《科学》封面：抽水蓄能水电站，不新但很重要

 这个故事的一个版本出现在《科学》杂志第383卷第6681期。

将田纳西州的浣熊山变成世界上最大的储能设备之一的机器——实际上，是一种可以为中型城市供电的电池——隐藏在山深处一个大教堂大小的洞穴中。但是，是什么让这座山能够储存所有这些能量，这在航拍照片中是显而易见的。山顶高原被一个高悬在田纳西河上方的大湖所占据，如此之近，看起来它可能会掉进去。

大约半个世纪前，该地区联邦拥有的电力公司田纳西河谷管理局 （TVA） 建造了该湖并炸毁了洞穴以及连接两者的 329 米高的竖井。“钻进这座山是相当费力的，因为这里有大量的岩石，”高级经理Holli Hess干巴巴地说。洞穴里有一个糖果色的发电站，里面装满了樱桃红色的电线管道和通风口，以及浅葡萄色的横梁。四个巨大的圆柱体，涂成亮绿色和黄色，是关键的机器：每个圆柱体都装有一个涡轮机，当它向另一个方向旋转时，它就会变成一个泵，还有一个发电机，也是一个电动机。

 到了晚上，当电力需求较低但TVA的核反应堆仍在嗡嗡作响时，TVA将多余的电力储存起来，将其作为重力势能储存在山顶湖中。这些水泵从田纳西州抽水，然后以不到 6 秒的速度将水直接射入 10 米宽的竖井中。白天，当电力需求达到峰值时，水会从竖井中排回并旋转涡轮机，产生 1700 兆瓦的电力——一个大型发电厂的输出，足以为 100 万户家庭供电。湖储存了足够的水，因此有足够的能量来做到这一点 20 小时。

抽水蓄能水电，正如这项技术所称的那样，并不新鲜。美国约有40家工厂和全球数百家工厂在运营。大多数，如浣熊山，已经抽水了几十年。

 但气候危机正在引发新一轮的兴趣。将电网从煤炭和天然气中转移出来，不仅需要更多的太阳能电池板和风力涡轮机，还需要更多的容量来存储其间歇性输出，以便在太阳不照耀和风平浪静时保持电力可靠。电动汽车中锂离子电池的巨型版本也部署在电网上，但它们太昂贵了，无法单独完成这项工作。数十种新技术，包括不同的电池设计，正处于从实验室工作台到商业化的不同阶段。

 然而，抽水蓄能已经到来;它为超过 90% 的现有电网存储提供电力。根据全球能源监测的数据，中国是可再生能源领域的全球领导者，在抽水蓄能方面也处于领先地位，有66座新电站正在建设中。当北京附近的巨型凤宁电厂今年启用其最后两台涡轮机时，它将成为世界上最大的涡轮机，无论是电力方面，还是12台涡轮机，可产生3600兆瓦的电力，以及储能，其上层水库的储能能力接近40,000兆瓦时。

在19世纪末发明抽水蓄能的阿尔卑斯山，瑞士于2022年开设了一家名为Nant de Drance的工厂，该工厂可以提供长达20小时的900兆瓦电力。奥地利也有雄心勃勃的计划。在澳大利亚，已经在建的两座新工厂之一将成为新的能源记录保持者，其储存量足以为300万人提供1周的能源。它被称为Snowy 2.0，计划于2029年开放。

“当人们谈论电池时，这些都是小事，”澳大利亚国立大学的安德鲁·布莱克斯（Andrew Blakers）说，他是太阳能电池的先驱，后来成为有影响力的抽水蓄能传播者。“而人口比加利福尼亚还少的小澳大利亚，正在建设一个抽水蓄能系统，其规模将超过全世界所有公用事业电池的总和。布莱克斯说，这并不是说澳大利亚在地理上特别得天独厚。根据卫星数据，他和他的团队编制了一份全球地图集，显示了各大洲大约有100万个站点在技术上适合抽水蓄能。

