抽水蓄能水电

抽水蓄能水电(PSH)或抽水蓄能(PHES)是电力系统用于负载平衡的一种水电储能。该方法以水的重力势能的形式存储能量，从低海拔水库泵送到高海拔地区。低成本的剩余非高峰电力通常用于运行泵。在高电力需求期间，储存的水通过涡轮机释放以产生电力。尽管抽水过程的损失使工厂成为整体能源的净消耗者，但该系统通过在电力价格最高的高峰需求期间销售更多电力来增加收入。抽水蓄能水电允许间歇性能源（如太阳能、风能）和其他可再生能源，或来自连续基本负荷能源（如煤炭或核能）的多余电力在需求较高的时期得到保存。与具有相似发电能力的传统水电站相比，抽水蓄能所使用的水库非常小，发电周期通常不到半天。抽水蓄能是迄今为止容量xxx的电网储能形式，截至2020年，美国能源部全球储能数据库报告称，PSH约占全球所有活动跟踪储能装置的95%，其中总装机容量超过181GW，其中约29GW在美国，总装机容量超过1.6TWh，其中约250GWh在美国。PSH的往返能源效率在70%–80%之间变化，有些来源声称高达87%。PSH的主要缺点是所需场地的专业性，需要地理高度和可用水量。因此，合适的地点可能位于丘陵或山区，并可能位于自然美景区，使PSH容易受到社会和生态问题的影响。至少在美国，最近提出的许多项目都避开了高度敏感或风景优美的地区，有些项目建议利用废弃矿井等棕地。

在电力需求低的时候，多余的发电能力被用来将水泵入上层水库。当需求量增加时，水会通过涡轮机释放回较低的水库，从而发电。可逆涡轮/发电机组件充当组合泵和涡轮发电机单元（通常是混流式涡轮设计）。变速运行进一步优化了抽水蓄能电站的往返效率。在微型PSH应用中，一组泵和泵作为涡轮机(PAT)可以分别用于泵送和发电阶段。通过改变旋转方向和速度，可以在两种模式下使用同一泵：泵送的操作点通常与PAT模式的操作点不同。

在开环系统中，纯抽水蓄能电站将水储存在没有自然流入的上部水库中，而回抽水电站利用抽水蓄能和传统水力发电厂的组合，上部水库部分由来自自然流入的水补充。一条小溪或河流。不使用抽水蓄能的工厂被称为传统水力发电厂；具有显着存储容量的传统水力发电厂可能能够通过将输出推迟到需要时在电网中发挥与抽水蓄能相似的作用。

考虑到暴露水面的蒸发损失和转化损失，可以实现70-80%或更多的能量回收。该技术是目前存储大量电能的xxx成本效益的方法，但资本成本和适当的地理位置是选择抽水蓄能电站选址的关键决策因素。抽水蓄能系统的能量密度相对较低，需要大流量和/或水库之间的大高度差。储存大量能量的xxx方法是让一大片水体相对靠近第二个水体，但要尽可能高。在某些地方，这是自然发生的，在其他地方，一个或两个水体是人造的。两个水库都是人工的并且其中任何一个水库都不涉及自然流入的项目被称为闭环系统。这些系统可能是经济的，因为它们可以消除电网上的负载变化，允许提供基本负荷电力的火力发电站（如燃煤电厂和核电厂）继续以峰值效率运行，同时减少对峰值功率的需求使用与许多基本负荷热电厂相同的燃料、天然气和石油的电厂，但其设计目的是为了灵活性而不是xxx效率。因此，在协调大量异构发电机组时，抽水蓄能系统至关重要。抽水蓄能电站的资本成本相对较高，尽管这在一定程度上被它们证明的长达数十年的使用寿命所缓解——在某些情况下甚至超过一个世纪，这比公用事业规模的电池长三到五倍。当电价变为负值时，除了能源管理，抽水蓄能系统还有助于控制电网频率并提供备用发电。热电厂对电力需求突然变化的反应能力要差得多，这可能会导致频率和电压不稳定。抽水蓄能电站与其他水力发电厂一样，可以在几秒钟内响应负载变化。抽水蓄能最重要的用途传统上是平衡基本负荷发电厂，但也可用于减少间歇性能源的波动输出。抽水蓄能在高电力输出和低电力需求时提供负载，从而实现额外的系统峰值容量。在某些司法管辖区，电价可能接近于零，有时甚至是负数，因为可用的发电量超过了可吸收的负荷；虽然目前这种情况很少仅由风能或太阳能引起，但风能和太阳能发电量的增加将增加此类事件发生的可能性。作为超大规模光伏发电的平衡，抽水蓄能特别有可能变得尤为重要。增加长距离输电能力以及大量储能将成为调节间歇性可再生能源大规模部署的关键部分。在一些地区，非固定可再生能源的高普及率提供了40%的年发电量，但在需要额外存储之前可能会达到60%。

