抽水蓄能設施成本現狀和降低成本的未來前景

3.2.6 抽水蓄能設施成本現狀和降低成本的未來前景

圖3.2和3.3顯示了抽水蓄能設施在裝機容量（kW）和儲能容量（kWh）的建設成本。1995年以來，世界主要國家和地區(qū)總體部署趨勢平穩(wěn)。而不同項目和不同國家的成本差異很大。

圖3.2 世界主要國家和地區(qū)建設抽水蓄能設施的的投資成本（裝機容量，單位為kW）

圖3.3 世界主要國家和地區(qū)建設抽水蓄能設施的投資成本（儲能容量，單位為kWh）

大多數抽水蓄能設施的建設成本按裝機容量計算，通常在600美元/kW至2,500美元/kW之間。按儲能容量計算，在30美元/kWh～300美元/kWh之間。

中國擁有管理抽水蓄能設施成本的最低記錄，其項目成本都較低，并且運維(O&M)成本也非常低，具有固定的運維成本約每年16美元/kW。

土建工程（例如水壩、水庫、壓力管隧道、廠房洞穴）和土地征用費用通常占新建抽水蓄能設施總建設成本的 60%～70%。土建工程是一種勞動密集型的工作。勞動力成本因國家而異，并且隨著時間的推移而趨于增加。中國的幾個抽水蓄能項目已經采用了由人工智能支持的無人駕駛工程卡車和壓路機。除了降低勞動力成本外，無人駕駛車輛還可以通過減少人為錯誤來提高效率和施工質量。然而，這項技術仍處于早期發(fā)展階段，并且現在判斷無人駕駛設備是否最終會降低勞動力和土建成本還為時過早?？傮w而言，大多數與抽水蓄能設施相關的土木工程的技術創(chuàng)新似乎更側重于縮短施工時間和提高質量，而不是降低成本。土建工程的建設成本具有高度的場地特定性。例如，一些地方提供現有的盆地或山谷，可以減少水庫路堤所需的規(guī)模。而在某些地點，例如廢棄的采石場、礦山或洞穴能夠以非常低的成本作為水庫。原則上，可以期望開發(fā)商在考慮不太有利的位置之前開發(fā)成本最低的地塊。這意味著未來抽水蓄能設施的成本可能會隨著時間的推移而增加。

渦輪發(fā)電機技術已經經歷了幾次重大革命。在上世紀50年代之前，抽水蓄能設施通常配備單獨的水泵和渦輪發(fā)電機。而可逆泵發(fā)電機的出現減少了所需壓力水管隧道的數量和對其他設備的需求，同時還減小了建設發(fā)電廠洞室所需的規(guī)模。從上世紀90年代開始，日本率先使用變速泵渦輪機，提高了抽水蓄能設施的運營效率和靈活性。自從本世紀初以來，歐洲的許多抽水蓄能設施已經改造或采用變速泵渦輪機。簡而言之，抽水蓄能設施機電設備的可靠性和效率隨著時間的推移而提高，但這些設施的成本并未下降。在未來可能會進一步提高可靠性和效率，但似乎不太可能大幅降低成本。

3.2.7 抽水蓄能設施的開發(fā)潛力

現有抽水蓄能設施的水力渦輪發(fā)電機的長度為15米到1,400米。最長可達300米到600米。而較短的水力渦輪發(fā)電導的往返效率較低，但更長的水力渦輪發(fā)電面臨非常高的水壓，這對液壓機械的設計提出了挑戰(zhàn)。

盡管地形是一個重要的標準，但它并不像通常認為的那樣具有限制性。一些評估表明，適合建設抽水蓄能設施的潛在地點有很多。澳大利亞國立大學 (ANU) 發(fā)布了全球適合建設抽水蓄能設施的地圖集，該地圖集確定了全球有60多萬個適合抽水蓄能設施開發(fā)的地點。這些地點已確定的總儲能容量的潛力為 23,000TWh，其中美國約為 1,457TWh。然而重要的是，澳大利亞國立大學 (ANU) 的評估沒有考慮水的可用性，這對于開環(huán)抽水蓄能設施可能是一個嚴重的問題（對于閉環(huán)系統(tǒng)來說這是一個較小的考慮因素），也沒有考慮靠近輸電線路或負載中心。此外，許多地點可能會引起環(huán)境保護問題，或者由于與社會或景觀影響相關的各種原因，可能會面臨當地民眾的反對。盡管如此，即使是在已確定地點的一小部分開發(fā)抽水蓄能設施也可以提供大量的儲能容量。

