中國儲能網(wǎng)訊：抽水蓄能電站是一種利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站。作為一種成熟的儲能技術(shù)，抽水蓄能電站具有多種優(yōu)點，例如提高電力系統(tǒng)中火電站和核電站的運行效益;減少核電、火電或其它類型電源的裝機容量，改變能源結(jié)構(gòu)，等等。因此，全國各地都已建設(shè)不少抽水蓄能電站。
圖1 中國大中型抽水蓄能電站分布圖
圖2 某抽水蓄能電站實景
筆者認(rèn)為，抽水蓄能電站附近是一個適宜建設(shè)數(shù)據(jù)中心，也容易建成綠色數(shù)據(jù)中心的好地方。對于數(shù)據(jù)中心而言，抽水蓄能電站相當(dāng)于一個超級電池，夜里充好電，白天再把電給放出來，可以給數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)頻濾波和停電保護。同時，抽水蓄能電站由于有上下兩個容量很大的水庫，也相當(dāng)于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的兩個超大蓄冷罐或者蓄水池，其深層湖水可用于數(shù)據(jù)中心持續(xù)供冷(典型的抽水蓄能電站主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，紅線以下為死庫容深層湖水，可用于數(shù)據(jù)中心散熱需要。）
圖3 典型抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)
抽水蓄能電站實際上有多種優(yōu)勢適宜建設(shè)數(shù)據(jù)中心，以下將詳細(xì)介紹。
1、選址考慮
由于抽水蓄能電站對地質(zhì)條件要求非常高，因此選址的時候充分考慮了當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，地下巖石多為礫巖、砂巖等，無地震隱患、無臺風(fēng)、海嘯、龍卷風(fēng)、洪水、干旱等災(zāi)害，完全可用于數(shù)據(jù)中心建設(shè)。
典型的抽水蓄能電站多建設(shè)在植被良好的山區(qū)，因湖水比熱容大及良好植被覆蓋，整體環(huán)境溫度比周邊城市地區(qū)要低幾度。無季節(jié)性洪水，且附近多有天然小徑流水源，多具備良好湖水自凈能力，因此水體質(zhì)量通常較好。總體而言，電力充沛，氣候良好。
抽水蓄能電站投資龐大，相對應(yīng)的基礎(chǔ)配套也較為完善，比如滿足大型水電機組的運輸公路;宛如度假園區(qū)的湖光山色美景;配套的住宿、酒店、會議中心等等，土地儲備等也非常豐富，可擴展性好。此外，抽水蓄能電站也具備豐富的電力、水利人才，因此數(shù)據(jù)中心運營人力資源也非常豐富和穩(wěn)定。此外蓄能電站廠區(qū)安全性要求很高，數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)的安保及破壞風(fēng)險將很小。
2、數(shù)據(jù)中心供電的問題
雖然按照抽水4度電發(fā)電3度、年利用時間兩千小時估算，以及電站造價均攤、發(fā)電價格、加上合理的管理費用及利潤等，計算出來的峰電電價也要比電網(wǎng)平均電價便宜，但抽水蓄能電站的間歇性供電特性決定了不好直接從電站的發(fā)電機組來供電。混合式抽水蓄能電站周邊通常有常規(guī)水電站，或者純抽水蓄能電站周邊往往也有些小水電站(部分用于黑啟動)，可以獲得便宜且潔凈的水電等綠色能源，但目前國內(nèi)政策多不允許數(shù)據(jù)中心直供電?？紤]到蓄能電站發(fā)電的間歇性以及難以實現(xiàn)周邊水電廠的直供電，因此數(shù)據(jù)中心的電力基本還是要從大電網(wǎng)上獲得。當(dāng)然如果未來數(shù)據(jù)中心能夠獲得直供電政策，特別是采用分布式小水電來供電，既可以得到非常便宜的綠色能源，而且大大提升小水電的綜合收益，也不影響大電網(wǎng)的負(fù)荷和風(fēng)險，將是個多贏的局面。
