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隨著可再生能源裝機(jī)的日益增長，我國對大規(guī)模儲能系統(tǒng)的需求迅速增加。傳統(tǒng)抽水儲能在經(jīng)濟(jì)性和綜合技術(shù)性方面是其他長時儲能系統(tǒng)發(fā)展的標(biāo)桿，但其資源卻十分有限。

發(fā)展地下抽水儲能是破解傳統(tǒng)抽水儲能資源不足的優(yōu)選方案，既可促進(jìn)可再生能源大規(guī)模消納，也可釋放我國過剩產(chǎn)能，并帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

為此，建議將發(fā)展地下抽水儲能系統(tǒng)列入國家中長期重大發(fā)展戰(zhàn)略。

解決大規(guī)模儲能難題迫在眉睫

2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，向世界作出實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的中國承諾。2021年3月，中央財經(jīng)委員會第九次會議進(jìn)一步指出：要構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，實施可再生能源替代行動，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，2060年我國太陽能和風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)預(yù)計將達(dá)到80億千瓦左右。由于太陽能和風(fēng)能發(fā)電的出力具有隨機(jī)性和波動性、光伏發(fā)電的出力具有晝夜周期性，為實現(xiàn)可再生能源規(guī)模化利用，我國必須大力發(fā)展儲能系統(tǒng)，特別是削峰填谷的長時儲能系統(tǒng)。研究表明，為實現(xiàn)對80億千瓦太陽能和風(fēng)能發(fā)電的有效消納和利用，需要配置32億~40億千瓦的長時儲能系統(tǒng)裝機(jī)。

抽水儲能具有削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、平移功率、事故備用和黑啟動等多種功能，且經(jīng)濟(jì)性十分優(yōu)越，因而被認(rèn)為是建設(shè)以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的最理想儲能方式。研究表明，如果具有足夠的抽水儲能資源，建設(shè)支撐碳中和的新型能源電力系統(tǒng)就不存在較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)障礙。然而，我國傳統(tǒng)抽水儲能資源卻難以滿足發(fā)展需求。調(diào)查表明，我國具有較好經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值的傳統(tǒng)抽水儲能裝機(jī)約為4億千瓦，經(jīng)濟(jì)性稍差但可以納入儲備開發(fā)的另有4億千瓦，共計約8億千瓦。因此，未來長時儲能系統(tǒng)裝機(jī)仍有很大缺口。

近年來，其他形式的儲能技術(shù)發(fā)展迅速，但在規(guī)模、成本、技術(shù)成熟度、可靠性等方面很難與抽水儲能形成競爭優(yōu)勢。鋰離子電池安全性仍是業(yè)界關(guān)注的重大問題，隨著其使用壽命陸續(xù)到期，今后大量電化學(xué)電池的報廢處理將造成環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，化學(xué)電池將主要定位于輔助調(diào)頻服務(wù)或分布式儲能。壓縮空氣儲能是一個重要的發(fā)展方向，但要想具有經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值就需要依賴廉價的儲氣室，目前主要利用廢棄鹽穴來保障儲氣室的經(jīng)濟(jì)性，但鹽穴資源是有限的。

伴隨火電機(jī)組的減負(fù)荷乃至部分退出，新能源裝機(jī)容量占比不斷提高，所需儲能系統(tǒng)容量與新能源裝機(jī)容量之比將大幅提升；同時，為了滿足晝夜能量轉(zhuǎn)移和削峰填谷的需求，儲能系統(tǒng)的儲能量也將大幅提升。

可以預(yù)見，在沒有找到大規(guī)模儲能的有效解決方案之前，今后可再生能源發(fā)展將面臨瓶頸。此外，我國大型清潔能源基地主要分布在西北地區(qū)，如內(nèi)蒙古、青海、新疆等，這些地區(qū)建設(shè)大規(guī)模傳統(tǒng)抽水儲能電站的資源十分稀缺，從而制約了當(dāng)?shù)仉娫磦?cè)儲能的發(fā)展和清潔能源的外送。