選址、許可和許可程序因國家而異，對消費當地社區(qū)影響也不同。在美國，選址和許可成本通常占抽水蓄能設施總成本的不到1%。選址和許可所需的時間長度因項目而異。閉環(huán)抽水蓄能設施的選址相對簡單，可能在幾年內完成。從這個角度來看，開發(fā)抽水蓄能設施的主要障礙不是場地的可用性，而是市場挑戰(zhàn)和融資障礙，包括需要獲得監(jiān)管承諾或長期合同以支持項目融資。

而調查也支持這樣的結論，即抽水蓄能設施的商業(yè)化運營是困難的，至少在美國。與潛在的重大建設成本超支相關的風險只會導致這更加困難，并且可能比選址和許可障礙更重要。

3.2.8 美國抽水蓄能設施選址和許可活動

在美國，美國聯邦能源管理委員會 (FERC) 主要負責批準水力發(fā)電廠的建設規(guī)劃，包括抽水蓄能設施?！俺醪皆S可證”授予被許可人在為擬議項目申請許可證時的優(yōu)先權。許可證持有人進行調查、調查和環(huán)境影響評估；與利益相關者舉行公開聽證會和磋商；并為建設項目制定計劃。在選址完成后，許可證持有人可以申請“原始許可證”，授權建設和運營項目，期限最長為 50年。大多數選址工作發(fā)生在初步許可證的批準和原始許可證之間。

原始許可證要求被許可人在許可證頒發(fā)之日起兩年內開始建設項目，并在許可證頒發(fā)之日起五年內完成建設。美國聯邦能源管理委員會 (FERC)可能允許將施工期限延長兩年。最近的一項法律（即2018年發(fā)布的美國水力基礎設施法案），允許授予長達八年的延長期限。2019年，美國聯邦能源管理委員會 (FERC)為現有非發(fā)電水庫和閉環(huán)抽水蓄能設施建立了快速許可程序。加急程序要求在申請許可后兩年內發(fā)布最終許可決定。

如果水電項目位于通航水域、占用聯邦土地或使用聯邦大壩的水庫或水電設施，或影響州際的利益，那么將會停止建設。因此，大多數水電項目都受美國聯邦能源管理委員會 (FERC)管轄。即使在抽水蓄能設施不需要許可證的情況下，項目開發(fā)商也可能會發(fā)現它可以參考，因為美國聯邦能源管理委員會 (FERC)許可證優(yōu)先于州和地方法律。

3.2.9 美國抽水蓄能設施近期發(fā)展及現狀

表3.1美國已經成功完成選址和許可的抽水蓄能項目

表3.2美國最近獲得許可的抽水蓄能設項目選址時間

在愛荷華州建設愛荷華山抽水蓄能項目規(guī)劃方案于2004年首次提出，是美國目前開發(fā)和建設抽水蓄能設施面臨挑戰(zhàn)的一個很好的例子。經過10年的選址工作，美國聯邦能源管理委員會 (FERC)于2014年批準了該項目的建設許可證。在一年后，薩克拉門托市政公用事業(yè)區(qū)(SMUD)重新評估了其儲能需求，并認為該項目投資規(guī)模太大。最初的成本估算約為8億美元，隨后調整為14.5億美元。為此得出的結論是，這種規(guī)模的前期資本支出將嚴重限制其財務并影響其他未來投資，因此于2016年取消了該項目。盡管愛荷華山抽水蓄能項目的選址和許可過程漫長且具有挑戰(zhàn)性，但它們已經完成并且在項目取消之前已經頒發(fā)了許可證。事實上，自從上世紀90年代以來，取消建設抽水蓄能設施的原因主要涉及需求不確定性和財務風險，而不是選址和許可問題。對于美國大多數（如果不是全部）抽水蓄能設施來說，情況似乎仍然如此。