小型抽水蓄能电站无法实现与大型抽水蓄能电站相同的规模经济，但确实存在一些，包括最近在德国的一个13兆瓦项目。壳牌能源在华盛顿州提出了一个5兆瓦的项目。有些人建议在建筑物中安装小型抽水蓄能电站，尽管这些还不够经济。此外，很难将大型水库融入城市景观。然而，一些作者认为供水的技术简单性和安全性是重要的外部因素。

抽水蓄能的首次使用是1907年在瑞士，位于瑞士沙夫豪森附近的Engeweiher抽水蓄能设施。在1930年代，可逆水力涡轮机问世。这些涡轮机既可以作为涡轮发电机运行，也可以作为电动机驱动的泵反向运行。最新的大型工程技术是可提高效率的变速机器。这些机器在发电时与网络频率同步运行，但在抽水时异步运行（独立于网络频率）。美国xxx次使用抽水蓄能是在1930年，康涅狄格电力公司使用位于康涅狄格州新米尔福德附近的一个大型水库，将水从Housatonic河抽到70米（230英尺）以上的蓄水池.

2009年，世界抽水蓄能发电容量为104吉瓦，而其他来源声称为127吉瓦，占所有类型的公用事业级电力存储的绝大多数。在总共140吉瓦的水电中，欧盟的净容量为38.3吉瓦（占世界容量的36.8%），占欧盟总净电力容量的5%。日本的净容量为25.5吉瓦（占世界容量的24.5%）。2010年，美国的抽水蓄能发电容量为21.5吉瓦（占世界容量的20.6%）。2020年，PSH在美国贡献了21,073GWh的能源，但为-5,321GWh（净），因为抽水消耗的能源多于产生的能源。到2014年，铭牌抽水蓄能容量已增长到21.6吉瓦，抽水蓄能占美国电网规模储能的97%。截至2014年底，在美国新抽水蓄能水电站的FERC许可流程的各个阶段，共有51个活跃的项目提案，总装机容量为39吉瓦，但目前没有新电站在建。当时的美国。下面列出了五个xxx的运营抽水蓄能电站（详细列表参见抽水蓄能水电站列表）：

2018年6月，澳大利亚联邦政府宣布已在塔斯马尼亚州确定了14个抽水蓄能电站，如果在巴斯海峡下方建造第二条互连线，则有可能为国家电网增加4.8GW。Snowy2.0项目已获得批准，该项目将连接新南威尔士州雪山现有的两座水坝，提供2,000兆瓦的容量和350,000兆瓦时的储能。

传统的水电大坝还可以在混合系统中利用抽水蓄能，该系统既可以从自然流入水库的水产生电力，也可以储存从大坝下方抽xxx库的水。1973年，美国的GrandCoulee大坝通过泵回系统进行了扩建。现有的大坝可以通过反向涡轮机重新供电，从而延长工厂满负荷运行的时间。可选地，可以在大坝中添加抽水式发电站，例如RussellDam(1992)，以增加发电能力。利用现有大坝的上部水库和输电系统可以加快项目进度并降低成本。2019年1月，中国国家电网公司宣布计划投资57亿美元在河北、吉林、浙江、山东和新疆自治区建设5个总容量为6GW的抽水蓄能电站。中国正寻求到2020年建设40GW的抽水蓄能装机容量。

抽水蓄能电站可以使用海水运行，尽管与使用淡水相比存在额外的挑战，例如盐水腐蚀和藤壶生长。法国240兆瓦的朗斯潮汐发电站于1966年落成，可部分用作抽水蓄能电站。当在非高峰时段出现涨潮时，涡轮机可用于将比涨潮自然引入的海水更多的海水泵入水库。它是同类中xxx的大型发电厂。1999年，冲绳的30兆瓦Yanbaru项目是xxx个海水抽水蓄能示范项目。它已经退役。一个300兆瓦的基于海水的拉奈岛抽水蓄能项目被考虑用于夏威夷的拉奈岛，并且已经在爱尔兰提出了基于海水的项目。智利北部阿塔卡马沙漠的两个拟议项目将使用600兆瓦的光伏太阳能（塔拉帕卡的天空）和300兆瓦的抽水蓄能（塔拉帕卡的镜子），将海水从海岸悬崖提升600米（2,000英尺）。

