抽水蓄能行业专题研究报告:新型电力系统中不可或缺的维稳器.docx
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1、抽水蓄能行业专题研究报告:新型电力系统中不可或缺的维稳器一、抽水蓄能基本介绍抽水蓄能是目前全世界应用最为广泛的一种储能方案。广义上,储能可以分为电储能、 热储能和氢储能三类,其中电储能是目前最主要的储能形式。电储能中,根据储存的原 理不同可以分为电化学储能和机械储能。1)电化学储能要包括锂离子电池、铅蓄电池和 钠硫电池等。2)机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。根据 CNESA 的不完全统计,截至 2020 年底,全球已投运储能项目累计装机规模 191.1GW,其中,抽水蓄能的累计装机规模达到 172.5GW,占比超 90%,其次是电化学储能,占比约 7.5%。(一)基本原理:
2、重力势能和电能的相互转换抽水蓄能电站的基本原理是重力势能和电能的相互转换,主要由两座海拔高度不同的水 库、水泵、水轮机以及配套的输水系统等组成。当电力需求较低,有电能盈余时,利用 电能将位于较低海拔处水库的水抽至较高海拔处水库,将暂时多余的电能转化成势能进 行储存。当电力需求较高,有电能短缺时,将高海拔水库的水释放,使其回到低海拔水 库并且推动水轮机发电,以实现势能到电能的转化。抽蓄电站可以分为纯抽水蓄能电站与混合式抽水蓄能电站两种,区别主要在于有无天然 径流汇入以及能否利用天然径流发电。纯抽蓄电站没有或仅有少量天然径流汇入,其运 行主要是通过上下水库的水循环利用,由于抵消蒸发和渗漏的损失,需
3、要对水源进行少量补充;而混合式抽蓄电站的上水库则有天然径流汇入,既可以利用江河径流进行常规 发电,又可以满足调峰、调频、调相等需求。混合式抽水蓄能电站相当于在常规的水电 站的基础上,增建可逆机组和抽水泵,使得发出的电能可以储存并且和势能相互转换。 常规水电站可以通过改建与抽水蓄能电站实现结合开发,改建手段通常有上库结合、加 泵扩机和一体化改造三种。(二)储能方案对比:抽蓄技术成熟、经济性优根据应用场景,储能方案可以划分为电网侧,电源侧和用户侧三类,不同的场景下,储能发挥着不同的功能:1)发电侧:主要解决电量偏差、出力波动等问题,常见的方案有火电灵活性改造、风光 储一体化等; 2)电网侧:主要价
4、值体现在缓解电力缺口、参与电网调峰调频、增强电网可靠性等,抽 水蓄能为电网侧储能的主要方案; 3)用户侧:在用户侧,储能是实现分时电价管理的主要手段,还可用于容量管理和电能 质量调节,可能的方案包括电化学储能、储能参与需求侧响应调节(虚拟电厂1)等。1、抽水蓄能相对其他储能方案的优劣势分析机械储能是目前最成熟的储能技术,其中尤以抽水蓄能为成熟应用的范例,在全球已并网的储能装置中占比超过 90%。电化学储能潜力极大,在技术高速进步的近年中已经从 开发示范阶段逐步迈入产业化发展阶段。超导与超级电容储能等直接储能形式则处于更 加早期,尚在研究与试点中。除了技术成熟可靠,抽蓄电站还具备容量大、经济性好
5、、运行灵活等显著优势。抽水蓄 能电站单机容量大,一般规模在几万千瓦到几十万千瓦之间,目前装机容量及储能能力 均为世界第一的河北丰宁抽水蓄能电站总装机达到360万千瓦,满发利用小时数达到10.8 小时,最大可提供相当于三分之一个三峡水电站的调节出力。另外,由于水的蒸发和渗 透损失相对较小,抽水蓄能系统的储能周期范围较大,从几小时到十数年均可,是典型 的能量型储能,放电时间达到小时至日级别。作为机械储能,抽蓄电站运行效率稳定在 高位,不会受到长时间使用导致能量衰减等问题的困扰,使用寿命长,同时不产生污染, 可长期循环使用,节能环保程度极高。基于其技术成熟,循环次数多,使用寿命长且损耗低等特点,抽蓄