發(fā)展地下抽水儲能是破解難題的優(yōu)選途徑

既然抽水儲能是最為理想的儲能方式，那么只要我們設(shè)法解決傳統(tǒng)抽水儲能的資源不足問題，就消除了實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重大障礙。為此，筆者經(jīng)過系統(tǒng)研究和調(diào)查，提出利用硬巖掘進(jìn)機(jī)在地下1000米左右埋深挖掘隧道作為下庫、依托地面水源建設(shè)上庫的方式發(fā)展地下抽水儲能系統(tǒng)的方案。我國地下1000米深度大多為巖石結(jié)構(gòu)，除地震帶外，地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，適合發(fā)展地下抽水儲能的資源十分豐富。

建設(shè)地下抽水儲能系統(tǒng)涉及的工程和技術(shù)難點(diǎn)主要包括地下埋深約1000米的地下工程建設(shè)施工、1000米級的高水頭水泵水輪機(jī)以及用于調(diào)頻的變速抽水儲能用電動/發(fā)電機(jī)。

自本世紀(jì)以來，我國地下挖掘技術(shù)和地下工程建設(shè)技術(shù)取得了長足發(fā)展，為建設(shè)地下抽水儲能電站奠定了堅實基礎(chǔ)。例如，我國自主研發(fā)的大口徑硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）總體上已處于國際領(lǐng)先水平，價格與以前從國外進(jìn)口的同類裝備相比大幅下降。2021年9月7日，中國制造的全球最大直徑全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)“高加索號”在格魯吉亞組裝完畢并投入使用，表明我國在TBM方面已經(jīng)達(dá)到一個新高度。在我國隧道引水工程建設(shè)中，如引漢濟(jì)渭等工程，采用硬巖掘進(jìn)機(jī)開挖引水隧道已成為主要施工方案。這些工程裝備制造和實際工程建設(shè)的成果充分說明，利用地下空間建設(shè)地下抽水儲能電站不存在技術(shù)和施工障礙。

當(dāng)前，在1000米級高水頭水泵水輪機(jī)方面，美國通用電氣公司和奧地利安德里茨公司均具備生產(chǎn)此類設(shè)備的能力；我國東方電氣和哈爾濱電氣也具備了制造700~750米級高水頭水泵水輪機(jī)的能力。在變速抽水儲能用電動/發(fā)電機(jī)方面，日本已經(jīng)實現(xiàn)了30萬~40萬千瓦機(jī)組的產(chǎn)業(yè)能力。我國雖與國際領(lǐng)先水平有所差距，但隨著對相關(guān)機(jī)組的技術(shù)攻關(guān)以及需求的不斷增長，可以迎頭趕上。

在經(jīng)濟(jì)性分析方面，日本的研究證明了在800米以上高水頭的情況下，地下抽水儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)抽水儲能基本相當(dāng)。新加坡設(shè)想利用廢棄采石場作為上庫，在花崗巖地層人工挖掘下庫和廠房，建造地下抽水儲能電站。經(jīng)核算，其投資與相同規(guī)模的燃油電廠相當(dāng)，用于電網(wǎng)調(diào)峰很有競爭力。為了解決莫斯科市的供電問題,俄羅斯提出在莫斯科市修建地下抽水儲能電站的方案，其總功率為100萬千瓦，投資預(yù)算為700美元/千瓦，與傳統(tǒng)抽水儲能電站建設(shè)成本基本相當(dāng)。加拿大北岸電力公司聯(lián)合AECOM咨詢公司，對美國威斯卡西特地下抽水儲能工程進(jìn)行了可行性論證。該工程裝機(jī)容量100萬千瓦，地下水庫和廠房位于地下600米深處，容量約為560萬立方米。評估研究表明，該工程實施具有可行性。

我們的研究表明，建設(shè)一座200萬千瓦/4~5小時的地下抽水儲能電站，假設(shè)其埋深約為1000米，其地下水庫和廠房的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)周期大約為5~6年，總的建設(shè)周期大約為8年，與傳統(tǒng)抽水儲能電站建設(shè)周期基本相當(dāng)。經(jīng)估算，整個地下抽水儲能電站的地下土木工程造價約55億元，工程總造價約為150億元，平均投資約為7500元/千瓦，與傳統(tǒng)抽水儲能系統(tǒng)造價的中高位數(shù)相當(dāng)。由此可見，我國地下抽水儲能電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)工期，均可達(dá)到與傳統(tǒng)抽水儲能電站相當(dāng)?shù)乃?，為大?guī)模發(fā)展地下抽水儲能提供了保障。

