抽水蓄能水电站通过将水抽到高处储存电能，然后在水流返回时通过水轮机将电能释放出来。它是目前商业应用最悠久的电网级储能技术，其起源可追溯到19世纪90年代的欧洲阿尔卑斯山区。尽管电池储能技术在全球范围内迅速发展，但其装机容量仍然是最大的。这项技术在20世纪中期开始在全球范围内推广，用于平衡缺乏灵活性的核电基荷。在过去的二十年中，其功能已转向吸收风能和太阳能发电的波动性，而这一作用的核心物理原理仍然相同：通过可逆式水泵水轮机将重力势能转化为电能，反之亦然。
本文将从技术和经济角度全面介绍抽水蓄能技术：其基本物理原理和效率限制、实现可逆运行的机电架构、除简单储能之外，该技术提供的电网稳定性服务、其运行策略和收入机制、影响项目建设地点的环境限制、地下和海水抽水蓄能等新兴配置、监管其部署的框架，以及在对实际投资和规划决策至关重要的标准方面，与电池、压缩空气、液流电池、氢能和飞轮进行直接比较。
关键要点
- PSH 是历史最悠久、目前规模最大的电网级储能技术： 这项技术起源于 19 世纪 90 年代的阿尔卑斯山地区，即使电池部署加速，它仍然是全球装机容量占主导地位的储能技术。
它的物理原理很简单，但占地面积却非常庞大。储能与质量、重力和高度成正比（[latex]E = eta , m , g , h[/latex]），但由于水的能量密度远低于化学电池，因此抽水蓄能电站需要数百万立方米的储水库才能储存相当于一个仓库电池容量的储能。 - 水头与流量的关系决定了整个工程设计： 高水头山地电站使用紧凑型弗朗西斯式水轮机；低水头河道电站需要巨大的卡普兰式水轮机来输送大量的水——电站的地理位置决定了技术，而不是反过来。
- 往返效率通常在70%至85%之间，略低于现代技术。 锂离子 电池（85-95%），但 PSH 能将这种性能维持 50-100 年，而不是像电池那样在 10-20 年后就需要更换。
- 抽水蓄能器（PSH）的作用远不止储存能量——它还能稳定电网。其旋转质量提供物理惯性，实现快速频率调节，无需流动水即可作为同步调压器提供电压支撑，而且它是少数几种能够启动崩溃电网的技术之一。
- 它的作用已经从“削峰”转变为“波动平衡”。抽水蓄能电站最初是为了配合不灵活的核能基荷而建造的，如今主要吸收太阳能和风能的陡峭上升——最明显的是“鸭子曲线”——使其成为可再生能源并网的关键资产。
- 环境管理是首要的设计问题，而不是事后考虑的问题。 闭环 （离河）配置、泥沙控制、蒸发缓解和水质/热管理都会影响新建抽水蓄能电站项目的建设和许可地点和方式。
- 抽水蓄能电站的建设领域正在不断拓展。地下抽水蓄能电站（矿井、洞穴）、海水抽水蓄能电站、结合漂浮式太阳能和水库的混合能源园区以及小型模块化设计，都在努力克服抽水蓄能电站传统上对稀有、高差大的场地的依赖。
- 抽水蓄能（PSH）与其他储能技术相辅相成，而非相互竞争。它占据了长时、高可靠性、电网惯性储能的细分市场；电池则在快速响应和短时储能方面占据主导地位；氢能在季节性储能方面领先。未来的电网需要多元化的储能组合，而非单一的制胜技术。
基础与历史演变
抽水蓄能水电站（PSH），也称为抽水蓄能或抽水蓄能能源储存（PHES），是目前世界上历史最悠久、规模最大的电网级储能方式。其核心技术看似简单：在电力价格低廉或供应充足时，将水抽到高处的蓄水池中；在电力稀缺或价格昂贵时，则将水通过涡轮机释放到低处发电。 机械原理 一个多世纪以来，PSH一直是电网级储能的支柱，即使在电池成本快速下降的时代，它仍然是装机容量占主导地位的储能技术。
PSH 通常被非正式地描述为“水电池”。
与化学电池不同，化学电池通过活性材料的电化学键储存能量，而抽水蓄能电站则利用高处水体的重力势能储存能量。这种类比虽有其用，但并不完美：水电池不会像锂离子电池那样在数千次循环后发生化学降解，但它受限于地理位置、适宜的地形和水权，以及更大的占地面积和更长的建设周期。电池工厂的建设周期仅为两年，而抽水蓄能电站从最初的选址研究到最终投入使用可能需要十年甚至更久。这种部署速度与资产寿命之间的权衡，对于理解抽水蓄能电站在现代电网中的作用至关重要。
