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抽水蓄能促进中国 风光发电电能消纳 研究 世界资源研究所 2020 年 10 月 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 i 目录 报告摘要 . 1 1. 导言 . 1 2. 中国风电、光伏发电发展概况 . 2 2.1 中国风电与光伏发电现状及展望 . 2 2.2 中国风电与光伏发电消纳概况 . 3 3. 发电储能技术分析 . 7 3.1 储能技术的应用与发展 . 7 3.2 主要储能技术对比 . 9 3.2.1 技术性能对比 . 9 3.2.2 环境效益对比 . 12 4. 中国抽水蓄能电站发展现状、机遇与挑战 . 13 4.1 抽水蓄能发展现状 . 13 4.2 抽水蓄能面临的机遇与挑战 . 17 4.2.1 经济效益对抽水蓄能发展的影响 . 17 4.2.2 政策机制对抽水蓄能发展的影响 . 18 4.2.3 生态环境对抽水蓄能发展的影响 . 21 5. 国际抽水蓄能发展经 验及启示 . 24 5.1 美国抽水蓄能发展经验 . 24 5.1.1 美国抽水蓄能电站经济效益分析 . 24 5.1.2 美国抽水蓄能电站环境效益分析 . 25 5.2 日本抽水蓄能发展经验 . 25 5.2.1 日本抽水蓄能电站运行机制 . 26 5.2.2 日本抽水蓄能电站环境效益分析 . 27 5.3 国际经验对中国抽水蓄能发展的借鉴意义 . 28 6. 抽水蓄能促进风光发电电能消纳案例研究：蒙西 . 32 6.1 蒙西发展概况 . 32 6.1.1 蒙西发展现状 . 32 6.1.2 蒙西抽水蓄能发展面临的挑战 . 34 6.2 蒙西本网消纳风能及光伏发电电能情景分析 . 36 6.2.1 方法学介绍 . 36 6.2.2 蒙西电网 2035 年电力（调峰）平衡 . 38 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 ii 6.2.3 敏感性分析 . 40 6.2.4 蒙西抽水蓄能开发对本网消纳风能和光伏发电电能影响效果综合 分析 . 41 6.3 蒙西风能及光伏发电电能外送情景分析 . 42 6.3.1 方法学介绍 . 42 6.3.2 外送情景分析 . 43 6.3.3 蒙西风能及光伏发电电能外送综合分析 . 45 6.4 蒙西抽水蓄能和锂电池储能全生命周期成本收益分析 . 46 6.4.1 方法学介绍 . 46 6.4.2 基础情景分析 . 47 6.4.3 敏感性分析 . 47 6.5 情景分析基本结论 . 49 7. 政策建议 . 51 附录 1 2035 年 蒙西电网负荷水平及特性 . 53 附录 2 蒙西电网风电发展设想 . 54 附录 3 蒙西电网光伏发电发展设想 . 55 附录 4 抽水蓄能及锂电池储能基准参数 . 56 参考文献 . 58 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 iii 图目录 图 1 2010-2050 年中国风电及光伏发电发展规模及展望 . 2 图 2 全国风能资源与弃风严重地区分布情况（ 2019） . 3 图 3 全国太阳能资源与弃光严重地区分布情况（ 2019） . 4 图 4 2020 年风电投资监测预警 . 5 图 5 2020 年光伏发电市场环 境监测评价 . 5 图 6 储能技术的应用 . 7 图 7 2019 年全球电力储能累计装机规模 . 8 图 8 2019 年中国电 力储能累计装机规模 . 8 图 9 2010-2030 年全球抽水蓄能发展规模及展望 . 13 图 10 2010-2050 年中国抽水蓄能发展规模及展望 . 14 图 11 中国各省（区、市）抽水蓄能电站装机情况（ 2019） . 14 图 12 中国各省（区、市）抽水蓄能 “十三五 ”装机规模达成情况 . 16 图 13 中国各省（区、市）抽水蓄能 “十三五 ”开工规模达成情况 . 16 图 14 抽水蓄能利益相关方分析 全国准市场化情景（ 2019） . 17 图 15 “十二五 ”“十三五 ”中国抽水蓄能重要政策 . 19 图 16 中国已投运抽水蓄能电站分布与水压力 . 22 图 17 中国在建及待建抽水蓄能电站分布与水压力 . 23 图 18 日本电力市场主要利益相关方分析 . 27 图 19 蒙西地区风能资 源概况 . 32 图 20 蒙西地区太阳能资源概况 . 33 图 21 蒙西发电结构（ 2019） . 33 图 22 蒙西地区抽水蓄能电站装 机情况 . 