浅谈海水抽水蓄能电站在中国的发展前景

2018-03-27刘万久黎俞琳韩有才

四川水泥 2018年3期

刘万久张皓黎俞琳韩有才

（四川大学水利水电学院，四川成都 610065）

十三五规划提出“加快大规模储能技术研发应用”表明国家已经将新能源并网的关键技术提升到推进智能电网全面实行的战略性地位。海水抽水蓄能技术的迅速发展可以充分利用海岛资源、海洋优势，以电力为发展动力进而带动其它产业的快速发展，并促进沿海地区以及海岛的经济建设、资源开发。国家海洋事业发展“十二五”规划[1]中提出：要推进海水资源综合利用和加快海洋可再生能源的利用。目前，我国已经有不少科研技术人员对海洋和海岛资源的开发利用进行了研究[2-4]，但很少有科研技术人员研究以海水为工质的物理储能技术，因此，海水抽水蓄能技术的研究和发展前景广阔。

1 海水抽水蓄能技术的发展状况

1.1 海水抽水蓄能技术原理

抽水蓄能是水力发电技术的一种，它不仅是发电站，还兼具着规模蓄能和调节电网的功能。抽水蓄能电站以上、下两个水库为核心。当上库的水流向下库时，就是常规的水电站，上库储存的势能就转换为电能；当我们利用水泵把下库的水输送到上库时就成了抽水蓄能，消耗的其他能源就转换为了水的势能。

海水抽水蓄能是将传统抽水蓄能的淡水换成海水，同时，海水抽水蓄能将海洋作为传统抽水蓄能中的下库（池）。储能时，水泵或者可逆式水泵水轮机工作，将海水从海洋抽送到上库，储存势能；释能时，海水从上库流下，驱动发电机组，将势能转化为电能。

1.2 海水抽水蓄能技术的优点

海水抽水蓄能技术的发展能有效利用海洋资源，能为沿海地区和海岛的经济建设与资源开发提供稳定的能源，同时能够有效地调节用电峰谷，促进智能电网的快速发展。另一方面，海水抽水蓄能技术的发展能够加快对海水资源的利用，从而有效的保护和节约淡水资源，在一定程度上避免了对生态环境的严重破坏。

1.3 海水抽水蓄能技术应用的实例

1991年，日本工程师KANEDA等[7]在专利中提出了海水抽水蓄能电站，1999年世界上第一座也是至今的唯一一座投入运行的海水抽水蓄能电站——日本冲绳海水抽水蓄能电站[5-8]，该电站最大输出功率为30MW，有效水头为136 m，最大流量为26m3/s，其高位水库建在距离海岸600m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水库直接利用大海。FUJIHARA等[8]对日本冲绳海水抽水蓄能系统中水泵水轮机的设计，材料的选取以及防腐蚀和防微生物附着等技术问题的解决方法进行了介绍和实验验证。日本冲绳海水抽水蓄能电站通过 5年的试运行证实了海水抽水蓄能系统的可靠性、经济性和调峰调频的可能性，同时也对海水抽水蓄能系统在建设运行过程中出现的问题进行了研究并给出了解决方案[9]，为之后建设大容量、高水头的海水抽水蓄能电站奠定了技术实践基础。

2 海水抽水蓄能技术在我国发展的潜力

2.1 我国的沿海地区和海岛的资源优势

我国是一个海洋大国，拥有长达18000多km的海岸线，跨越了热带、亚热带和温带三个气候带，管辖海域多达300万km2，与我国陆地面积的1/3相近，海岛数量极其丰富，其中面积大于500 m2以上的岛屿5000多个，蕴藏着的可开发利用的资源不可估量，、滨海砂矿资源海洋生物资源、深海矿产资源、海洋油气资源……因此，正确的海洋发展战略以及合理的开发利用海洋资源，对我国经济的可持续发展意义重大。

2.2 电力是发展沿海地区和海岛第一推动力

海洋资源的积极开发和利用以及可持续发展经济的促进离不开电力能源供应，电力是发展沿海地区和海岛的第一推动力。

例如，广州、浙江等沿海城市经济发展迅速，同时，电力负荷和谷峰差也是日益增大。我国大多数海岛都远离大陆，制约其开发的主要原因有电力、淡水和交通。目前，海底电缆或者架空高塔跨越输电线路输送是近海的海岛电力供应的主要方式，这种供电方式需要高额的初期投资，运行维护的成本也相对较高，并且需要较长的修复时间。燃油供电是偏远的海岛电力供应的选择，这种供电方式要求有严格的方式进行输送和储运燃料，成本较高，利用率也极低，污染环境十分严重。