1995年以后在美國建造的唯一一個抽水蓄能設施是Olivenhain-Hodge抽水蓄能項目，該項目于2012年完工，但目規(guī)模很?。ㄖ挥?0MW）。盡管其投資成本相當昂貴（5931美元/kW），但該項目能夠獲得融資，是因為水庫的建設可以證明為圣迭戈地區(qū)提供蓄水服務是合理的。換句話說，僅靠儲能服務的價值并不能證明該項目的成本是合理的，而是該地區(qū)的水資源嚴重短缺使該項目在財務上可行。類似的多價值機會可能存在于抽水蓄能設施可以提供除儲能服務之外的其他好處的其他地點——類似于許多現有的大型水電站除發(fā)電之外還提供防洪和灌溉服務的方式。

自從2010年以來，開發(fā)商已經為160多個抽水蓄能項目申請了美國聯邦能源管理委員會 (FERC)的初步許可。

大量擬議項目進一步表明，建設抽水蓄能設施的地點并不稀缺。需要注意的是，申請初步許可只是是選址過程的開始。而在當時，項目開發(fā)商可能已經得出結論，該項目在技術上可能是可行的，但尚未確定成功開發(fā)的可能性。在投資者確信抽水蓄能設施可以滿足電力需求的長期前景之前，這些項目被利用的機會都很小。

根據美國能源部發(fā)布的美國水電市場報告，美國2010～2019 年僅增加了1.3GW的抽水蓄能設施，并且主要是通過升級或改造現有設施增加的裝機容量。 機電設備的改進可以提高現有抽水蓄能設施的裝機容量和發(fā)電效率，但儲能容量通常保持不變。 由于美國的大多數抽水蓄能設施建于上世紀60年代到上世紀90年代，因此未來可能會對現有抽水蓄能設施進行進一步升級。

3.2.10 歐洲抽水蓄能項目近期歷史及現狀

從上紀紀60年代開始，歐洲的抽水蓄能的裝機容量激增，主要是為了促進核電生產增長。抽水蓄能項目的資金主要來自綜合國有公用事業(yè)公司重視抽水蓄能設施為平衡電網供需提供的靈活性。

從上世紀90年代開始，歐洲電力部門放松管制，加上核電量增長，從而限制了抽水蓄能設施的開發(fā)和增長。但歐洲仍然擁有全球最大的抽水蓄能裝機容量，占全球累計部署的總裝機容量的30%。奧地利、法國、德國、意大利、西班牙、瑞士和英國這七個國家占歐洲抽水蓄能裝機容量的80%以上。作為推動電力部門脫碳的一部分，許多歐洲國家已開始顯著擴大風力發(fā)電和太陽能發(fā)電設施的部署規(guī)模。對這些間歇性發(fā)電設施的日益依賴增加了對平衡電力系統(tǒng)的靈活資源的需求。已經建成的抽水蓄能設施和傳統(tǒng)水力資源提供了這種靈活性，但更重要的是，聯合循環(huán)燃氣輪機（CCGT）也提供了這種靈活性。近年來，歐洲的抽水蓄能設施產能擴張有限，主要是由于新項目的不確定性，融資困難。已經建設的抽水蓄能設施項目通常由大型歐洲公用事業(yè)公司提供資金。歐洲許多新建成的抽水蓄能設施都報告了嚴重的財務虧損。缺乏盈利能力和財務不確定性導致許多抽水蓄能項目被擱置。

歐盟已經制定了到2050年實現溫室氣體凈零排放的目標。這意味著聯合循環(huán)燃氣輪機（CCGT）的作用正在減弱——這反過來意味著找到替代選擇，這對于靈活的發(fā)電設施或儲能系統(tǒng)來說，需要在許多情況下保持歐洲各國電力系統(tǒng)的靈活性。歐盟委員會認識到擴大抽水蓄能設施規(guī)模有助于應對歐盟面臨的挑戰(zhàn)。隨著電力系統(tǒng)過渡到越來越依賴可變的可再生能源發(fā)電。盡管歐盟在關于儲能系統(tǒng)在2030年和2050年時間框架報告確定了新建抽水蓄能設施在這兩個階段的巨大潛力，報告中提出的最佳方案并不表明抽水蓄能設施作為凈零電力系統(tǒng)的一部分，但將顯著增加其裝機容量。