對新能源產(chǎn)業(yè)和實體經(jīng)濟(jì)影響重大

按照現(xiàn)有新能源裝機(jī)容量的增長趨勢和電網(wǎng)對規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)的需求，保守估計，到2060年，我國實現(xiàn)碳中和所需規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)將不低于新能源裝機(jī)總?cè)萘康?0%，甚至可能達(dá)到50%，這意味著我國將有32億~40億千瓦的大規(guī)模儲能系統(tǒng)需求量。

如前所述，我國有一定經(jīng)濟(jì)性的傳統(tǒng)抽水儲能資源約為8億千瓦。考慮到水電站、集中式電動汽車換電站和靈活電解水制氫站等可部分用作儲能，最多相當(dāng)于10億千瓦儲能裝機(jī)。因而，還有14億~22億千瓦以上的儲能容量需求空缺需要通過其他儲能方式來彌補(bǔ)。地下抽水儲能系統(tǒng)可以很好地為填補(bǔ)這一缺口提供解決方案。

按照一座地下抽水儲能電站地下隧道總長40公里、每座電站裝機(jī)200萬千瓦計算，我國大概需要建地下抽水儲能電站700~1100座。按照地下抽水儲能工程7500元/千瓦的建設(shè)成本估計，可以直接帶動10萬億~16萬億元投資。這既能促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模消納，又可大量釋放我國過剩的傳統(tǒng)產(chǎn)能，讓傳統(tǒng)產(chǎn)能和中國基建優(yōu)勢為“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)作出重大貢獻(xiàn)。這在當(dāng)今需要提振內(nèi)需以拉動經(jīng)濟(jì)增長的背景下，具有重大戰(zhàn)略意義。

全面實現(xiàn)地下抽水儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、裝備制造和工程設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)維等成套技術(shù)體系，促進(jìn)地下抽水儲能系統(tǒng)在我國乃至全世界的推廣應(yīng)用，可為我國打造高鐵之外又一張新名片。

加快實施地下抽水儲能工程的建議

為加快實施地下抽水儲能系統(tǒng)工程，筆者提出以下建議。

首先，設(shè)立地下抽水儲能重大科技項目，由國家綜合性權(quán)威科研機(jī)構(gòu)牽頭會同有關(guān)部門和企業(yè)對地下抽水儲能系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)工程可研論證，并系統(tǒng)調(diào)查分析我國地下抽水儲能的資源分布和未來需求，為合理布局地下抽水儲能電站奠定基礎(chǔ)。在以上論證基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升地下工程建設(shè)裝備的制造能力和水平；經(jīng)過10年左右的攻關(guān)，全面攻克高水頭地下抽水儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料，形成關(guān)鍵設(shè)備的制造能力、地下工程設(shè)計和施工以及地下抽水儲能電站運(yùn)維能力，建設(shè)規(guī)模適度的示范工程，為全面推廣地下抽水儲能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

其次，結(jié)合我國可再生能源資源分布和負(fù)荷資源分布，確立地下抽水儲能系統(tǒng)建設(shè)中長期規(guī)劃方案，在源側(cè)、網(wǎng)測、負(fù)荷側(cè)構(gòu)建地下抽水儲能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，支撐大規(guī)模新能源消納和新型電力系統(tǒng)建設(shè)。同時，還可根據(jù)已有地下引水工程和國家水網(wǎng)工程發(fā)展規(guī)劃，因地制宜開展地下抽水儲能電站建設(shè)并和灌溉工程有機(jī)結(jié)合；積極拓展地下抽水儲能的國際業(yè)務(wù)，輸出相關(guān)技術(shù)、裝備和勞務(wù)，為全球碳減排提供中國方案。 

原標(biāo)題：發(fā)展地下抽水儲能 為碳減排提供中國方案