34 图 23 蒙西抽水蓄能利益相关方分析（ 2019） . 35 图 24 2035 年蒙西电网年负荷特性曲线 . 53 图 25 2035 年蒙西 电网典型日负荷特性曲线 . 53 表目录 表 1 主要储能技术参数对比 . 10 表 2 储能电站环境效益综合对比 . 12 表 3 美国抽水蓄能经济效益的挑战与对策 . 25 表 4 国际典型国家抽水蓄能发展经验 . 29 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 iv 表 5 蒙西电网电力（调峰）平衡基础资料 （单位：万千瓦） . 38 表 6 蒙西电网 2035 年电力（调峰）平衡表（单位：万千瓦） . 38 表 7 蒙西电网 2035 年电力（调峰）平衡敏感性分析（单位：万千瓦） . 40 表 8 外送情景方案及其分析比较表 . 43 表 9 抽水蓄能和锂电池储能社会收益成本分析 . 47 表 10 抽水蓄能（两部 制电价）敏感性分析 . 48 表 11 抽水蓄能（辅助服务市场）敏感性分析 . 49 表 12 锂电池储能敏感性分析 . 49 表 13 基准情景下抽水蓄能和锂电池 储能商业收益成本分析 . 49 表 14 蒙西风电基地月平均出力统计表（占装机容量比重） . 54 表 15 蒙西风电基地各月高峰时段保证出力（占装机容量比重） . 54 表 16 光伏电站逐月平均出力（占装机容量之比） . 55 表 17 光伏电站某日出力过程（占装机容量之比） . 55 表 18 抽水蓄能基准参数 . 56 表 19 锂电池储能基准参数 . 57 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 1 （内部草稿 请勿外传） 报告摘要 2020 年 9 月，习近平主席在第七十五届联合国大会提出，中国将采取更加有力的 政策和措施，力争于 2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中 和。为了实现这一目标， 中国正在大力推进可再生能源的开发利用，加快调整能源结构。 十二五 ”、 “十三五 ”期间，中国的风电及光伏发电装机规模显著提高 ， 2019 年占全国发 电装机总规模的 21%，提前达到 “十三五 ”规划的 16%的目标 。为实现 2060 年碳中和目 标， 预计 中国 可再生能源占比 2060 年前将达 70%以上 ， 平均每年新增 可再生能源 装机 不低于 2 亿千瓦 。 风光 快速发展的同时， 仍然面临 着 消纳 挑战 。 2019 年，全国风光消纳问题主要集中 在风光资源丰富的西北地区，其中新疆、甘肃、内蒙古、河北四省弃风电量占全国弃风 电量的 90%；西藏、新疆、青海、甘肃四省弃光电量占全国弃光电量的 87%。 在 风光发 展不平衡不充分的矛盾日益凸显 的背景下 ， 国家出台 了一系列 政策要求加速 储能 发展， 以促进 风光 消纳 。 抽水蓄能是目前应用最广泛 、 最为成熟的储能方式之一。由此 ， 本研究梳理 了 当前 中国 抽水蓄能发展的现状 及 政策，特别是 以蒙西为例， 评估 了 抽水蓄能促进蒙西风光消 纳的潜力；并 深入 分析中国风光发电及 以抽水蓄能为代表的储能行业 发展面临的挑战与 机遇 ， 总结发达国家抽水蓄能发展相关经验，并结合中国国情， 提出相应的解决方案和 切实可行的政策建议，从而进一步推进中国可再生能源发展。 研究的主要发现包括以下 几点： 储能是确保可再生能源电力稳定运行的关键解决方案，对储能技术的选择需要明确 其在不同应用场景中的功能与定位。 中国储能产业在 “十三五 ”期间进入高速发展阶段 ，但抽水蓄能等灵活调节电源占全 国总装机比例仍不到 6%，其中抽水蓄能长期占比不足 2%，与 5-10%的抽水蓄能合理 占 比 存在一定差距 。 在 消纳约束趋紧的形势下，截止到 2020 年 6 月，全国已有 11 个省份 1出台政策要求新增风电、光伏项目 配置 5%（如内蒙古）到 20%（如湖南、山东、新疆 等）的 储能 ， 以带动当地新能源产业发展 。研究通过 对比目前市场主要应用的 几种 储能 技术 发现 ，抽水蓄能是目前应用最为成熟的储能技术，技术成本 相对较低 且安全性 相对 较 高，可以应用于跨区域大电网中，主要解决大时间、大区域的系统调峰；电化学储能 1 包括河南、湖南、内蒙古、新疆、江西、安徽、湖北、山西、山东、青海、辽宁。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 2 （内部草稿 请勿外传） 整体处于示范和部署阶段，但发展快，反应灵活，可以在微网和分布式电网中发挥作用。 