6、电站的度电成本优势较大。抽蓄电站的主要劣势在于其对于地理条件的要求较高、建设周期长。抽蓄电站的上下水 库之间需要具有足够的高度差以提供较大的势能,目前平均高度差在 200600 米之间; 另外还需要较大的面积以修建足够大容量的水库,中小型抽水蓄能电站的水库总库容在 1 亿立方米以下,而目前世界最大的丰宁抽水蓄能电站一期库容就超过了 1.1 亿立方米。 由于高度差较大的地区普遍以山林为主,因此抽蓄电站建设施工具有一定的难度,从规 划到建成周期较长(一般在 6 年以上),站点位置普遍较偏僻,与负荷中心存在一定距 离。2、量化比较抽水蓄能的成本优势抽水蓄能电站相对其他储能方案经济性优异。作为电力系统
7、的重要组成部分,在安全性 与效率之余,储能的经济效益是其选择与应用过程中极其重要的考虑因素。参考文章基 于全寿命周期成本的储能成本分析,基于对各类储能电站的投资成本、发电效率、维 护成本等一系列假设下,抽水蓄能电站的度电成本最低,当年利用小时达到 2000h 时, 其度电成本仅为 0.46 元/kwh,我们结合实际应用,适当调整计算参数后,抽蓄的度电成 本可以降到 0.3 元/kwh 左右,显著低于压缩空气储能、电化学储能等其他方案。评价储能是否经济性的重要标准之一就是峰谷价差,根据北极星储能网,2021 年全国绝 大部分省份或直辖市的一般工商业峰谷价差已超过 0.3 元/KWh,半数左右区域
8、超过 0.5 元/kwh,且峰谷价差较高的区域主要集中在北京、广东、长三角等经济发达区域,抽水 蓄能应用的经济性可以较好体现,而目前的电化学储能度电成本还多在0.5元/kwh以上。需要说明的是,由于压缩空气、电化学储能等新型储能方案技术迭代较快,产业也逐渐 成熟,其成本的下降曲线是要明显陡峭于抽水蓄能的。抽水蓄能电站的经济效益好主要 来源于其较长的使用寿命,适中的运行维护费用,相对较低的投资成本和较高的转换效 率,其度电成本结构中,占比最高的两项是初次投资成本和充电成本,初始投资成本很 难降低,故提高抽蓄的使用效率、降低充电成本是抽蓄电站的主要降本方式。而电化学 储能随着技术不断进步,其初始投
9、资成本、循环次数等方面均有较大进步空间,中长期 来看,其最终的度电成本可能会低于抽蓄电站,但考虑到储能需求的巨大规模以及紧迫 性,我们认为抽蓄电站不论短期还是中长期视角,都将在储能系统中担任重要角色。二、双碳时代开启,抽水蓄能供需两端皆迎来拐点(一)需求不足和成本疏导是过去影响抽蓄发展的两大重要因素抽水蓄能是世界上应用最早的储能方式之一,各国发展均为需求驱动。早在 20 世纪 50 年代,抽水蓄能电站发展就已经起步,但由于技术的不成熟和需求的不足,年均新增装 机量仅 200MW 左右。20 世纪 60 年代,美欧日等发达国家经济快速增长,其常规水电站 建设相对丰富后,系统调峰和备用电源的需求逐