田纳西河谷管理局浣熊山工厂的地下发电站包含四个可逆涡轮机（绿色圆柱体），其功率足以将水直接泵入 329 米高的竖井，并在水下降时产生高达 1700 兆瓦的电力。

即使在自 1990 年代以来没有建造大型抽水蓄能设施的美国，联邦政府也在提供鼓励。美国能源部 （DOE） 实验室国家可再生能源实验室 （NREL） 2022 年的一项研究确定了 14,000 多个“闭环”工厂的潜在地点，其中两个水库都位于河外，以尽量减少对环境的影响。2022 年《通胀削减法案》为抽水蓄能提供了慷慨的税收抵免，就像对可再生能源一样。TVA已经开始了可能长达十年的过程，以建造另一个像浣熊山这样的设施。

美国联邦能源监管委员会（FERC）已经向希望对潜在抽水蓄能场地提出索赔的公用事业和开发商发放了数十份初步许可证，其中大部分位于西部山区。三家开发商已经完成了昂贵的多年过程，以获得 FERC 许可证，这意味着他们的项目已经准备好了。但目前还没有一个国家开始建设，目前还不清楚美国是否会分享全球繁荣。

这些大型项目对土地和环境的影响是原因之一。但更大的问题是，抽水蓄能是一项巨大的长期投资——根据NREL最近的估计，大型电厂的投资额超过20亿美元——而在美国电力市场，这项投资的回报是不确定的。“银行家、投资者和公用事业公司都在想，'我知道这里有很大的价值，但我能量化它吗？'”美国能源部阿贡国家实验室的经济学家帕特里克·巴尔杜奇（Patrick Balducci）说。“'这只是为了减少排放，提高可靠性，造福整个地区的每个人，而我从来没有因此得到报酬？'”

当TVA建成时1970年代的浣熊山，抽水蓄能的情况更简单。当时，该机构还在建造核反应堆，这些反应堆设计为24/7全天候运行。浣熊山可以在电力便宜的晚上抽水，在白天电力昂贵的时候再生。这种“能源套利”的经济效益是显而易见的，并推动了许多其他抽水蓄能电站的建设。

今天，随着风能和太阳能的发展，基本原理已经发生了变化。电网运营商越来越需要储能来应对其核心挑战：平衡电力供应与每分钟、每一天和每一季的需求波动。他们现在主要通过调整化石燃料工厂的发电量来做到这一点，这些发电量可以根据需要打开和关闭。风能和太阳能不是这样“可调度”的;事实上，他们反复无常的潮起潮落加剧了平衡问题。但储存的能量可以帮助将可再生能源与需求相匹配，并允许煤炭和天然气电厂退役。

目前，锂离子电池正在满足这一需求。在加利福尼亚州等地，他们开始取代公用事业公司打开的天然气“峰值”工厂，以满足下午晚些时候到来的需求高峰，就像太阳能开始下降一样。为此，NREL高级研究员Paul Denholm说，在几个小时内提供几百兆瓦的额外电力，锂电池电厂比抽水蓄能电厂更便宜、更容易、更快捷。

但是，几个小时的储能并不能在完全脱碳的电网上削减它。Denholm说，特别是冬季，将对可再生能源征税。随着人们从燃气热泵转向电热泵，冬季的电力需求可能开始与空调引起的夏季高峰相媲美。但是，夏季高峰通常会在几个小时内消退，因为夜幕降临会带来缓解，而由寒流引发的冬季高峰可能会持续更长时间。

“归根结底，存储需求不是由夏季下午的空调高峰驱动的，”Blakers说。“这是由冬季潮湿、无风的一周驱动的。试着用电池来做到这一点。随着您添加的模块越来越多，每个模块都和上一个模块一样昂贵，成本最终会变得令人望而却步。