随着关键性技术的突 破，其他储能技术升级、经济性不断提升，抽水蓄能的竞争力 有可 能 下降 。 中国抽水蓄能目前发展速度低于预期。 截至 2019 年底，中国已建成抽水蓄能装机容量 3028 万千瓦、开工容量 5223 万千 瓦，与 “十三五 ”规划的装机规模 4000 万千瓦、开工规模 6000 万千瓦的目标相比，发 展速度低于预期 。 “十四五 ”是西北抽水蓄能发展的关键时期。 “十四五 ”、 “十五五 ”期间， 西北投运的抽水蓄能电站将增加三倍以上，主要集中在陕西、新疆、内蒙古、甘肃、宁 夏及青海。 据预测， 2035 年 中国 抽水蓄能 需求规模约为 1.4 -1.6 亿千瓦 ；但受建设周期 长 、 盈利机制不完善、 站点 生态资源 等相关 因素的 影响 ， 2035 年中国抽水蓄能 总装机规 模将 到 1.2 亿千瓦 ，与需求存在 2 千万千瓦以上的差距，需要综合规划与协调不同储能 技术以满足需求。 抽水蓄能 发展滞后主要面临 经济效益、 政策机制 、及生态环境 三方面的挑战 。 缺乏共赢商业模式 、 商品化和市场化不足 是抽水蓄能面临的核心问题 。 当前全 国电力市场改革进度不一，抽水蓄能电站营利的方式也分多种，尚未形成行业 或国家规范，存在落实不足、成本难以疏导的问题 。 以蒙西为例，呼和浩特抽 水蓄能电站采用两部制电价 ，但 因 蒙西尚 未实施 电量 峰谷电价 ，且 容量电价存 在核定不足 ， 电站 盈利困难 。 中国现有政策机制存在不足 ，抽水蓄能 面临着缺乏产业机制系统性方案、缺乏 配套管理规范及标准体系、激励政策不够完备等问题 ，具体反应在 蒙西 地区 储 能 市场 有限且缺乏对接机制、当地企业因缺乏配套规范及调度评估而 对 储能应 用 缺乏动力 等方面。 国家正在推进生态保护红线制度，构建国家生态安全格局 ， 部分抽水蓄能规划 站点落在有关省份划定生态红线区内（如蒙西美岱抽水蓄能电站），直接影响了 项目可行性和核准工作进展。此外，抽水蓄能发展还受 “电调服从水调 ”原则的 影响。全国约有 36%（ 1092 万千瓦）的已建抽水蓄能电站已处于高及极高水压 力地区，可能面临水资源稀缺而带来的风险。严格 的水资源 管理也将对抽水蓄 能发展形成制约。 “十四五 ”规划、电力市场化改革、储能行业标准化建设、 “风光水火储一体化 ”及 “源 网荷储一体化 ”为中国抽水蓄能及整个储能行业提供发展机遇。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 3 （内部草稿 请勿外传） “十四五 ”将成为储能应用的关键时期 ， 多个国家规划 2都将储能列入其中 。 国家 能源 局 也于近期启动了全国新一轮抽水蓄能中长期规划编制工作。 据预测， “十 四五 ”期间抽水蓄能将持续较快发展，投产规模约 500-600 万千瓦，开工 3000- 4000 万千瓦 。蒙西也计划将储能作为 “十四五 ”专项规划，从电网侧、负荷侧、 发电侧全面部署储能，包括调研 “十四五 ”新的抽水蓄能站点。 电力市场化改革及辅助服务市场建设为抽水蓄能实现商品化、市场化提供路径。 到 2019 年，全国已有 14 个地区 3启动了电力辅助服务市场试点，但仍面临着产 品单一、费用分摊不 尽合理、定价交易机制不健全等问题。 未来 抽水蓄能等储 能项目无门槛、平等地参与到电力市场竞争中，实现调峰发电和辅助服务经济 效益是 市场建设的趋势。 储能标准化建设对抽水蓄能及储能行业发展发挥支撑作用。 2020 年，中国政府 配套出台了一系列政策 4， 加速推动储能标准化建设 。未来储能的发展，需要在 安全性、成本、性能等各个方面 确立标准、实现均衡，推动行业有序发展。 “风光水火储一体化 ”及 “源网荷储一体化 ”带动储能行业发展。 “风光水火储一体 化 ”强调电源侧的灵活利用， “源网荷储一体化 ”侧重发挥负荷侧调节能力，两者 都强调了储能的必要性。配套储能以带动当地新能源产业发展是目前众多地方 政府的选择。 由于缺乏成本疏导及统筹调度方案， 目前这种模式仍面临着成本 分摊不尽合理、难以推广的挑战， 发电企业多为新能源指标而被动配置储能。 但从长远角度看，充分发挥储能在电源侧、电网侧、负荷侧的多元化建设，将 有利于激发市场活力，创造良好的产业生态链。 发达国家在应对 抽水蓄能 发展面临挑战方面的经验，对中国抽水蓄能的发展具有一 定借鉴作用 。 分析建议允许储能公平参与不同市场，提供多种服务并实现多元化市场收益；持续 优化监管框架， 完善涉及抽水蓄能的产业政策和法律法规 ；加快建设区域性和全国性辅 助服务市场，细化辅助服务产品种类，逐步认可抽水蓄能在整个电力系统的价值；加快 推进标准化建设，推进储能市场化。 