雖然抽水蓄能電站數(shù)據(jù)中心的電力也是從大電網(wǎng)上取得的，但卻和普通數(shù)據(jù)中心的用電可靠性等級不太一樣。因為抽水蓄能電站上下水庫這倆超級儲能電池的存在大大提升了蓄能電站周邊電網(wǎng)的可靠性。不同于大型核電站和火電站需要很長時間的啟動時間，以及只能允許較小的負(fù)載波動特性，抽水蓄能電站具備快速啟動以及瞬間帶重載能力。當(dāng)任何電網(wǎng)的異常情況發(fā)生，抽水蓄能電站以及附近的水電站都可以在幾秒內(nèi)的時間快速起來恢復(fù)電網(wǎng)的持續(xù)供電，具有很高的供電可靠性，蓄能電站周邊的供電可靠性號稱達(dá)到4個9以上。因此供電可靠性可以得到大幅提升，甚至電站的快速啟動特性可大大降低柴油發(fā)電機容量，以及減少UPS電池備份容量的投資成本。
以廣州抽水蓄能電站一期電廠為例，年平均吸收低谷電量14.05億kW·h、調(diào)峰發(fā)電量10.8億kW·h;為電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相，平均每臺機年運行時間2217h，平均每臺機每天啟動2.25次;當(dāng)系統(tǒng)有事故周波低于49.8Hz時，平均每年緊急啟動16.5次。另外機組可靠性也是很高的;1999年，發(fā)電啟動成功率達(dá)99.8%;抽水啟動成功率達(dá)到97.7%。二期機組從靜止到發(fā)電滿載僅需2min，靜止至抽水滿載也僅需4min左右。這些快速啟動特性可以大幅減少柴發(fā)投資。
3、免費供冷的可行性分析
大型抽水蓄能電站的庫容高達(dá)幾千萬立方米，水庫最深處深達(dá)50-60米，而死水位深度通常多達(dá)30-40米，而這底下部分冷水常年擾動不大、水溫較低。而且某些純抽水蓄能電站的湖水沒有和河流直接連接，由于沒有季節(jié)性洪水的影響，加上庫區(qū)豐茂植被及小徑流泉水具備很強的自凈能力，水質(zhì)常年清澈見底，因此數(shù)據(jù)中心散熱可以采用死水位以下的常年低溫冷水，或者將數(shù)據(jù)中心建設(shè)在地勢比下庫水壩的低的地方，可直接利用大壩高差，進一步減少水泵等傳送功耗。
采用死水位底下的深層湖水，通常常年水溫都較低，典型的如4-12攝氏度，經(jīng)過簡單水處理后可直接用于板換給數(shù)據(jù)中心內(nèi)的空調(diào)末端供冷。被數(shù)據(jù)中心加熱后的溫水可以直接排放到湖水水面(高溫水浮在湖面上層)、水壩下方(如果有徑流加入)、遠(yuǎn)離取水口的灣區(qū)，或者電站的抽水口處被帶走(上庫可以當(dāng)成是超級冷卻塔)，可擇優(yōu)選擇。還可以采用更多的低溫冷水給數(shù)據(jù)中心加熱后的溫水降溫后再排放到抽水口附近帶走，以減少數(shù)據(jù)中心溫水對環(huán)境的影響。
當(dāng)然如果出現(xiàn)夏季高溫天氣，湖水溫度高于冷凍水溫度，則可以適當(dāng)配置少量冷水機組備用，以應(yīng)對短時高溫天氣。但由于相對較低的湖水溫度，冷水機組的容量和壓力可以大大降低。比如可以利用12-20℃湖水作為冷機冷卻水使用，通過降低冷機的冷凝溫度，COP的提升也在30%左右，節(jié)能效果也很明顯。且每年冷機只工作較少量時間，因此對整個數(shù)據(jù)中心的常年P(guān)UE影響較小，加上借用上下庫高差帶來可能的水泵功耗降低，在南方地區(qū)都有望實現(xiàn)1.2X的年均PUE。
圖4.利用湖水為數(shù)據(jù)中心進行冷卻
4、蓄冷及冷卻水補水、消防水池等
前面提到了抽水蓄能電站的大水庫，既是儲能供電的大電池，又是蓄冷的超級大冷池，可以提供快速供電和海量蓄冷能力。除此之外，水庫海量的庫容還是冷卻水的補水池(如果需要冷機度夏的話)，以及數(shù)據(jù)中心園區(qū)的大消防水池，因此可取消或者減少傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在蓄水池及消防水池方面的投資和場地占用。這些天然的地理優(yōu)勢也是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心園區(qū)不具備的有利條件。
