【向子期專欄】水電池 : 抽水蓄能水力發電廠

將田納西州浣熊山變成世界上最大的能源儲存設備之一的機器（實際上是可以為中等城市供電的電池）隱藏在山深處一個大教堂大小的洞穴中。但是是什麼讓這座山能夠儲存所有的能量，在空拍照片中一目了然。山頂高原被一個大湖佔據，湖高高地懸在田納西河上方，離得如此之近，看起來就像要掉進去一樣。ROBERT KUNZIG發表在最新一期《科學》(Science) 的<水電池: 抽水蓄能水力發電廠可以在風能和太陽能發電不足時儲存能量>( WATER BATTERIES:Pumped storage hydropower plants can bank energy for times when wind and solar power fall short.)
抽水蓄能水力發電已經抽水數十年了
大約半個世紀前，該地區的聯邦政府電力公司田納西河谷管理局 (TVA) 建造了該湖，並炸毀了洞穴以及連接兩者的 329 公尺高的豎井。「由於這裡有大量的岩石，鑽入這座山是相當費力的，」高級經理霍利·赫斯乾巴巴地說。洞穴裡有一座糖果色的發電廠，裡面充滿了櫻桃紅色的電線管、通風口和淺葡萄色的橫樑。四個巨大的氣缸，漆成亮綠色和黃色，是關鍵的機器：每個氣缸都裝有一個渦輪機，當它以相反的方式旋轉時就變成了泵，還有一台發電機，同時也是電動機。
晚上，當電力需求較低但 TVA 的核反應爐仍在嗡嗡作響時，TVA 會將多餘的電力儲存起來，以重力勢能的形式儲存在頂峰湖中。這些水泵從田納西河中抽水，然後將水直接噴射到 10 公尺寬的豎井中，其速度可以在不到 6 秒的時間內注滿一個奧林匹克游泳池。白天，當電力需求達到高峰時，水會流回豎井並旋轉渦輪機，產生 1700 兆瓦的電力——相當於一座大型發電廠的發電量，足以為 100 萬戶家庭供電。該湖儲存了足夠的水和能量，足以維持 20 小時。
這種技術稱為抽水蓄能水力發電，並不新鮮。美國約有 40 家工廠和全球數百家工廠正在運作。大多數，如浣熊山，已經抽水數十年了。
氣候危機正在引發新一輪的興趣
但氣候危機正在引發新一輪的興趣。讓電網不再使用煤炭和天然氣，不僅需要更多的太陽能板和風力渦輪機，還需要更多的容量來儲存其間歇性輸出，以便在太陽不發光且風平浪靜時保持電力可靠。電動車中的巨型鋰離子電池也部署在電網上，但它們太昂貴了，無法單獨完成這項工作。包括不同電池設計在內的數十項新技術正處於從實驗室到商業化的不同階段。
然而，抽水蓄能已經到來；它提供超過 90% 的現有電網儲存。據《全球能源監測》稱，中國是再生能源領域的世界領導者，在抽水蓄能方面也處於領先地位，有 66 個新發電廠在建。當北京附近的巨型豐寧電廠今年啟動其最後兩台渦輪機時，它將成為世界上最大的電廠，無論是在電力方面（擁有12 台渦輪機，可發電3600 兆瓦）還是在儲能方面（其發電量接近40,000 兆瓦時）。上部水庫。
澳洲有 100 萬個技術上適合抽水蓄能的地點
在 19 世紀末發明抽水蓄能的阿爾卑斯山，瑞士於 2022 年開設了一家名為 Nant de Drance 的發電廠，可在長達 20 小時內提供 900 兆瓦的電力。奧地利也有雄心勃勃的計畫。在澳大利亞，已經在建的兩座新工廠之一將成為新的能源記錄保持者，其儲存的能量足以供應 300 萬人一周的電力。它被稱為 Snowy 2.0，計劃於 2029 年開放。
「當人們談論電池時，這些都是小事，」澳洲國立大學的安德魯·布萊克斯（Andrew Blakers）說，他是太陽能電池先驅，現已成為頗具影響力的抽水蓄能佈道者。「小澳大利亞的人口比加利福尼亞還少，但正在建造一個抽水蓄能係統，其規模將比全世界所有公用電池的總和還要大。」 布萊克斯說，這並不是說澳洲地理位置特別優越。他和他的團隊根據衛星資料編制了一份全球地圖集，顯示了各大洲大約有 100 萬個技術上適合抽水蓄能的地點。
有四個渦輪機的地下發電站。
