储能科学与技术 ›› 2024, Vol. 13 ›› Issue (5): 1606-1619.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0934
收稿日期:
2023-12-22
修回日期:
2024-01-03
出版日期:
2024-05-28
发布日期:
2024-05-28
通讯作者:
肖立业
E-mail:znie@mail.iee.ac.cn;xiao@mail.iee.ac.cn
作者简介:
聂子攀(1989—),男,博士,助理研究员,研究方向为大规模物理储能技术,E-mail:znie@mail.iee.ac.cn;
Zipan NIE1(), Liye XIAO1,2(), Qingquan QIU1, Jingye ZHANG1
Received:
2023-12-22
Revised:
2024-01-03
Online:
2024-05-28
Published:
2024-05-28
Contact:
Liye XIAO
E-mail:znie@mail.iee.ac.cn;xiao@mail.iee.ac.cn
摘要:
2060年碳中和场景下对储能需求量巨大,但是,我国常规抽水蓄能站点资源不足。针对这一问题,本文综述了美国、俄罗斯、新加坡、日本等国关于地下抽水蓄能的研究,提出基于硬岩掘进机挖掘的低成本地下抽水蓄能方案,阐述了三种不同地下抽水蓄能的发展现状,即人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能,废弃矿井改造的地下抽水蓄能,以及其他地(海)下抽水蓄能。介绍了地下抽水蓄能的关键技术及其难点,包括地下工程建设与运营现状,以及高水头水泵水轮机技术的发展现状。最终,讨论了发展地下抽水蓄能的挑战,提出优先发展人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能的建议,并对关键技术的发展方向提出建议。分析表明,地下抽水蓄能技术可行,经济可行,优势明显,建议我国加强对地下抽水蓄能技术的研发和推广应用。
中图分类号:
聂子攀, 肖立业, 邱清泉, 张京业. 地下抽水蓄能发展综述[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(5): 1606-1619.
Zipan NIE, Liye XIAO, Qingquan QIU, Jingye ZHANG. Overview of the development of underground pumped hydro storage[J]. Energy Storage Science and Technology, 2024, 13(5): 1606-1619.
表 3
可逆式/三机式水泵水轮机综合比较"
参数和功能 | 定速可逆式 | 调速可逆式 | 三机式 | |
---|---|---|---|---|
额定功率 | 可达500 MW | 可达500 MW | 可达300 MW | |
额定水头 | 单级可达700 m 多级可达1000 m | 单级可达700 m 多级可达1000 m | 可达1500 m | |
技术成熟度 | 成熟 | 成熟 | 成熟 | |
发电状态(水轮机工作状态)[ | 功率输出(占额定功率的百分比/%) | 30%~100% | 20%~100% | 0~100% |
静止到水轮机模式的启动时间/s | 70 | 75~85 | 65 | |
水轮机到水泵模式的转换时间/s | 240~420 | 240~415 | 25 | |
调频 | 具备 | 具备 | 具备 | |
旋转备用 | 具备 | 具备 | 具备 | |
功率斜坡变化/负荷跟随 | 具备 | 具备 | 具备 | |
输出无功/电压支撑 | 具备 | 具备 | 具备 | |
发电机切机 | 具备 | 具备 | 具备 | |
储能状态(水泵工作状态)[ | 功率输入(占额定功率的百分比/%) | 100% | 60%~100% (75%~125%) | 0~100% |
静止到水泵模式的启动时间/s | 160~340 | 160~230 | 80 | |
水泵到水轮机模式的转换时间/s | 90~190 | 90~190 | 25 | |
调频 | 不具备 | 具备 | 具备 | |
旋转备用 | 具备 | 具备 | 具备 | |
功率斜坡变化/负荷跟随 | 不具备 | 具备 | 具备 | |
输出无功/电压支撑 | 具备 | 具备 | 具备 | |
减载(水泵切机) | 具备 | 具备 | 具备 |
表 6
废弃矿井改造的地下抽水蓄能与人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能比较"
比较因素 | 废弃矿井改造的地下抽水蓄能[ | 人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能 | |
---|---|---|---|
经济性 | 建造成本 | 矿井关停时间和状况不同,改造和建造成本不可估计,有研究表明其成本约为16838元/kW | 与常规抽水蓄能基本相当,成本为7100~7800元/kW |
运维成本 | 矿井围岩稳定性差,长期高频次流水冲蚀,运维成本高 | 地下致密岩层围岩稳定性好,隧洞建造标准高,运维成本低 | |
技术障碍 | 水头 | 受矿井巷道深度限制 | 不受限制 |
可用空间 | 巷道可用,采空区很难被利用,蓄水空间受限 | 蓄水空间不受限制 | |
密封稳定性 | 矿井存在岩石或覆土塌陷风险,密封性差 | 致密岩层密封和稳定性好 | |
水质 | 矿井中的物质溶于水,污染水体 | 隧洞建造标准高,不污染水体 | |
建造过程 | 材料运输 | 矿井偏远,不易于向矿井以及井下运输大型设备 | 人为选址,隧洞直径大,易于运输大型设备 |
建造难度 | 矿井状态各异,改造复杂,需要大量人工作业,缺乏经验 | 地下深层围岩稳定,硬岩掘进机作业,经验丰富 | |
地理因素 | 水源 | 一般不靠近水源 | 可以依托水源选址灵活 |
输电距离 | 大部分远离负荷中心/可再生能源电厂 | 可选择靠近负荷中心或新能源中心建造 | |
法律及社会因素 | 政策驱动 | 涉及安全生产,相关政策争取较难 | 无相关政策限制 |
示范工程 | 国外有零星几例工程设计规划 | 国外有研究和设计方案 | |
环保问题 | 矿区有水污染的风险 | 无环保生态影响 | |
法律问题 | 矿井产权和安全责任错综复杂,环环相扣,不利于再次利用;矿井责任复杂,即使是关停,封井,也不希望用作抽水蓄能,承担责任风险。 | 无法律限制 |
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