早期起源（1890年代–1920年代）最早的抽水蓄能电站于19世纪末出现在欧洲阿尔卑斯山区。瑞士、意大利和德国南部部分地区具备早期抽水蓄能电站得以发展的两大要素：一是地势起伏较大的山地，短距离内即可形成较大的海拔落差；二是新兴的电力工业正苦于应对持续的水力发电与波动的工业需求之间的不匹配问题。早期工业负荷主要由有轨电车、纺织厂和新兴的市政照明网络构成，其日间波动性很大，而当时许多径流式和湖泊式水电站的发电量则相对稳定。抽水蓄能提供了一种在用电低谷时段储存剩余电力，并在用电高峰时段重新调配的方法，从而无需额外增加燃料发电容量即可平抑这种不匹配。 以现代标准来看，这些第一代方案规模较小，通常采用单台可逆式或成对的水泵-水轮机装置，储能容量以数十兆瓦时而非数千兆瓦时计。尽管如此，它们奠定了至今仍定义这项技术的基本逻辑：利用廉价或剩余能源提升水，之后将部分能量回收转化为电力，并从这两个时间段之间的价值差中获利或以其他方式加以利用。 |
核时代的共生关系（1960年代至1980年代）这项技术的第一次大规模发展出现在二战后的几十年，当时各国重建经济并实现电气化，核电也成为重要的基荷发电来源。核电站从技术和经济角度来看都适合以恒定的输出功率运行；快速调节反应堆功率既会造成机械压力，也会造成经济浪费，因为与巨大的固定资本成本相比，燃料成本在核电站的总成本结构中只占很小一部分。这就造成了一个结构性问题：核电输出功率在恒定时效率最高，但电力需求却并非始终保持恒定。它在早晚高峰时段急剧上升，并在夜间降至低谷。 在此期间，抽水蓄能自然而然地成为核电基荷发电的理想搭档技术。法国、日本、美国和英国的电力公司建造了大型抽水蓄能电站，专门用于吸收核电（以及在较小程度上，煤电）夜间因经济原因无法降低发电量的剩余电力。这些原本会被削减发电量或亏本出售的剩余电力，转而被用于…… 泵 一夜之间，水被抽到高处。第二天，在早晚用电高峰期，储存的水被释放出来发电，有效地使核电站能够以高效的恒定功率运行，同时电网仍能获得与需求相匹配的可变功率。这种关系有时被称为“核电-抽水蓄能共生”，它解释了为什么像法国、日本和美国这样拥有大量核电站的国家，往往也在同一时期建造了大量的抽水蓄能电站。 |
可再生能源转型（21世纪）
自2000年代初以来，随着风能和太阳能发电的大规模部署，抽水蓄能的作用发生了显著变化。20世纪的应用场景是“削峰”——即平滑已知且相对可预测的日需求曲线与已知且相对可预测的基荷供应曲线之间的波动——而21世纪的应用场景则转变为“波动平衡”：吸收可再生能源发电量中难以预测的、受天气影响的波动。
例如，太阳能发电会在中午时分出现一个急剧的峰值，随后随着日落迅速下降，这往往与傍晚的用电高峰完全吻合。这导致了如今著名的“鸭子曲线”现象，尤其是在太阳能渗透率高的电网中，净需求（总需求减去可再生能源供应）在中午时分大幅下降，然后在傍晚时分急剧上升。与此同时，风力发电会根据天气系统在数小时或数天内发生显著波动，与用电需求模式的相关性很小。抽水蓄能技术能够吸收大量电力进行充电，并在几秒到几分钟内达到满负荷输出，因此已被证明非常适合应对这两种可再生能源驱动的波动模式，尽管该技术最初并非为可再生能源而设计。
全球分销
全球抽水蓄能容量分布图与上述历史脉络基本吻合。日本自20世纪60年代起，受其对核电的高度依赖以及多山地形的制约，建设了规模庞大的抽水蓄能电站，至今仍是全球最大的抽水蓄能市场之一。欧洲的抽水蓄能容量主要集中在阿尔卑斯山脉沿线国家（瑞士、奥地利、意大利）以及曾大力发展核电的国家（法国），此外，西班牙、德国和北欧国家也拥有相当可观的容量。美国在20世纪70年代和80年代建设了相当规模的抽水蓄能电站，其中大部分与当时的核电建设密切相关，主要设施位于阿巴拉契亚地区、太平洋西北地区和加利福尼亚州。近年来，中国凭借其庞大且快速增长的可再生能源装机容量以及国家层面大力推进电网平衡基础设施建设，已成为全球最大的抽水蓄能新建项目市场。
引力储能的物理学
能量密度建模
抽水蓄能的基本物理原理在于重力势能与电能之间的转换。储存在高于下方水库高度的水体的势能由经典的重力势能方程给出，并根据整个系统的往返效率进行调整：