2 能源发展 “ 十四五 ” 规划 、 电力 “ 十四五 ” 规划 、 能源技术创新 “ 十四五 ” 规划 、 可再生能源 “ 十四五 ” 规划 等 。 3 东北、华北、华东、西北、福建、山西、山东、新疆、宁夏、广东、甘肃、重庆、江苏、蒙西 。 4 关于加强储能标准化工作的实施方案、 2020 年国家标准立项指南、 2020 年能源工作指导意见 等 。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 4 （内部草稿 请勿外传） 因网制宜配套建设抽水蓄能电站，建立风光火储联合运行机制，可以有效促进电网 就地消纳风光、提高外送输电通道的利用率，取得良好的经济效果。 为了识别抽水蓄能促进风光发电电能消纳的潜力，研究以蒙西为例开展深入分析和 研究。结果表明 ， 配套建设抽水蓄能电站作为大规模储 能技术的灵活调节电源，可以有 效提高蒙西电网就地消纳风电的能力以及外送输电通道的技术经济性。但抽水蓄能电站 建设周期较长，需要落实各项建站条件 ，并 科学论证就地消纳与电源打捆外送融入大电 网消纳的组合方案 。此外，分析还表明， 蒙西抽水蓄能 目前 主要依靠容量电价收益 ， 在 当前政策市场环境下，确保抽水蓄能经济性的核心是解决容量电价的成本疏导问题。 储能是未来提升电力系统灵活性、经济性、安全性和解决大规模新能源消纳的重要 手段。加快储能技术推广应用，把储能融入电力系统发、输、用各环节，加强统筹规划 和科学布局，对于保障电力可靠供应 和构建清洁、高效、安全、可靠的电力能源体系具 有重大意义。综上所述，研究提出以下政策建议： 加强系统灵活调节电源配套统一规划，确保系统充足的灵活电源调节能力 合理定位抽水蓄能和其他储能技术的发展方向， 明确不同储能技术在不同应用场景 中的功能与定位， 将储能纳入电力发展统筹规划，加强顶层设计， 系统引导多种储能技 术有序协调发展， 确定发展规模、合理布局、接入范围和建设时序，并滚动调整。 完善和确保抽水蓄能价格机制落实，健全系统辅助服务市场建设 全面落实加快抽水蓄能开发和 确保抽水蓄能正常 运营的各项精细化措施、政策， 探 索 抽水蓄能 等 储能参与辅助服务交易的市场主体定位和平等竞争规则 ，实现 辅助服务产 品化 ， 通过市场机制或其他交易机制提供合理的经济补偿，实现抽水蓄能电站的正向经 济性 ； 打破省间交易壁垒，建立跨省跨区调峰辅助服务交易机制，提高跨区输电通道运 行方式灵活性，通过市场化手段实现省间和区域间调峰能力互济，提高灵活性资源优化 配置能力。 加快推进 “风光水火储一体化”和受电端电网“源网荷储一体化”的协调发展 加强国家综合规划，以能源清洁发展战略为中心，以市场消纳为核心，全面考虑资 源禀赋、开发条件、技术经济等因素，统筹规划各类电源开发，优化配套抽水蓄能等储 能设施，科学论证并严格控制煤电规模，多能源品种发电互相补充，强化电源灵活调节 作用，减轻送受端系统的调峰压力，因网施策，多措并举，远近结合，构建源网荷高度 融合、多向互动的新一代电力系统，从根本上解决风能、太阳能发电高质量发展和充分 高效利用问题。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 5 （内部草稿 请勿外传） 综合考虑生态环境与自然资源要求 在 符合国家 生态红线 、资源（特别是水资源）承载力要求前提下，建议 未来抽水蓄 能建设和发展加强 技术创新与因地制宜的设计 ， 科学处理好开发与生态保护红线及资源 的关系 ：优化 抽水蓄能电站设计方案， 做好各站点的勘测设计前期工作 ， 合理布局 ， 将 电站建设 和 运行对当地生态环境的负面影响降到最低 ， 并 力争 实现正环境效益 ； 从水利 水电 工程建设 原则要求 和科 技 研发两个 方面 激励促进创新抽水蓄能电站 的规划设计 思 路 ， 应用抽水发电转换率高性能的机组提升抽水蓄能电站整体效率 。 建议 西部 地区 （如蒙西地区）统筹规划风能、太阳能发电基地及其电力送出配套工 程和配套抽水蓄能工程的建设 中国 西部 地区 风能和太阳能资源丰富，具有集中 大规模 开发 的 技术经济优势 ，但 地 区电网规模相对较小， 本网消纳风电及光伏发电的合理规模有限 。 以蒙西为例， 在上述 四条政策建议的基础上，建议 统筹规划 风光 发电基地及其电力送出配套工程和配套抽水 蓄能工程的建设 ，并 同步实施 ； 在 当地 电网就地充分消纳的基础上，扩大电力市场 ， 科 学论证 新建输电通道远距离外送工程 的 合理落点 ， 切实落实具体消纳方案 ， 实现 能源流 向合理、 大范围内的能源资源优化配置 。