5、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)[注]問題
我們知道用電負(fù)荷中心也多是人口中心，因為目前中國的大部分用電和人口都是在東部沿海地區(qū)，且目前絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心也是建設(shè)在東邊人口富集的地方。數(shù)據(jù)中心靠近用戶則傳輸延遲較小，網(wǎng)絡(luò)帶寬豐富，專線的建設(shè)成本較低。抽水蓄能電站是為負(fù)荷中心配置的，也基本多建設(shè)在東部地區(qū)，靠近用戶靠近現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點。以下圖珠三角區(qū)域為例，在南方網(wǎng)絡(luò)骨干超核心廣州周邊的200公里范圍內(nèi)匯聚了近億流動人口，幾千萬千瓦的用電負(fù)荷。以及240萬千瓦廣蓄、240萬千瓦惠蓄、136萬千瓦清遠(yuǎn)蓄、以及在建的120萬千瓦深蓄、新會蓄等一大批抽水蓄能電站，因此這些抽水蓄能電站都離骨干網(wǎng)很近，帶寬資源豐富、網(wǎng)絡(luò)延遲小、拉專線成本低等優(yōu)勢，甚至在抽水蓄能電站內(nèi)還可以直接租用電網(wǎng)豐富的電力光纖，就近連接到骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，很好的解決了抽水蓄能電站數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)方面的問題。
6、生態(tài)環(huán)保問題
抽水蓄能電站屬于工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，在電站勘測及建設(shè)期間已經(jīng)考慮了很多環(huán)保問題，因此采用庫區(qū)的工業(yè)湖水用于數(shù)據(jù)中心散熱，對環(huán)境的影響要比采用自然湖泊的環(huán)境影響要小很多，相比較每天水電站大體量抽水蓄能、放水發(fā)電循環(huán)，少量的數(shù)據(jù)中心用水總體環(huán)保的風(fēng)險較小。但如果數(shù)據(jù)中心采用長白山天池、千島湖、萬綠湖等湖水散熱(+微信關(guān)注網(wǎng)絡(luò)世界)，由于位于著名景區(qū)，且是生活水源，甚至是很多純凈水的水源地等，如果大量數(shù)據(jù)中心富集，需要仔細(xì)評估環(huán)境和政策的風(fēng)險。
7、數(shù)據(jù)中心運維問題
數(shù)據(jù)中心是個大而復(fù)雜的系統(tǒng)，如果規(guī)劃設(shè)計得足夠簡潔，且采用成熟的技術(shù)，那么運營起來問題就小很多，比如google的數(shù)據(jù)中心就很少采用太復(fù)雜的技術(shù)，只采用最為成熟和簡單的水系統(tǒng)加上完美的控制，同樣可以實現(xiàn)1.1X的超低PUE。同樣抽水蓄能電站內(nèi)的數(shù)據(jù)中心可以借用抽水蓄能電站的有利條件，采用高可靠電網(wǎng)的穩(wěn)定電力，以及無冷機、深層湖水自然散熱等，大大精簡了數(shù)據(jù)中心機電系統(tǒng)，架構(gòu)非常簡單，加上電站內(nèi)幾十年豐富工作經(jīng)驗的電力、水利人才對后期穩(wěn)定運營更是如虎添翼。最后，相比較數(shù)據(jù)中心10年左右的壽命，抽水蓄能電站長達(dá)幾十年的生命周期，足以讓數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行，且滿足未來更新?lián)Q代的需求。