| [latex]E = eta , m , g , h[/latex] |
在哪里
|
由于水的密度固定，约为每立方米 1,000 千克，因此该方程可以改写为以水库体积而非质量表示的形式，这对于工程和场地规划更有帮助：[latex]E = eta , rho , V , g , h[/latex]
其中，ρ 为水的密度，V 为水库间循环的水量。该公式直接揭示了抽水蓄能电站设计的核心权衡：
总储能能力与可用水量和水头高度成线性关系，这意味着水头高度翻倍的地方可以用一半的水库容积储存相同的能量，反之亦然。
这就是为什么高海拔地区（海拔落差可达 500 米至 1000 米以上）可以用相对较小的水库实现巨大的储能能力，而低水头地区则需要更大的水库容积才能储存相当多的能量。
与化学电池储能相比，抽水蓄能的能量密度明显较低。典型的锂离子电池系统每升电池体积可以储存数百瓦时的能量，而即使以高达85%的往返效率，将1立方米（1000升）水提升500米，也只能储存约1.16千瓦时的能量，即每升水大约储存1.16瓦时的能量。
- 正是由于体积能量密度的巨大差异，抽水蓄能才需要数百万立方米的水库和以平方公里计的占地面积，而储存相同总能量的电池装置可能只需要一个仓库就能装下。
- 权衡之处在于，PSH 的基本“活性物质”（水和重力）成本几乎为零且不会降解，而电池活性物质是人工制造的，循环寿命有限，并且会随着降解而持续产生资本成本，最终需要更换。t.
实用小贴士： 从零开始规划项目规模时，与其从固定的水库容量出发，然后推算出相应的能量容量，不如反推能量方程，根据目标能量容量和候选场地的可用水头，求解所需的水库容积，这样更为有效。实践中，选址几乎总是从“我们有多少水头？”这个问题开始，因为水头受地理因素决定，而水库容积是土木工程师可以通过坝高、坝体开挖或占地面积等方式进行调整的唯一变量。
位于弗吉尼亚州的巴斯县抽水蓄能电站是世界上最大的抽水蓄能电站之一，其扬程约为 380 米，总水库容积足以支持约 3000 兆瓦的发电容量和约 24000 兆瓦时的储能容量。这表明，相对适中、非极端的扬程，如果与非常大的水库相结合，仍然可以提供与有史以来建造的最大电池储能装置相当的公用事业规模的储能，但持续时间以小时计算，而不是电网级电池项目典型的 1 到 4 小时。
“头部与流量”的关系
除了总储能之外，抽水蓄能电站的功率输出（即其输送能量的速率）取决于另一个关系：水头与流经水轮机的水流量的乘积。其表达式为：[latex]P = eta , rho , g , h , Q[/latex]
其中，P 为瞬时功率（单位：瓦特），Q 为体积流量（单位：立方米/秒）。该方程决定了抽水蓄能式抽油烟机设计中最关键的工程决策之一：采用高水头还是低水头配置，以及由此选择相应的涡轮技术。
高水头系统通常指高差超过约150至200米的场地，由于功率方程中的水头项发挥了主要作用，因此即使流量相对较小，也能产生可观的电力。这使得可以使用更小、转速更快的涡轮机和更小直径的压力管道（将水输送到涡轮机的加压管道），从而降低水路基础设施的单位装机容量资本成本。尽管高水头场地通常位于山区，增加了隧道和土建工程的成本，但高水头系统仍然具有优势。弗朗西斯式可逆水泵水轮机是此类水轮机的主流，因为其径流式设计能够高效地处理高压。
低水头系统通常位于河流或地势平坦、高差小于30至50米的地区，由于水头对发电量的贡献相对较小，因此必须输送大量的水才能获得可观的发电量。这就需要使用大直径、低转速的轴流式水轮机，最常见的是经过改造以适应可逆式水泵水轮机运行的卡普兰式水轮机，或者在一些极低水头的应用中使用球形水轮机。低水头电厂的水道和厂房占地面积通常相对于其发电量而言较大，但它们可以建在没有陡峭山地的地区，从而拓宽了抽水蓄能电站的适用地理范围。介于这两种极端情况之间的中水头电厂（通常在50至150米之间）也经常使用弗朗西斯式水轮机，但其转轮的具体几何形状与高水头电厂有所不同，以平衡电厂预期运行流量范围内的效率。