3.2.11 中國抽水蓄能設施發(fā)展近況及現狀

中國大規(guī)模部署抽水蓄能設施始于2005年左右，并一直持續(xù)到現在。2002年，在電力行業(yè)重組并成立了兩家國家電網公司之后，政策制定者將抽水蓄能設施歸類為輸電系統(tǒng)的一部分，并將其建設和運營責任交給兩家國家電網公司。雖然人們普遍理解抽水蓄能設施在電網平衡中的作用，但中國在允許抽水蓄能項目通過傳輸電價收回成本方面是獨一無二的。

中國在2005年至2020年期間增加了24GW的抽水蓄能設施，并在2018年超過日本成為全球建設的抽水蓄能設施裝機容量最高的國家。截至2019年底，34個總裝機容量為45GW的抽水蓄能項目正在建設中——這是目前世界其他國家和地區(qū)抽水蓄能設施建設水平的五倍。政策制定者似乎對抽水蓄能設施的部署制定了越來越雄心勃勃的計劃。政府的“十三五”規(guī)劃（2016～2020年）設定了2020年抽水蓄能設施裝機容量為40GW的目標；這個目標后來增加到60GW。2019年的新聞報道表明，政府制定的2030年和2050年的抽水蓄能設施部署目標分別為150GW和300GW。

中國積極開發(fā)和建設抽水蓄能設施可能是由電力結構的特點推動的，這些特點增加了儲能系統(tǒng)的價值——尤其是天然氣發(fā)電的份額非常小。盡管抽水蓄能設施的裝機容量比世界上任何其他國家都多，但仍占中國總電力容量的不到2%。事實上，與其電力部門的規(guī)模成正比，中國對抽水蓄能設施的部署至今仍落后于日本、歐洲和美國。與此同時，中國的靈活調度能力嚴重不足，以至于中國電力公司一直在開展利用燃煤發(fā)電廠作為調峰機組的靈活性增強計劃。盡管為此目的改造未充分利用的燃煤電廠投資成本不高，但對環(huán)境的影響很大。抽水蓄能設施是一種更清潔的選擇，也可能與可變可再生能源和核電在未來發(fā)電組合發(fā)揮越來越大的作用相關。

中國有許多有利于抽水蓄能設施開發(fā)的制度。兩賓國家電網公司能夠同時為數十個抽水蓄能設施項目融資，并提供了電力行業(yè)為此類項目融資所需的長期確定性，而將抽水蓄能設施視為輸電設施也可以確保成本回收。

統(tǒng)一的計劃體系允許政府決策者實施非常長期的計劃。抽水蓄能項目是國家計劃的一部分。2014年，相關部門推薦59個抽水蓄能項目，總裝機容量為77GW。2017年，國家能源局公布了238個海水抽水蓄能項目計劃。在中國，對抽水蓄能設施的潛在場地進行技術、經濟和環(huán)境評估通常需要10年左右的時間。與大多數其他類型的能源基礎設施相比，抽水蓄能項目的選址過程也更加困難和耗時。例如，超高壓輸電線路通常在幾個月內就已在中國選址。然而，漫長的選址過程并沒有成為大規(guī)模部署的障礙。

中國對抽水蓄能設施的投資，可能是因為政府制定了長期的計劃和通過國家協調的選址計劃并盡早開始了這些過程。

在過去的二十年，國家電網有限公司和中國南方電網公司已成為全球最大的抽水蓄能項目開發(fā)商。他們具有開發(fā)多個項目的能力，并在標準化和經驗積累方面提供了一些優(yōu)勢。國家電網在抽水蓄能規(guī)劃、建設和運營的整個供應鏈中對設計和建設管理協議實現了標準化，并在一系列書籍中進行了報道。標準化帶來了更好的成本控制。大規(guī)模的抽水蓄能建設使電網公司能夠培養(yǎng)在抽水蓄能建設方面經驗豐富的勞動力。在中國以外的國家和地區(qū)的大型抽水蓄能項目經常遭受成本超支和延誤，部分原因是抽水蓄能設施和設備是按量身定制的方式設計、建造和制造的。相比之下，在中國，此類項目通常按時完成預算。事實上，高度可預測的抽水蓄能設施建設成本是中國獨有的，在世界其他地區(qū)尚未達到這一水平。

