济大发展提供新的引擎

调水储能服务于生态文明建设,为我国西北和华北生态环境的改善提供水资源保障,可以成为基础设施投资补短板的一个热点。调水储能要修建大量的调水储能电站和大量配套的工程引水设施,需要很大的投资。短期而言,庞大的工程投资将直接拉动钢材、水泥、建筑材料、机械、电力设备等各行业的有效需求,工程建设的繁重任务将吸收上千万的劳动就业大军;长期来看,据初步测算,覆盖全国的水资源配置网络工程实施后每年可以从南方向北方调送1000亿~1500亿m3水资源量,整体可增加储能发电装机4.5亿kW左右,每年可消纳清洁能源超过1.5万亿kWh,对农业与生态的价值无可估量。

为全球能源互联网与全球水问题解决提供中国方案

调水储能涉及的一系列技术都是通用的,不仅可用于解决我国的水问题和电网运行的储能调节问题,而且可为全球能源互联网和全球水问题的解决提供中国方案。能源互联网是一种基于可再生能源、分布式、开放共享的网络,其本质特征还是要基于可再生的绿色能源。但风能和光能这些绿色能源天然具有间歇性、波动性特点,需要储能系统对这些波动能源进行吸收调节,而在储能系统的建设中还是以水流势能储能作为首选方案。世界各国也基本面临与我国类似的水问题:洪涝灾害、干旱缺水和水体污染。调水储能可为世界各国(特别是地势起伏不平的国家)提供将水问题与电网储能系统建设统筹解决的可行方案,修建的调水工程可为各国解决水资源的短缺和配置问题,工程中修建的调水储能电站还可增强各国电网储能调节和新能源开发潜力。

(作者/陈阳宇,南京河海科技调水储能研究所所长,教授。)

原标题:前沿 | 调水储能:新概念、新思路、新方案

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