田納西河谷管理局浣熊山發電廠的地下發電廠包含四個可逆渦輪機（綠色汽缸），其功率足以將水直接泵入 329 公尺高的豎井，並在水落下時產生高達 1700 兆瓦的電力。田納西河谷管理局
即使在自 1990 年代以來就沒有建造過大型抽水蓄能設施的美國，聯邦政府也在提供鼓勵。美國能源部(DOE) 實驗室國家再生能源實驗室(NREL) 於2022 年進行的一項研究確定了14,000 多個潛在的「閉環」發電廠地點，其中兩個水庫均位於河外，以盡量減少對環境的影響。2022 年通貨膨脹削減法案為抽水蓄能設施提供了慷慨的稅收抵免，就像再生能源一樣。TVA 已經開始了可能長達十年的進程，以建造另一個像浣熊山這樣的設施。
聯邦能源管理委員會 (FERC) 已向希望對潛在抽水蓄能電站提出索賠的公用事業公司和開發商頒發了數十份初步許可證，其中大部分位於西部山區。三個開發商已經完成了昂貴的多年流程以獲得 FERC 許可證，這意味著他們的專案已經準備就緒。但目前還沒有一個項目開始建設，而且美國是否會分享全球繁榮還遠未可知。
電價便宜的夜間抽水，在電價昂貴的白天再生
這些大型計畫對土地和環境的影響是原因之一。但更大的問題是，抽水蓄能是一項巨大的長期投資——根據 NREL 最近的估計，一座大型電廠的投資超過 20 億美元——而在美國電力市場，該投資的回報並不確定。「銀行家、投資者和公用事業公司都在想，『我知道這裡有很大的價值，但我可以量化它嗎？』」美國能源部阿貢國家實驗室的經濟學家帕特里克·巴爾杜奇說。「這是否只是為了減少排放、提高可靠性並使整個地區的每個人受益——而我卻從未因此獲得報酬？」
當 TVA在 20 世紀 70 年代建造浣熊山時，抽水蓄能的情況更為簡單。當時該機構還在建造核反應堆，設計為 24/7 運作。浣熊山可以在電價便宜的夜間抽水，並在電價昂貴的白天進行再生。這種「能源套利」的經濟效益是顯而易見的，並帶動了許多其他抽水蓄能電站的建設。
如今，隨著風能和太陽能的發展，其基本原理已經發生了變化。電網營運商越來越需要儲存來應對其核心挑戰：平衡電力供應與每分鐘、每天和季節波動的需求。他們現在主要透過調整化石燃料發電廠的發電來做到這一點，這些發電廠可以根據需要打開和關閉。風能和太陽能不能以這種方式「調度」；事實上，它們反覆無常的潮起潮落加劇了平衡問題。但儲存的能源可以幫助再生能源滿足需求，並允許煤炭和天然氣工廠退役。
鋰電池發電廠比抽水蓄能發電廠建造起來便宜得多
可以透過將水從地勢低的水庫泵入地勢較高的水庫來儲存電力。當需要電力時，水流回並旋轉渦輪機（通常是泵浦），反向旋轉。流量和海拔差異決定了功率輸出，而上部水庫的體積決定了儲存的能量數量，從而決定了水電池的使用壽命。
目前，鋰離子電池可以滿足這項需求。在加州等地，他們開始更換公用事業公司為滿足下午晚些時候到來的需求高峰而啟動的天然氣「尖峰」發電廠，此時太陽能發電開始下降。NREL 資深研究員 Paul Denholm 表示，為了實現這一目的（幾個小時內提供數百兆瓦的額外電力），鋰電池發電廠比抽水蓄能發電廠建造起來便宜得多、更容易、更快。
在脫碳電網中，長期儲能是絕對必要的
但在完全脫碳的電網上，幾個小時的儲能並不能解決問題。丹霍姆說，尤其是冬季，將對再生能源徵稅。隨著人們從燃氣供暖轉向電熱泵，冬季的電力需求可能開始與空調引起的夏季用電高峰相媲美。但是，隨著夜幕降臨，夏季高峰通常會在幾個小時內消退，而由寒流引發的冬季高峰可能會持續更長時間。
「最終，儲存需求不是由夏季午後空調高峰驅動的，」布萊克斯說。「這是由冬季潮濕、無風的一周推動的。嘗試用電池來做到這一點。」 隨著您添加越來越多的模組，每個模組都與上一個模組一樣昂貴，成本最終會變得令人望而卻步。
美國能源部太平洋西北國家實驗室的 Jeremy Twitchell 和他的同事模擬瞭如果加州僅依靠擴大太陽能和風能來實現 2045 年無碳電網的目標，加州將如何發展。近五倍的擴張足以滿足他們發現，每年的需求量都會增加，但這會導致暫時的巨大過剩和短缺，其中赤字高達30 吉瓦，相當於15 個胡佛水壩的發電量。平均短缺時間將持續近 15 小時。