10、渐提升,抽水蓄能电站的作用开始显现, 从而开始了蓬勃发展。十年内,全世界总装机容量从 3500MW 提升到了 16010MW。之 后,20 世纪 70 年代的两次石油危机导致燃油电站比重降低,核电站建设开始加速,常 规水电比重下降,进而导致电网调峰能力不足,抽水蓄能电站的需求飞速提升。21 世纪 后,西方国家对抽蓄电站的需求逐渐放缓,中国、韩国、印度等亚洲国家的抽蓄则开始 快速发展,2017 年中国超越日本首次成为世界上抽蓄电站规模最大的国家。中国抽水蓄能电站起步较晚,需求和电价机制是制约抽蓄发展的主要因素。20 世纪 70 年代之前,我国抽水蓄能一直处于探索与试验中。80 年代后,经济的快速
11、发展带来了电 力需求的提升,核电站的规模化建设又催生了电力供给侧调节能力不足的问题,调峰需 求逐步显现,推动了抽水蓄能电站建设的发展,但技术上并不成熟,机组设计制造严重 依赖进口。2000 年后,电力负荷迅速增长,调峰需求加大,抽水蓄能建设也随之加速, 2000-2010 年全国新投运抽蓄电站 8990MW ,2011-2020 年新投运规模增长至 16980MW, 产业也逐渐成熟,目前国内抽蓄电站的设计施工、配套设备制造等均达到世界先进水平。 但从总量上来看,截止 2020 年,全国抽蓄电站装机量大概占电源总装机量的比例仅有1.4%,较欧洲、日本等发达国家 4%8%的水平仍有较大差距,我们认
12、为主要原因有两点: 1)需求不足,过去的电力贡献大多来自火电,虽然用电量不断增长,但火电电源稳定性 强,水电本身又具备调峰调频的功能,电网对于储能的需求并不是非常急迫;2)由于电 价机制的问题,抽蓄电站的成本一直无法顺利传导,电网投资意愿不强,另外,抽蓄电 站的盈利和电网运营利润捆绑式计算,导致社会资本参与度也较低。(二)双碳时代正式开启,抽蓄需求进一步扩大1、能源结构转型促进储能需求增长全国火电装机占比持续降低,但发电依赖性仍较高。十三五以来,全国火电装机量占比 逐年下降,2021 年累计装机量占比已降至不足 55%,但发电方面仍对火电依赖度较高, 2021 年其发电量占比达到 67.4%,
13、而水电、风光、核电发电量占比仅为 16%、12%、5%, 且除水电外,其他新能源电力几乎都存在发电不稳定的问题,随着未来新能源电力占比 的进一步提升,电网将面对更大考验。我们参考南方能源观察发布的2021 年 1 月 7 日寒潮用电负荷高峰解读,以 1 月 7 日寒潮天气为例,根据不同电源的出力情况,测算出极端天气下全国的电力供给和电 力需求仅勉强达到平衡,若考虑实际的电力输送以及各省的电力分配情况,用电情况可 能更加紧张。2、抽水蓄能中长期规划出台,十四五、十五五投运规模各翻一番2021 年 9 月 17 日,国家能源局发布抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035 年),规 划提出 202
14、5 年、2030 年全国抽蓄投产规模将分别达到 62GW、120GW,即十四五、十 五五期间各翻一番。同时,该规划还强调要加强项目布局和储备,中长期规划的重点实 施项目和储备项目规模各为 421GW、305GW,其合计规模远大于 2030 年规划,项目储 备充足。预计未来三年合计投资额近 1700 亿。根据国家能源局,截至 2021 年全国已投运抽蓄电 站规模达 36GW,若按照 2025 年、2030 年累计各完成 62GW、120GW 的目标,则预计 十四五、十五五的年均新投运规模各为 6.5GW、11.6GW,假设单瓦投资额 6 元,则年均 投资额各为 390 亿、696 亿,但该种测算