此外， 建议加速和优先处理抽水蓄能电站容量 电价的核定与分摊机制， 保障 电站的日常维护和运营 成本 ，实现经济价值 ；加快 建设辅 助服务市场 ， 并同步建立跨省跨区调峰辅助服务交易机制， 促进地区抽水蓄能及整个储 能行业的健康发展 。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 1 （内部草稿 请勿外传） 1. 导言 2020 年 9 月，习近平主席在第七十五届联合国大会提出，中国将采取更加有力的 政策和措施，力争于 2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中 和。为了实现这一目标，中国正在大力推动可再生能源发展。风能和太阳能发电作为主 要的非水电可再生能源，是可再生能源发展的重要力量。中国风能、太阳能资源丰富， 大力开发利用风电与光伏发电，对于应对气候变化、缓解能源资源约束、加快生态文明 建设具有战略意义。然而，目前风光消纳利用仍是困扰中国部分地区可再生能源发展的 主要问题之一。 储能技术是解决风能和太阳能发展瓶颈、促进风光电能消 纳的重要手段之一。其中， 抽水蓄能是应用最为广泛的大规模储能设备之一。 2017 年，中国的抽蓄发展规模已居 世界首位，成为了全球抽蓄发展的引擎。 2020 年能源安全保障工作指导意见里也明确 强调，要积极推动抽蓄电站建设。抽水蓄能已经成为关乎能源安全、落实 “六保 ”的因素。 然而，抽水蓄能的发展仍面临经济、环境及政策方面的挑战。 在此背景下世界资源研究所（美国）北京代表处在能源基金会的支持下，开展 “抽 水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 ”课题， 旨在探讨中国（特别是西北地区和内蒙 古自治区）抽水蓄能提高风光电能消纳的能力，通过现 状梳理、未来发展情景评估、技 术对比、技术政策以及国际典型案例研究，分析中国风光发电发展及抽水蓄能发展面临 的挑战与机遇，提出相应的解决方案和切实可行的政策建议，从而进一步推进中国可再 生能源发展。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 2 （内部草稿 请勿外传） 2. 中国风电、光伏发电发展概况 2.1 中国风电与光伏发电 现状及展望 2020 年 9 月，习近平主席在第七十五届联合国大会提出，中国将采取更加有力的 政策和措施，力争于 2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中 和。为了实现这一目标， 中国正在大力推进可再生能源的开发利用 ，加快调整能源结构 。 中国风能、太阳能资源丰富，技术可开发量分别超过 35 亿千瓦、 100 亿千瓦 (全球能源 互联网发展合作组织 2020)。 大力开发利用风电 与光伏 发电， 对于 应对气候变化 、 缓解 能源资源约束 、加快生态文明建设 具有 战略 意义。 “十二五 ”、 “十三五 ”期间，中国的 风电及光伏发电 装机规模 显著提高 （ 见 图 1） 。 2019 年，中国 风电及光伏发电 装机 规模 已占全国发电装机总 规模 的 20.6%，提前达到 “十三五 ”规划的 15.8%的目标 ，是 “十一五 ”风光装机的十二倍 。 注：其他 电力装机 指中国发电装机总容量减去光伏发电及风电装机容量的剩余 装机 容量。 数据来源： 国家能源局 和 国家发展改革委 历年统计数据 ；国家能源局 2016-2019 年度全国可再生能源电力发展监测 评价报告 . 图 1 2010-2050 年中国 风电及光伏发电发展规模及展望 然而，目前 中 国风能、太阳能的开发利用率还很低 。 2019 年，全国风电装机 2.1 亿 千瓦（占比 10.4%）、 光伏发电装机 2.05 亿千瓦（占比 10.2%）。 同年 ， 全国发电量 7.3 万亿千瓦时，其中风电（ 4057 亿千瓦时）占比 5.6%， 光伏 发电（ 2243 亿千瓦时）占比 3.1% (国家能源局 , 2019 年可再生能源并网运行情况 2020)。 中国正在争取 2060 年前实 现碳中和，预计 2060 年前可再生能源占比将达 70%以上 ， 平均每年新增 可再生能源 装 机不低于 2 亿千瓦 (李晓红 2020)。 根据国家可再生能源发展中心展望， 2050 年中国风 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2010 2015 2019 2020（展望） 2035（展望） 2050（展望） 光伏及风电装机占比（ %） 装机容量（ GW ） 其他电力装机 光伏装机 风电装机 光伏及风电装机占比 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 3 （内部草稿 请勿外传） 光累计装机有望达到全国电力总装机的 75%（见 图 1） 。 