科學研究：為推動可再生能源計劃，澳大利亞將目光放在水和重力上


圖片來源：Pixabay
去年，由於氣候變化而引發的火災出現在澳大利亞各地，造成巨大破壞。現在，水有可能能夠幫助澳大利亞避免將來更糟糕的事情發生，而不僅僅是熄滅大火。
澳大利亞一家公用事業公司草擬了一份計劃，打算將該國的可再生能源電力與幾十年來的水力工程技術結合起來。
如果成功，這個設計可以幫助解決可再生能源的最大瓶勁之一，即找到一種方法將風力渦輪機和太陽能電池板產生的多餘能量儲存起來。關鍵是，對於全球應對氣候變化來說，這個方法還可以減少澳大利亞對煤炭的依賴。也就是說，“國家電池組”或許能夠建成。
這個概念本身很簡單，即在電力需求小的時候使用多餘的可再生能源電力將水泵高，然後在電力需求高的時候將水從高處通過渦輪發電機釋放回低處，這樣既可滿足額外的電力需求又可盈利。一般係統包括兩個獨立的水庫，其中一個的海拔更高。它們通過泵和管道連接在一起，水會在晚上的時候循環回到更高海拔的水庫中，將其作為一個儲庫。
這項技術在上世紀60年代首次投入商用。幾十年來，美國、日本和歐洲都一直在使用抽水蓄能來提高核電站的經濟效益，因為核反應堆自身無法根據電力需求便捷地擴大或縮小發電規模。挪威科技大學一項2013年的研究稱抽水蓄能是“目前唯一一種成熟的並廣泛商用的可再生能源儲存方式”。
目前，全球抽水蓄能裝機容量約為1300億瓦，其中三分之一在歐洲。根據美國能源部的數據，抽水蓄能解決了美國公共事業95%的儲電量。塔斯馬尼亞水利（Hydro Tasmania）是位於澳大利亞南部主要島嶼的公共事業公司，它希望踐行抽水蓄能這一理念。
該公司想建造一個大型抽水蓄能係統，夜間未充分利用的風力驅動水泵將水抬升到更高的海拔。當風力減弱時，水會從高海拔通過渦輪機釋放電力，幫助保持電網穩定。

抽水蓄能電站的工作模式。圖源：美國能源部的能源效率與可再生能源辦公室（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）
塔斯馬尼亞水利負責國家電池組計劃（the Battery of the Nation）的主管Christopher Gwynne說，抽水蓄能係統，比如他正在負責的這個，是澳大利亞政府采取更廣泛計劃應對氣候變化的基礎。澳大利亞的計劃正是通過逐步淘汰“高碳”發電（特別是燃煤發電廠）實現的。
Gwynne解釋說：“澳大利亞大陸各州正在從燃煤發電過渡到主要依靠風能和太陽能的發電係統。這一轉變在國家層麵上麵臨的挑戰是如何在係統中儲存足夠多的電力。我們需要確保風能和太陽能產生的電力在維多利亞、南澳大利亞或新南威爾士州有足夠多的存儲，使我們有可靠和安全的電力供應。”
抽水蓄能還沒有與水力發電以外的可再生能源進行大規模配套使用，但塔斯馬尼亞水利和其它公司想要花費數十億美元去實現它。
水力發電在塔斯馬尼亞已經很成熟，可以滿足島上大部分的電力需求。風力發電的占比也正在增加。在兩到三年內，塔斯馬尼亞可能成為澳大利亞第一個實現完全零碳排放電力網絡的州，從而不再需要從大陸輸入煤電。
但塔斯馬尼亞還想走得更遠。提議包括了新的海底電纜、更多的水力發電量和新的抽水蓄能係統。規劃人員相信，通過這些，該島可以幫助澳大利亞其它州增加無碳風能和太陽能的發電量，且不會給電網帶來不穩定的風險。
如果這一願景得以實現，那麽國家電力係統將從主要依靠燃煤發電轉向主要依靠風能和太陽能發電。這一願景需要國家電池組計劃和新的海底互聯來實現。
Gwynne說：“如果你不知道互聯係統即將到來，你肯定不會投資水力發電資產，但是互聯係統是否成功又取決於這些投資將給市場帶來的價值。所以事實上，我們試圖解決一個“先有雞還是先有蛋”的難題，以推進整個計劃。”