中國政府一直在緩慢而逐步地改革該國的電力部門，使其更加以市場為導向。國家發(fā)展和改革委員會(NDRC)于2021年5月7日宣布了一項關于抽水蓄能定價的新政策。根據該政策，抽水蓄能的“容量率”將包含在輸電電價中，而來自能源套利將由競爭決定。容量率將設置在一個水平保證資本成本回收。中國的“十四五”規(guī)劃（2021-2025年）重申了政府對抽水蓄能建設的持續(xù)承諾，并設定了到2025年運營抽水蓄能設施裝機容量達到62GW的目標。

3.2.12 抽水蓄能項目的商業(yè)模式和所有權結構

抽水蓄能項目需要大量的前期投資，但它們產生的價值分布在幾十年的生命周期中。因此，為這些項目融資需要穩(wěn)定的監(jiān)管和金融環(huán)境。根據定義，競爭性電力市場更具活力，因此提供的長期確定性較低。因此，競爭市場的參與者普遍不愿簽訂長期合同，這反過來又使項目開發(fā)商難以獲得融資。市場競爭還壓低了批發(fā)電價，這給具有大量前期資本需求的技術帶來了額外的挑戰(zhàn)。

此外，在競爭激烈的市場中，電力供應/價值鏈被分解為能源、容量（資源充足性）、平衡服務、輸電和配電的不同收入流。雖然抽水蓄能設施可以在供應/價值鏈上的許多點提供價值，但通常不清楚未來市場將如何組織，每個細分市場的供需平衡將如何影響有競爭力的價格，以及制度安排是否能夠實現儲能所有者捕獲所有價值流。在電力市場仍在發(fā)展的地方，對抽水蓄能等技術做出大規(guī)模長期承諾的風險將會非常高。

表3.3顯示了全球1999～2019年期間投產的抽水蓄能裝機容量，按業(yè)主類型細分。國有實體、垂直整合的公用事業(yè)、政府和地方當局在此期間啟動了所有項目。中國在建設抽水蓄能項目方面占據全球主導地位，還有其他一些國家的抽水蓄能設施裝機容量增長相對較快，例如西班牙和葡萄牙。

表3.3 1999年～2019年抽水蓄能項目開發(fā)商/業(yè)主

雖然沒有商業(yè)開發(fā)商成功建造大型抽水蓄能設施，但美國的獨立開發(fā)商正在積極尋求推進新的抽水蓄能項目。這些開發(fā)商通常處理選址和許可流程，然后嘗試與承購商簽訂抽水蓄能設施的服務合同，以確保可用作項目建設融資基礎的收入流。或者，開發(fā)商可以將完全選址和許可的項目出售給公用事業(yè)公司或其他可以融資、建造和運營的實體。盡管做出了這些努力，但尚未證明在競爭激烈的電力市場中開發(fā)抽水蓄能項目的可行且可復制的商業(yè)模式。

3.2.13 美國克服抽水蓄能設施開發(fā)障礙的前景

該報告討論的建模分析表明，長時儲能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的價值并不會支持大規(guī)模部署，直到需要非常高的脫碳水平。此外，雖然抽水蓄能設施在當今存在的長時儲能容量中占主導地位，但由于這些替代方案的成本也在下降，其未來相對于其他儲能選項（包括電化學、化學和熱選項）的吸引力尚不確定。

抽水蓄能設項目需要很長時間才能開發(fā)，面臨巨大的建設成本不確定性，并且使用壽命遠遠超過項目融資范圍?？赡苄枰獎?chuàng)新的商業(yè)和融資模式來克服這些障礙，并促進抽水蓄能設施的進一步發(fā)展。

抽水蓄能設施提供的套利、容量和輔助服務的承購協議跨越十年或更長時間，可以改善商業(yè)融資的前景。鑒于此類設施的使用壽命極長，可能值得探索新的方式讓尋求長期收入流的投資者參與進來。