8、風(fēng)能、太陽能等和抽水蓄能電站的結(jié)合
隨著全球能源儲備不斷減少，開發(fā)利用新能源得到了高度重視。目前，新能源以風(fēng)電和太陽能光伏發(fā)電為代表，因其可再生、環(huán)保而得到迅速發(fā)展。這些新能源的大規(guī)模開發(fā)都將導(dǎo)致發(fā)、用電之間的季節(jié)性差異和日內(nèi)時間差異矛盾更為突出，如太陽能光伏發(fā)電夏大冬小，中午高早晚低和西部地區(qū)(如青海)用電冬大夏小、早晚兩個用電高峰的負(fù)荷特性是直接相悖的。類似的，對于風(fēng)電而言，因為通常夜里的風(fēng)電較為豐富，而此時是谷電時間用戶負(fù)荷卻較小，如蒙西電網(wǎng)2010年投入的風(fēng)電容量僅為3600MW，但在冬季供暖期間，特別是在夜間，幾乎全部停機棄風(fēng)，以保證電網(wǎng)運行的安全，目前在蒙東地區(qū)大約只有三分之一的風(fēng)電容量能夠上網(wǎng)。根據(jù)對風(fēng)電的特性進行研究，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時段，棄風(fēng)率達(dá)到60%，而在其他時段棄風(fēng)不超過30%，這樣風(fēng)電95%的電量可以得到有效利用，也可以和抽水蓄能電站的工作時間匹配上，進一步加大了數(shù)據(jù)中心供電的綠色程度。
目前不同的儲能技術(shù)中，又以抽水蓄能電站的儲能投資收益最高，且技術(shù)成熟度最高。比如，廣州抽水蓄能電站的建設(shè)成本平均只有2500元/KW以內(nèi)，明顯低于世界同類電站水平。抽水蓄能電站良好的調(diào)節(jié)性能和快速負(fù)荷跟蹤能力，還可以有效減少風(fēng)電場等并網(wǎng)運行對電網(wǎng)造成的沖擊，提高風(fēng)電場利用率。對于太陽能，可通過抽水蓄能電站的蓄電池功能來實現(xiàn)能量之間的時間轉(zhuǎn)換，使發(fā)、用電曲線相互彌合。抽水蓄能技術(shù)可提高光伏發(fā)電和風(fēng)電運行的協(xié)調(diào)性及安全穩(wěn)定性，因此興建抽水蓄能電站將有助于推動風(fēng)電和太陽能等新能源的建設(shè)和發(fā)展。
隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)一路向西，向能源富集的西部地區(qū)發(fā)展，而西部地區(qū)有豐富的風(fēng)能和太陽能等綠色能源，伴隨著抽水蓄能電站在西部風(fēng)電和太陽能富裕地區(qū)的不斷建設(shè)，將會有越來越多的數(shù)據(jù)中心用上風(fēng)能太陽能等綠色能源。
結(jié)束語
基于抽水蓄能電站的數(shù)據(jù)中心有很多天然優(yōu)勢，可以獲得穩(wěn)定的綠色能源、免費的自然冷源、豐富的網(wǎng)絡(luò)資源及運維人才等，還靠近負(fù)荷中心及人口中心，且采用工業(yè)湖水沒有多少環(huán)保風(fēng)險，還可以更好利用風(fēng)能、太陽能等綠色能源用于數(shù)據(jù)中心。充分發(fā)揮部分地區(qū)高可靠供電及深層湖水制冷等有利條件，在節(jié)省數(shù)據(jù)中心投資情況下，還可以獲得較低的PUE指標(biāo)等，大幅降低數(shù)據(jù)中心的TCO。
雖然截至目前我國抽水蓄能電站已經(jīng)覆蓋大江南北，全國各地有了較多中大型抽水蓄能電站的分布，但抽水蓄能電站容量占全國發(fā)電裝機總量的比例還不到3%，未來還有很大的發(fā)展空間。這些分布在全國各地的抽水蓄能電站中，部分條件好的可以充分發(fā)掘利用其有利條件，適當(dāng)建設(shè)一定規(guī)模的數(shù)據(jù)中心?；蛘弋惖財?shù)據(jù)中心也可以結(jié)合抽水蓄能電站的各地分布，做全國性布局，在獲得很好經(jīng)濟效益的同時，也讓中國本土數(shù)據(jù)中心更具創(chuàng)新性和領(lǐng)先性，引領(lǐng)世界的新潮流。