15、方法忽略了抽蓄电站投资周期较长的动态变化, 例如十五五的投运项目大多已经在十四五期间开始建设,产生投资,另外,同时每年也 可能存在新启动的项目(至少 6 年后才可投运),而这些因素均未纳入考虑。我们这里 换用另一种测算方法:假设抽蓄电站平均建设周期 7 年,同时假设每年的完成进度是平 均的,单瓦投资仍按 6 元测算,则当年的投资完成额约等于(当年投运电站总投资+未 来 6 年投运电站总投资额)/7,根据该方法,预计 2022-2024 年投资完成额各为 521 亿、 565 亿、609 亿元,合计 1695 亿。我们认为规划仅为保底需求,实际推进情况可能好于预期。1)储能需求巨大:根据国家 电
16、网公司总工程师陈国平表示,“2030 年中国要想实现 12 亿千瓦的新能源装机容量, 至少需要匹配 2 亿千瓦的储能”;2)两网规划高于全国:根据国家电网和各自 的中长期规划,预计十四五、十五五期间二者合计新投产的抽蓄电站规模可分别达到 33GW、65GW,同样高于全国规划,且各发电集团、地方国资的规划并未考虑在内;3) 建设成本可能会逐渐走高:抽蓄电站建设成本会根据地理条件不同而差异较大,一般适 合建设的区域会更早的开工,例如十一五、十二五投产的抽蓄电站,平均成本多在 35 元/W,而目前在建的抽蓄电站平均成本已经超过 6 元,加上人工成本也在不断上涨,预 计之后的建设成本会逐渐走高。(三)
17、电价机制理顺,行业迈向高质量发展新阶段我国的抽蓄电价机制经过多次变革,成本疏导是近年来影响投资主体积极性的主要因素。第一阶段:2008 年前,租赁制为主租赁制付费,指电网按照补偿固定成本和合理收益的原则核定每年定额租赁费,不 单独核定电价。租赁制付费结算容易,权责分明,电网运营者获得电站的全部使用 权,可以根据自己的需求灵活调度,而电站所有者获取稳定的收入,适合抽水蓄能 电站建设的起步阶段,易于操作。然而,这种模式的弊端也十分明显,由于每年的 租赁费用是事先按照“成本+预期收益”的方式核定,抽水蓄能资源的利用与否与收 入不直接挂钩,费用无法反应抽蓄电站的真实价值。抽水蓄能电站的积极性较低, 无
18、法充分发挥其调峰、调频的作用。同时尽管存在租赁费用分摊方案,即电网承担 50%,发电企业和用户各承担 25%,但实际操作并没有完全落实,湖南黑麋峰抽水 蓄能电站、呼蓄电站两个由发电企业主导的抽蓄电站最终都因亏损而被出售。第二阶段:2008-2014 年,“租赁费”转向单一容量电费租赁模式属于市场行为,理论上不应该采取政府核价的管理方式,2008 年发改委发 布关于将抽水蓄能电站“租赁费”改为“容量电费”问题的批复(发改价格2008 2937 号) ,文件明确提出: 将桐柏等抽蓄电站的“租赁费”统一改为“容量电费”, 原核定的标准不变。之后的抽水蓄能电价基本以单一容量电价为主。第三阶段:2014
19、 年后,两部制电价提出为了解决以上两种电价机制中,收益与电站使用不挂钩造成的电站对电网贡献度极 低的问题, 2014 年,发改委发布文件,称“电力市场形成前,实行两部制电价。 抽水蓄能容量电费和损耗纳入当地省级电网运行费用统一核算,并通过销售电价疏 导至终端用户”,即抽蓄成本可由终端用户承担。两部制电价,包括容量电价和电量电价,容量电价主要体现抽水蓄能电站提供调频、 调压、系统备用和黑启动等辅助服务的价值,抽水蓄能电站通过容量电价回收抽发 运行成本外的其他成本并获得合理收益,与实际用电量无关;电量电价主要体现抽 水蓄能电站提供调峰服务的价值,弥补抽水蓄能电站通过电量电价回收抽水、发电 的运行成
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