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抽水蓄能由於其優越的儲電能力，正在取代更多的電網蓄能電池。Gwynne估計，目前最好的商用電網電池最多隻能使用4到6個小時。塔斯馬尼亞水利公司所計劃的抽水蓄能係統則可以提供超過12小時的備用能源儲存。
2013年挪威的一項研究認為抽水蓄能係統可以“儲存多個時間尺度的能源，從從幾個小時到幾年。”該係統的使用壽命也將遠遠長於電網連接的化學電池。抽水蓄能係統的使用年限為50到100年。
國家電池組計劃將是一個巨大的能源項目。該係統的海底電纜部分被稱為Marinus Link，其中包括了兩條線路，能夠將1500兆瓦的額外電力從島上輸送到澳大利亞大陸。Marinus Link將由電力傳輸公司TasNetworks耗資約30億美元建造。
總理Scott Morrison在發表的國情谘文中宣布，政府將加快審批Marinus Link，並將該項目列為他的首要政務之一。澳大利亞政府在Marinus Link的設計和審批階段已經投入了約4千萬美元。
TasNetworks的首席執行官Lance Balcombe在一份新聞稿中讚揚了總理的支持。Balcombe說：“塔斯馬尼亞擁有巨大的風力資源和水力資源，在抽水蓄能和氫氣生產方麵也有潛力。隻有通過建設Marinus Link，才能充分發揮其全部潛力。”
塔斯馬尼亞水利公司想要加強其現有的水力發電基礎設施，為Marinus Link互聯係統提供更多的電力。該公司相信，額外修建一座更高海拔的水庫、新增渦輪機裝機容量和新建地下抽水網絡，可以幫助整個塔斯馬尼亞島更好地利用可再生能源發電並向澳大利亞大陸傳輸大量過剩的零碳電力。國家電池組計劃大約需要耗費10億美元。
國家電池組計劃得到了澳大利亞政府和塔斯馬尼亞政府的全力支持，並開始吸引投資者的興趣。這並不是澳大利亞正準備投入的唯一一個大型抽水蓄能計劃。
新南威爾士州的雪山水電公司（Snowy Hydro）正在推進其“雪山2.0”（Snowy 2.0）抽水蓄能擴建項目。該公司計劃通過一個地下電力和抽水係統將兩個已有的相距超過15英裏的水庫連接起來，在電力需求較低的時期，再次利用未得到充分利用的可再生能源將水抬到海拔較高的水庫。
雪山水電公司稱其項目為“澳大利亞最大的可再生能源項目”，並表示最早將於2025年開始運營，從那時起將不斷增加發電量直至達到2000兆瓦。雪山2.0的建設可能耗資近30億美元，但雪山水電公司表示，在從澳大利亞政府爭取到10億美元的投資後，它就致力於推動此項目了。
還會有更多的計劃將被實施。澳大利亞國立大學2017年的一項研究得出的結論是，整個澳大利亞僅需要36平方公裏的水庫來存儲電力，就可以實現100%使用可再生能源發電。澳大利亞國立大學的研究人員認為，“而這隻是現有人工水庫的一小部分。”
澳洲能源市場運營商（Australian Energy Market Operator, AEMO）正忙於將新的大規模抽水蓄能計劃納入澳大利亞新的長期綜合係統計劃（Integrated System Plan，ISP），致力於通過更高水平的風能發電和太陽能發電來大規模改造電網。澳洲能源市場運營商最新的ISP草案預計於下個月發布。
Gwynne說，如果審批順利且資金到位，國家電池組計劃和Marinus Link項目將在本世紀20年代後期投入運營。看起來他對計劃會順利進行是有信心的。
他說：“隨著我們進一步推動可再生能源發電，我認為市場現在已經意識到抽水蓄能這種‘電池’將在技術整合的過程中發揮關鍵作用。”
他補充說，抽水蓄能的“關鍵作用”之一是深度蓄能，即儲存能量超過12小時的能力。他說：“能源利用的轉變越深入，可再生能源的普及率越高，所需的儲能時間就越長。”
作者：Nathanial Gronewold
翻譯：黃灝
審校：曾小歡
引進來源：科學美國人
引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/to-boost-renewable-energy-australia-looks-to-water-and-gravity/


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