未来，可再生能源发电将逐步 成为中国的主导电源。 2.2 中国风电与光伏发电 消纳 概况 中国正在大力推动风光 发展 的同时， 由于 风光 发电 受自然条件、天气等诸多因素制 约， 输出功率具有 明显 的波动性 、 间歇性和随机性 ， 往往造成其电能在电力系统中 存在 消纳困难 。 2019 年 ， 全国 15 个省区存在弃风现象，弃风电量 达 169 亿千瓦时 。其中， 弃风率 超过 4%（全国平均弃风率） 的地区包括新疆（ 14.0%）、甘肃（ 7.6%）、内蒙古（ 7.1%）、 河北（ 4.8%） ； 四省（区）弃风电量合计 152.1 亿千瓦时，占全国弃风电量的 90.2%；全 国光伏发电弃光电量 46 亿千瓦时，光伏消纳问题主要出现在西北地区 ，包括 西藏（ 弃 光率 24.1%）、新疆（ 弃光率 7.4%）、青海（ 弃光率 7.2%）、甘肃（ 弃光率 4.0%） ； 四省 弃光电量占全国的 87% (国家能源局 , 国家能源局发布 2019 年风电、光伏并网运行情况 2020)。 由于新冠疫情影响，社会用电负荷下降、供应 链中断等等， 2020 年中国的弃风 弃光率可能 有所上升 。 数据来源： (国家发展改革委 , 关于完善风力发电上网电价政策的通知 2009); (国家能源局 , 2019 年可再生能源并网 运行情况 2020) 图 2 全国风能资源与弃风严重地区分布情况（ 2019） 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 4 （内部草稿 请勿外传） 数据来源： (国家发展改革委 , 关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知 2013); (国家能源局 , 国家能源 局发布 2019 年风电、光伏并网运行情况 2020) 图 3 全国太阳能资源与弃光严重地区分布情况（ 2019） 如 图 2 图 3 所 示， 弃风弃光严重地区优质风能和太阳能资源丰富 。 2019 年弃风严 重的四省（ 新疆、甘肃、内蒙古、河北 ） 类 风能 资源占全国 类 风能 资源的 100%（总共 91.8 万平方千米） ；四省 类 风能 资源占全国 类 风能 资源的 97.4%（四省 共 82 万 平方千 米 ） ；弃光严重的四省（西藏、新疆、青海、甘肃） 类太阳能资源占全国 类太阳能资源 的 52.6%（ 四省 共 93.2 万平方千米）；四省 类太阳能资源占全国 类太阳能资源的 41.7% （四省共 184.9 万平方千米） 。 随着风 光发电的 发展， 这些 地区 风光装机将进一步提升， 发展不平衡不充分的矛盾 将 日益凸显 。 与此同时， 风光 消纳问题 也 成为 制约行业健康可持续发展 的瓶颈 。 为了遏制风光过 度投资但无法消纳的问题，合理推进风光项目开发投资建设， 国家能源局于 2016、 2017 年先后出台了风电、光伏发电监测预警机制 5。 如 图 4、 图 5 所示， 2020 年风电投资预 警及光伏发电市场环境监测 评价 呈 橙色 区域， 须 控制 新增项目 (国家能源局 , 关于发布 2020 年度风电投资监测预警结果和 2019 年度光伏发电市场环境监测评价结果 5 国家能源局关于建立监测预警机制促进风电产业持续健康发展的通知 ; 国家能源局关于建立市场环境监测评 价机制引导光伏产业健康有序发展的通知 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 5 （内部草稿 请勿外传） 的通知 2020)， 但 利用跨区输电通道外送项目 、 及落实本地消纳措施的平价项目 除外 (全国新能源消纳监测预警中心 2020)。 这 表明了中国目前可再生能源发展，落实重点区 域消纳是关键。 数据来源： (国家能源局 , 关于发布 2020 年度风电投资监测预警结果和 2019 年度光伏发电市场环境监测评价 结果的通知 2020) 图 4 2020 年风电投资监测预警 数据来源： (国家能源局 , 关于发布 2020 年度风电投资监测预警结果和 2019 年度光伏发电市场环境监测评价 结果的通知 2020) 图 5 2020 年光伏发电市场环境监测评价 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 6 （内部草稿 请勿外传） 应对 风电、 光伏 发电等清洁能源消纳的积极措施 之一 是配套建设相当规模灵活调节 电源，提高系统调节能力。