基本经验法则： 在可行性研究阶段粗略比较竞争场地时，经验丰富的开发商倾向于在进行详细的工程研究之前，先快速进行水头与距离比率的筛选计算；高于大约 1:10 的比率（水库之间每 10 米水平距离对应 1 米垂直水头）通常被认为是有吸引力的，因为它可以控制水道隧道或引水管的长度，从而控制土建成本，使其相对于所获得的水头而言是可控的。
循环的热力学
实际的抽水蓄能循环无法达到基本势能方程所描述的理想能量转换效率。在抽水发电循环的多个阶段都会发生能量损失，了解这些损失发生的位置对于理解电站设计以及该技术的实际性能极限至关重要。
- 最大的损失类别是流体摩擦，它发生在水流经引水管、隧道以及水泵水轮机内部通道时。摩擦损失与流速的平方成正比，这意味着在给定管道中，流量翻倍，摩擦损失大约会增加四倍。 压力 这就是为什么水路设计者倾向于建造更大直径的隧道和引水管，即使它们的挖掘或建造成本更高，因为数十年的运行所避免的能量损失通常足以抵消前期较大的资本支出。摩擦损失存在于泵送方向和发电方向，这意味着它会双重降低往返效率：一次是因为电厂需要比理论上所需的更高的功率才能将水向上输送；另一次是因为部分水的势能以热能的形式散失，而不是在回流过程中转化为电能。
- 第二类损耗发生在机电转换链本身：水泵-水轮机转轮内的液压损耗（叶片几何形状无法在所有运行点完美匹配流况）、轴承和密封件的机械损耗，以及发电机-电动机绕组、变压器和相关开关设备的电气损耗。在设计良好的现代电厂中，这些损耗通常比水路摩擦损耗小，但仍然相当可观，尤其因为同一台机器必须在两种截然不同的运行模式（抽水和发电）下高效运行，而这两种模式的最佳叶片角度和流量特性又各不相同。
- 第三类损失较小，是开放式储罐表面的蒸发。这并非传统意义上的能量转换效率损失，而是工作流体本身的损失。尽管如此，它仍然会减少可用于后续循环的净能量，并需要定期补充水。这种损失与具体地点和气候密切相关，在凉爽潮湿的气候下几乎可以忽略不计，而在干旱地区则会成为一个严重的运行和环境问题，这一主题将在后续章节中进行探讨。
往返效率 (RTE)
所有这些损耗的累积效应体现在往返效率指标中，该指标通常简称为“电-水-电”效率，指的是抽水过程中从电网吸收的电能最终在发电过程中返回电网的比例。现代化的、设计良好的抽水蓄能电站通常能达到70%至85%的往返效率，其中采用先进可逆式水泵水轮机的现代化变速电站的往返效率更高，而老旧的定速电站或选址欠佳的电站的往返效率则接近较低水平。
这一效率范围表明，抽水蓄能与现代锂离子电池系统的往返效率大致相当，尽管通常略低于后者。现代锂离子电池系统的单电池往返效率通常在 85% 到 95% 之间（系统级效率，包括逆变器和热管理损耗，会略低一些）。然而，这种比较并非仅仅关乎效率：
- 抽水蓄能电站可以在运行期间保持这种效率。 寿命 民用基础设施的使用寿命通常以数十年为单位，通常为 50 至 100 年，期间需要定期翻新机电部件；而电池系统的容量和效率会在较短的循环寿命内逐渐下降，通常以数千次循环或 10 至 20 年为单位，之后就会出现明显的容量损失，需要更换电池。
- 抽水蓄能电站几乎可以无限期地储存能量（即水）。
提示： 在评估电厂公布的往返效率数据时，务必检查该数据是在设计流量点还是在整个运行范围内取平均值得出的，因为水泵水轮机在部分负荷下效率会显著降低；一台额定满负荷下往返效率为 80% 的机组，在额定流量的 40% 运行时，其效率可能接近 70%，这对于越来越多地被要求跟随可变可再生能源输出而不是在固定设计点运行的电厂来说，意义重大。
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常问问题
抽水蓄能水电站的工作原理究竟是什么？
在电力需求低谷或发电过剩时期，水从低位水库被抽到高位水库，以重力势能的形式储存起来。当需要电力时，这些水通过水轮机向下释放，将势能转化为电能；在大多数现代电厂中，一台可逆式水泵水轮机即可完成双向供水，而无需使用两台独立的机器。
抽水蓄能与电池相比效率如何？