近年来可再生能源（风电、太阳能等）发电发展极其迅速，尤其在沿海地区更为突出，但是可再生能源的间歇性和不稳定性供电问题十分棘手。因此，将启停快、运行灵活、可稳定性供电的发电设施建立在靠近负荷中心的地方显得尤为重要，海水抽水蓄能电站可以满足需求。

2.3 海水抽水蓄能技术将是电力持续稳定供应的主要技术

中国电力报2017年4月5日报道，国家能源局发布了关于海水抽水蓄能电站资源站点的普查成果，结果显示我国有 238个可进行研究的海水抽水蓄能资源站点，总装机容量可高达4 208.3万千瓦。其中，广东汕头、、福建宁德浙江舟山等8个资源站点建设条件相对较好，将作为下一步研究重点。

海水抽水蓄能电站是一种新型式的抽水蓄能电站，进行相关研究是具有前瞻性的。“研究试点海水抽水蓄能”是《水电发展“十三五”规划》的重点任务之一，要求加快研究关键技术，努力推动并建设海水抽水蓄能电站的典例工程，实现我国该项工程零的突破。

由此可以预见海水抽水蓄能技术在不久之后将是沿海地域和海岛经济发展与资源开发电力持续稳定供应的主要技术。

3 海水抽水蓄能技术发展的主要阻力

3.1 工程建设条件

就目前的工程技术水平来说，工程建设问题已不再是十分艰难的问题，基本上能够解决工程上遇到的问题，例如区域地质和构造稳定性问题、地形地貌条件问题、极端天气、工程地质条件问题[10]等。

我国沿海地区从北向南主要受朝鲜半岛地震带、郯庐地震带、长江下游—黄海地震带、长江中游地震带和华南沿海地震带影响，地震活动复杂。在沿海地区选择地形地貌条件相对合适，地壳稳定性高的建站场址，在目前的技术看来是完全可行的。

我国海岸线长约18000km，大陆海岸线长约1.8万 km，岛屿海岸线约1.4万km，合计约3.2万 km，在地形变化复杂的海岸线上游更广阔的选址范围，可选站点多就是一定的先天优势，而且沿海多数地区经济发达、交通条件便利，为后续工程建设的组织和实施提供了强有力的保障。

工程地质条件问题也是工程建设的一大阻力，但是海水抽蓄发电工程规模一般小于常规抽蓄电站，工程地质条件简单，建设期土建难度小，以目前国内岩土/地质技术解决以下工程地质条件问题完全没有问题：①上水库—海水蓄水池、输水发电系统的渗透漏水问题；②海水渗透对地下水和土壤的污染；③地质缺陷带/体一般富水，对工程建设影响大，精细化探测和评价显得尤为重要；④建筑材料勘察。

3.2 设备抗环境干扰能力[11]

海水抽水蓄能电站启停快、运行灵活，可以在电网中调峰调频，并利用海洋作为下库，水量充沛、水位变幅小，利于水泵水轮机的稳定运行，建设费用低，节约淡水资源，可再生能源的发电渗透率有所提高。然而，海水比淡水的腐蚀性更强，需要更为苛刻的运行条件，诸多技术性难题在研究及应用中涌现了出来，例如设备腐蚀、微生物附着、渗透和泄露、稳定运行等问题。

3.3 初始能源问题

电力是促进海岛经济发展和资源开发的第一推动力，同时，电力又需要其他能源作为原料。大多数海岛都远离大陆，海底电缆或者架空高塔跨越输电线路输送电力初期投资高、修复时间长、运行维护成本高；燃油供电需要十分苛刻的燃料的输送和储运条件，成本高、利用率低，环境污染严重。

因此找到方便清洁可利用的清洁能源作为抽水蓄能的原料成为了海水抽水蓄能的关键技术。

风能、潮汐能、太阳能等都是海岛上可以利用的经济且可再生的能源，但是这些产能方式都是不稳定的，只有把他们存储起来然后有规划的释放才能持续稳定的提供电力。

4 人工智能在综合性海水抽水蓄能电站应用的新设想

综合性海水抽水蓄能电站是智慧水利发展的一个新方向。风能和太阳能电站的建立可以产生不稳定电能，将其产生的电能最为抽水蓄能的动力是足够的，有多大能抽多少水，当水能积蓄到一定程度就可以有效利用了。当风能和太阳能在一定标准下就能产生稳定电能，这是便可以直接利用，多余的电能仍可以用作蓄水的动力，大数据时代的快速发展使得人工智能系统可以自动选择和转换该能源系统。