灵活调节电源包括储能技术、煤电灵活性改造、天然气发电 等，其中 ， 储能 是 解决可再生能源并网消纳的重要手段之一 。 2017 年中国大规模储能技 术及应用发展的首个指导性政策关于促进储能产业与技术发展的指导意见发布以来， 国家 各部委和 地方都在陆续出台政策文件 6，支持推进储能行业发展，提升可再生能源 利用水平 。 6 解决弃水弃风弃光问题实施方案 ； 贯彻落实 2019-2020 年行动计 划 、 鼓励外商投资产业目录（ 2019 年版） 、 关于加强储能标准化工作的实施方案 、 关于做好 2020 年能源安 全保障工作的指导意见 等。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 7 （内部草稿 请勿外传） 3. 发电储能技术分析 3.1 储能技术的 应用与发展 电力储能 作为 确保间歇性可再生能源电力稳定运行的关键解决方案 (IRENA (International Renewable Energy Agency) 2020)， 在电力系统的不同环节和不同场景下发 挥着不同的作用 （见 图 6） 。 信息来源 ： (杨永明 2018); (徐志成 和 王芃 2020) 图 6 储能技术的应用 目前市场主要应用的电力储能技术可以分为三大类：机械储能（包括抽水蓄能、压 缩空气储能、飞轮储能）、电磁储能（包括超导储能、超级电容储能）和电化学储能（包 括锂离子电池、钠硫电池、铅酸电池、铅碳电池、镍镉电池、锌溴电池、液流电池等） (杨永明 2018)。氢储能作为化学储能的前瞻技术，发展前景也备受关注。 2019 年 ，全球已投运电力储能项目累计装机规模达 183.1GW (中关村储能产业技术 联盟 2020)，其中抽水蓄能占 94.9%，是目前投入规模最大的储能技术 ； 其次是电化学 储能 ，占 4.6%，如 图 7 所示。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 8 （内部草稿 请勿外传） 数据来源 ： (中关村储能产业技术联盟 2020) 图 7 2019 年全球电力储能累计装机规模 得益于储能系统成本的下降和政策推动，中国储能产业在 “十三五 ”期间进入高速发 展阶段。中国已投运电力储能项目累计装机规模从 2016 年的 24.3GW， 增加到 2019 年 的 32.3GW (中关村储能产业技术联盟 2020)， 占全球市场的 17.6%； 其中抽水蓄能占 94.9%，电化学储能， 约 占 5 %，如 图 8 所示。 数据来源： (中关村储能产业技术联盟 2020) 图 8 2019 年中国电力储能累计装机规模 虽然中国储能市场颇具规模，但从整个电源结构来看， 中国 抽水蓄能等灵活调节电 源占 全国总装机比例 仍然非常低， 不到 6% (中电联理事会 2019)； 而 欧美 一些 发达国家， 例如 西班牙、德国、美国 ，灵活调节电源的 占比分别 可以 达到 34%、 18%、 49% (中电联 理事会 2019)。 可再生能源的快速 健康 发展，需要 持续 构建电力储能体系，加强电力系 统灵活调节能力。 抽水蓄能 94.91% 压缩空气储能 0.20% 飞轮储能 0.30% 超级电容 0.1% 锂离子电池 87.4% 钠硫电池 6.2% 铅蓄电池 5.0% 液流电池 1.0% 其他 0.1% 电化学储能 4.57% 抽水蓄能 94.91% 压缩空气储能 0.1% 飞轮储能 50 年 高 秒 级 技术成熟 大电网调峰；系统备用；频率控制 压缩空气 储能 53 30-60 10-300 1-20h 75 30-50 年 差 分钟级 综合利用 效率高 大规模；电力调峰和系 统备用 飞轮储能 3000 5-130 0.005-1.5 30s-15min 95 百万次 差 毫秒级 噪音大 电网调峰调频、电能质 量保障（蓄电池系统补 充） 电磁储 能 超导储能 320 0.5-5 0.01-1 2s-5min 90%-95% 100000次 毫秒级 维护困难 输配电网稳定、电能质 量控制、 不间断电源设 备（ UPS） 超级电容 器储能 300 0.01-1 1-30s 95% 50000 次 一般 毫秒级 维护困 难；续航 能力差 短时间、大功率的负载 平滑和电能质量峰值 电化学 储能 锂离子电 池 300-350; 下降速度 快 150- 250 100 0.5-8h 90-95 3000- 15000 次 高 7 百毫秒级 放电时间 长；无记 忆 电能质量、备用电源、 UPS、便携式移动设备 7 锂离子电池分为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元锂电池，此处以最广为应用、最具代表性的磷酸铁锂为例。