垂直整合的公用事業(yè)公司在開發(fā)現有抽水蓄能設施中發(fā)揮了重要作用。雖然這種類型的公用事業(yè)結構不再普遍存在，但如果他們（及其監(jiān)管機構）看到其重要的價值來保證此類投資，那些垂直整合公用事業(yè)公司可能會在未來建設新的抽水蓄能設施。另一個挑戰(zhàn)是抽水蓄能設施只有在大規(guī)模建設和運營時才具有經濟效率。因此，即使在垂直整合的公用事業(yè)公司中，也很少有能力建設一個或多個大型項目。而規(guī)模較小的抽水蓄能設施項目的單位成本非常昂貴。

包括美國陸軍工程兵團、墾務局和田納西河谷管理局在內的聯邦實體在開發(fā)水電和抽水蓄能設施資源方面發(fā)揮了關鍵作用。在上世紀90年代之前。這些實體仍然擁有許多可以改裝為抽水蓄能設施設施的傳統(tǒng)水電設施。然而，除非利用現有的抽水蓄能設施，否則對其投資不太可能是合理的，直到現有抽水蓄能設施的利用率開始再次增加，并且其產生的價值的長期前景變得更加確定。

3.2.14 與抽水蓄能有關的總結發(fā)現和建議

人們普遍認為選址是美國部署抽水蓄能設施的主要障礙是一種誤解。美國在技術上可行的站點數量眾多，并且有許多選址/許可流程。在過去的20年已經規(guī)劃建設一些抽水蓄能設施。然而，由于未來需求和金融風險的不確定性，幾乎所有這些項目都被取消了。在競爭激烈的電力市場中，新建抽水蓄能設施的可行商業(yè)模式尚未得到證實。

當前需求不足和未來需求前景不確定是新建抽水蓄能設施項目的主要障礙。只要天然氣仍然是電網平衡的可用選擇，一般來說，抽水蓄能設施不太可能具有競爭力。對于美國和其他國家的許多現有抽水蓄能設施，其利用率呈下降趨勢。

中國大規(guī)模投資和建設抽水蓄能設施的原因是具備獨特的制度和監(jiān)管條件。要想在其他地方復制中國的經驗，即使可能也很困難。美國不太可能復制中國通過規(guī)模經濟和標準化實現低成本和可預測成本。因此，美國的抽水蓄能設施的成本可能仍將居高不下，預計會出現成本超支。

可以在不引入超支的情況下推進建設抽水蓄能設施的建議分為兩類：(1)技術中立的行動，減少關于未來角色的不確定性； (2)專門針對抽水蓄能設施問題的行動。

在國家和地方層面為電力部門脫碳制定合理的時間表將為電網規(guī)模儲能需求提供更大的長期確定性，從而對來自抽水蓄能設施和其他儲能投資的未來收入來源更有信心。此外，公用事業(yè)監(jiān)管機構和電網運營商應開發(fā)技術中立的競爭機制，使負載服務實體、輸電系統(tǒng)和系統(tǒng)運營商能夠參與承購抽水蓄能設施和其他儲能項目的服務協議。

談到針對抽水蓄能設施的具體行動，美國聯邦政府應考慮采取進一步措施來延長抽水蓄能設施許可證的有效期，以便開發(fā)商能夠隨著脫碳工作的進展而維持一份“準備就緒”的項目名冊。美國聯邦政府還可以將聯邦擁有的抽水蓄能設施私有化，以激勵有效利用。而拍賣這些站點將提供有關抽水蓄能設施資產轉售價值的有用信息，這有助于促進新項目的融資。最后，電力行業(yè)和金融機構應繼續(xù)努力為抽水蓄能項目開發(fā)新的商業(yè)模式和融資策略。

（未經允許，嚴禁轉載，不足之處，歡迎批評指正，未完待續(xù)）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（一）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（二）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（三）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（四）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來（五）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來之抽水蓄能（六）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來之抽水蓄能（七）

麻省理工學院能源計劃未來研究報告：儲能技術的未來之壓縮空氣儲能（八）

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