对地下水库的利用进行了调查。最近的例子包括在俄亥俄州诺顿市拟建的Summit项目、在肯塔基州拟建的Maysville项目（地下石灰石矿），以及新泽西州的MountHope项目，该项目将使用以前的铁矿作为下部储层。位于Pyhäjärvi（芬兰）的Callio矿场拟建的储能将利用欧洲最深的贱金属矿，高差为1,450米（4,760英尺）。已经提出了几个新的地下抽水蓄能项目。如果这些项目使用现有的地下矿山空间，则这些项目的每千瓦成本估算可能低于地面项目。涉及合适的地下空间的机会有限，在澳大利亚维多利亚州的本迪戈，本迪戈可持续发展集团已提议将本迪戈旗下的旧金矿用于抽水蓄能。本迪戈拥有世界上任何地方最集中的深竖井硬岩矿，在19世纪下半叶，本迪戈地下有5,000多个竖井。最深的竖井在地下垂直延伸1,406米。最近的一项预可行性研究表明，该概念是可行的，发电量为30兆瓦，运行时间为6小时，水头超过750米。总部位于美国的初创公司QuidnetEnergy正在探索利用废弃的油气井进行抽水蓄能。如果成功，他们希望扩大到使用美国300万口废弃井中的许多或大部分。

抽水蓄能的小型（或微型）应用可以建立在溪流和基础设施内，例如饮用水网络和人工造雪基础设施。在这方面，雨水盆地已被具体实施，作为微型抽水蓄能蓄水池的一种具有成本效益的解决方案。此类工厂提供分布式储能和分布式灵活电力生产，并有助于间歇性可再生能源技术（如风能和太阳能）的分散集成。可用于小型抽水蓄能水电站的水库可能包括天然或人工湖、其他结构（如灌溉）内的水库，或矿山或地下军事设施的未使用部分。

2017年3月，研究项目StEnSea（海上储能）宣布他们成功完成了对抽水蓄能水下水库的为期4周的测试。在这种配置中，一个空心球被淹没并锚定在很深的地方，作为下层水库，而上层水库是封闭的水体。当水通过集成在球体中的可逆涡轮机进入时，就会产生电力。在非高峰时段，涡轮机改变方向并使用电网的剩余电力再次抽水。当水进入时产生的能量与球体上方水柱的高度成正比增长，换句话说：球体位置越深，它可以存储的能量就越密集。因此，水下储层的储能能力不受传统意义上的重力能量支配，而是受垂向压力变化的支配。虽然StEnSea的测试是在康斯坦茨湖淡水中100m的深度进行的，但预计该技术将用于更深的盐水中。由于水下水库只需要一根连接电缆，它可以使用的深度仅受涡轮机可以运行的深度的限制，目前限制为700m。

在这种水下配置中设计盐水抽水蓄能的挑战带来了一系列优势：

• 不需要土地面积，
• 除电缆外，没有任何机械结构需要跨越势能差的距离，
• 在有足够海底面积的情况下，多个水库可以无限制地扩展存储容量，
• 如果水库坍塌，除了水库本身的损失外，后果将是有限的，
• 上部水库的蒸发对能量转换效率没有影响，
• 可以从附近的海上风电场建立水库和电网之间的电力传输，从而限制传输损耗并消除对陆上电缆许可的需求。

当前的商业设计具有内径为30m的球体浸没到700m将对应于20MWh的容量，使用5MW涡轮机将导致4小时的放电时间。拥有多个此类水库的能源园区将使存储成本达到每千瓦时几欧分左右，而建筑和设备成本在每千瓦1,200至1,400欧元之间。为避免过高的传输成本和损失，水库应远离人口稠密地区的深水海岸，例如挪威、西班牙、美国和日本。有了这个限制，该概念将允许全球电力存储接近900GWh。相比之下，能够在30m球体大小的蓄水池中储存20MWh电力的传统重力抽水蓄能器需要519m的水头，加压水管跨越的高度通常需要山或山为了支持。

使用蓄水池和小型发电机的抽水蓄能系统，pico水电也可能对闭环家庭能源发电系统有效。

利用水力压裂可将压力储存在地下的地层中，例如页岩。使用的页岩不含碳氢化合物。