抽水蓄能电站通常能将抽水期间消耗的70%至85%的电力回收利用，略低于锂离子电池单体85%至95%的往返效率。然而，随着时间的推移，这种差异在实际应用中的重要性会逐渐缩小，因为抽水蓄能电站可以保持这种效率长达50至100年，而电池则会逐渐衰减，通常仅使用10至20年后就需要完全更换。
为什么抽水蓄能电站不能建在任何地方？
与几乎可以安装在任何有电网连接的地方的蓄电池不同，抽水蓄能项目需要两个相距较大、高差显著的水库，稳定的地质条件能够支撑大坝和隧道，以及可靠的初始蓄水和后续补水水源。这些地理条件的综合要求意味着，全球范围内真正适合新建抽水蓄能项目的地点非常有限。
抽水蓄能电站项目需要多长时间才能建成？
从初步可行性研究到环境许可、详细工程设计以及大坝、隧道和发电厂的土建施工，一个典型的项目从规划到商业运营通常需要五到十年甚至更长时间。这一漫长的周期与电池项目形成鲜明对比，电池项目通常可以在两年内完成从规划到部署的转变。
抽水蓄能比电池储能更好吗？
与其说某一种技术绝对优越，不如说每种技术都适用于不同的电网需求。抽水蓄能的优势在于能够持续数小时输送大量电力，并具有卓越的长期可靠性和电网稳定性；而电池的响应速度极快，可在毫秒内完成，且选址更为简便，因此更适合短时、快速响应的应用场景。
抽水蓄能电站可以储存能量多长时间？
发电厂的放水持续时间取决于其水库蓄水量与其发电能力的比值，但大多数发电厂的设计都能维持满负荷运转四到十二个小时。一些超大型水库的放水时间更长，可以支持数天的发电，之后才需要重新蓄水。
抽水蓄能会对环境造成影响吗？
是的，尤其是在与天然河流相连的地点，其影响可能包括干扰鱼类洄游、改变泥沙输送以及改变下游生态系统赖以生存的自然水流模式。炎热或干燥气候下的水库还会因蒸发而损失水量，这也是开发商越来越倾向于采用与天然水道隔离的闭环式设计的原因之一。
除了储能之外，抽水蓄能还能为电网提供哪些帮助？
除了储存和释放电力之外，抽水蓄能电站核心的大型旋转发电机还能有效抵抗电网频率的突然波动，无需任何水流即可维持局部电压水平，甚至在发生大规模停电后还能重启完全断电的电网。大多数电池系统由于缺乏相同的旋转质量，只能部分地复制这些稳定功能。
为什么抽水蓄能技术在历史上与核电密切相关？
核反应堆以恒定功率持续运行效率最高、安全性最佳，因为频繁的功率升降既会造成机械应力，又会造成经济浪费。抽水蓄能电站与核电站配套建设，专门用于吸收核电站夜间产生的剩余电力，并在早晚用电高峰期释放这些储存的能量，以满足核电单靠自身发电量无法满足的用电需求。
什么是海水抽水蓄能或地下抽水蓄能？
这些是旨在克服传统抽水蓄能电站地理限制的新型场地配置方案。海水抽水蓄能电站利用海洋本身作为下水库，从而可以在缺乏合适内陆地形的沿海和岛屿地区建设；而地下抽水蓄能电站则利用废弃矿井或开挖的洞穴作为下水库，使得项目可以在地势较为平坦的地区建设，而无需占用大量地面土地。
常用术语表
Advanced Encryption Standard (AES): 由美国国家标准与技术研究所建立的对称密钥加密算法，采用密钥大小为 128、192 或 256 位的分组密码，旨在通过替换和排列过程保护电子数据的安全。
Compressed-Air-Energy Storage (CAES): 一种通过在地下洞穴或容器中压缩空气来储存能量的系统，在需要时释放能量来驱动涡轮机发电，从而有效地平衡电网的供需。
Computer-Aided Engineering (CAE): 一套协助工程分析和设计过程的软件工具，通过数值方法和建模技术实现产品性能的模拟、优化和验证。
Pumped Hydroelectric Energy Storage (PHES): 一种利用过剩电力将水抽到更高处储存能量的方法，当需求增加时，再将水释放出来通过涡轮机发电。
Pumped-Storage Hydroelectricity (PSH): 一种利用多余的电力将水抽到更高处储存能量的方法，之后可以在用电高峰期通过让水流回涡轮机来发电。
Uninterruptible Power Supply (UPS): 在停电期间为连接设备提供应急电源的设备，确保设备持续运行并防止电压波动。它通常包含电池、逆变器和充电系统，以维持电源供应和稳定性。