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 11 （内部草稿 请勿外传） 类别 名称 2020 年技 术成本 （ USD/k wh） 比能 量 / （ W hkg- 1） 典型额定 功率 （ MW） 放电时间 能量转换 效率 （ %） 循环次数 /服役年 限 安全性 响应速度 其他 应用范围 铅酸电池 124 30-50 100 1min-3h 75% 500-1200次 差 百毫秒级 无记忆；回收性好 电能质量、频率控制、 可再生储能、电动汽车 能源 液流电池 高 40-130 100 1-20h 75-85 10000-15000 次 较高 百毫秒级 储能密度高 电能质量、备用电源、可再生储能 钠硫电池 304 150-240 0.1-100 0.7-8h 80-90 4500 次 高温环 境存在 安全隐 患 百毫秒级 材料要求高 负荷调频、调峰、改善电能质量 注： a. 比能量：指单位质量储能器件（电池）对外输出的能量（算式：比能量 =电压 *电流 *该状态下所能持续放电的时间 /质量）； b. 放电时间：储能器件（电池）持续放出电能的时间，取决于放电电流和放电余量； c. 能量转换效率：储能器件储存的能量相对其输入能量的比值； d. 循环次数：一定放电条件下，储能器件（电池）工作至某一容量规定值之前所能承受的循环周期的次数（蓄电池一次充电和放点成为一次循环）； e. 响应速度：储能器件工作的反应时间。 数据来源：国网能源研究院、南方电网、新时代证券研究所网站信息整理 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 12 （内部草稿 请勿外传） 3.2.2 环境效益 对比 依照 中国 环境影响评价法规定 ， 所有建设可能会对环境产生影响的项目（包括 能源相关的专项计划）应当依法进行环境影响评价 (全国人民代表大会常务委员会 2018)。 在环境效益方面，现有的储能技术对环境都存在一定影响，例如电化学储能最大 的问题是缺乏有效消防手段预防，具有发生爆炸、燃烧等安全风险问题，容易威胁电网 设备安全和污染周围大气生态环境 (胡静 , 以及其他人 2020)。抽水蓄能主要对区域生 态环境存在影 响，包括 水文情势改变、施工期水土流失隐患、 运行期可能的水库渗漏 8 (潘文国 和 杨彪 2019)、以及物种变化等，需要注意 植被和物种配置，并保证动物的顺 利迁移。 表 2 对 目前建设规模最大的抽水蓄能、电化学储能 中 占比最高的锂电池、传统 铅酸电池和相全钒液流电池进行 了 环境效益 对比。 表 2 储能电站环境 效益 综合对比 抽水蓄能 锂电池 铅蓄电池 全钒液流电池 大气环境 爆破粉尘、施工 扬尘 施工扬尘 铅烟、铅尘以及硫 酸雾 施工行为产生的短期扬尘，影 响小 水环境 影响水文 、 施工 期污废水排放处 理后回用 废水集中处理 ， 影响较小 废水集中排放，影 响较小 生活污水及生产废水 声环境 施工噪声，采取 措施可达标 施工噪声、电气 设备噪声，采取 措施可达标 施工噪声、电气设 备噪声，采取措施 可达标 施工噪声；电磁噪声、空气动 力性噪声，采取措施可达标 固体废弃物 生产生活垃圾， 妥善处理不会造 成二次污染 厂区生活垃圾、 污水处理站污 泥，妥善处理不 会造成二次污染 生产生活垃圾，妥 善处理不会造成二 次污染 生产生活垃圾，妥善处理不会 造成二次污染 生态系统 影响周围水生、陆 生生态系统稳定 性及多样性 ；建成 后反哺生态 电磁辐射和废电 解液处理问题 改变土地功能；高 空排放影响土壤环 境 运行过程中会产生腐蚀性液 体，发生泄漏将对周边环境产 生严重影响；生产用品易燃易 爆，也会对生态环境存在一定 威胁 环境风险 施工期爆破风险、 渣场山体滑坡风 险、外来物种入侵 风险、溃坝等 电磁辐射和废电 解液处理问题 铅中毒硫酸泄漏 电磁辐射和废电解液处理问题 信息来源：中国电建集团储能项目、地方环境保护厅、环境保护设计院环境影响报告书整理 8 有关研究 通过随机抽样法对国内所发生的约 1000 起抽水蓄能工程事故原因分析发现，由于上水库渗漏影响导致电 站周围土质环境变化约占总事故 30%左右。 抽水蓄能促进中国风光发电电能消纳研究 13 （内部草稿 请勿外传） 4. 中国抽水蓄能电站发展 现状、机遇与挑战 4.1 抽水蓄能