美国能源部太平洋西北国家实验室的杰里米·特威切尔（Jeremy Twitchell）和他的同事们模拟了如果加州仅仅依靠扩大太阳能和风能来实现到2045年实现无碳电网的目标，加州将如何发展。他们发现，近五倍的扩张足以满足每年的需求，但这将导致巨大的暂时过剩和短缺，包括高达30吉瓦的赤字，即15座胡佛水坝的产量。平均短缺将持续近15个小时。

“这表明，在脱碳电网中，长期储能是绝对必要的，”Twitchell说。

布莱克斯在太阳能电池方面做了开创性的工作，并帮助加速了向可再生能源的转变。但他认为，各国在确信电网将保持可靠之前，不会完全接受绿色能源。2015年，他放弃了光伏工作，全身心地投入到一项技术上，他说这项技术可以胜任这项任务，而且现在就可以使用。“那是抽水蓄能。其他一切都是挥舞手臂。

他自己国家的领导层对此深信不疑。澳大利亚是世界领先的煤炭出口国，仍然依赖煤炭本身，它承诺到2030年从可再生能源中获得82%的电力，在短短7年内将可再生能源产能增加一倍以上。为了实现这种扩张，政府还在抽水蓄能方面投入巨资。事实上，比它所希望的更严重：新南威尔士州庞大的Snowy 2.0项目一直受到延误和成本超支的困扰。

该地点位于国家公园内，已经有两个不同海拔的大型水力发电水库，只需要通过隧道连接即可。但这条连接线长达27公里，这增加了地质意外的风险。果不其然，Snowy 的三台隧道掘进机中的一台几乎整个 2023 年都卡在距离起点不到 200 米的软岩中。今年夏天，政府宣布该项目的成本已激增至120亿澳元。

尽管如此，Snowy 2.0将存储350,000兆瓦时 - 是凤宁容量的九倍 - 这意味着它提供的每一千瓦时将比电池所能提供的成本便宜得多，Blakers说。然而，他的地图集显示，澳大利亚有许多比Snowy 2.0在技术上更理想的地点。

理想的位置是使两个储层之间的垂直距离（“水头”）最大化，同时最小化水平距离。“当你追求更大的水头时，一切都会变得更好，因为水的压力更大，”布莱克斯说。将水头增加一倍，您可以将功率容量和储存的能量增加一倍，或者缩小水库、隧道和涡轮机。

在澳大利亚最大的产煤州昆士兰州，政府成立了一个特殊组织昆士兰水电公司（Queensland Hydro）来建设抽水蓄能。去年，它宣布将投入142亿澳元，在布里斯班以北1小时车程的博伦巴湖上建造一座2000兆瓦、24小时的工厂，并投入2.73亿澳元用于调查Pioneer-Burdekin，这是更北的第二个地点，已成为Blakers地图集的最爱。

“这是一个非凡的地点，确实如此，”昆士兰水电公司负责开发的高管克里斯·埃文斯（Chris Evans）说。Pioneer-Burdekin的水头近700米，预定水库之间的水平距离仅为3.5公里，24小时可产生5000兆瓦的电力，使其成为世界上最强大的水库。与Borumba一起，它可以满足昆士兰州在多雨的冬季白天和黑夜的典型需求。关于是否继续进行该项目的决定将于今年晚些时候做出。

但运营着8000兆瓦燃煤电厂的昆士兰州政府已经致力于将抽水蓄能作为其能源转型的基石。埃文斯说，公有制“对电力系统来说是一个真正的好处，特别是在昆士兰州。“它使过渡更加平稳。”

“今天建造的大多数抽水蓄能项目都是由这些准政府机构建造的，”Ushakhar Jha说。Jha担任总工程师的水电开发商Rye Development已经工作了近十年，以私人建造一个项目。它拥有俄勒冈州南部天鹅湖的一个 400 兆瓦项目的三个未完成的 FERC 许可证之一，并且即将获得华盛顿州戈登代尔附近哥伦比亚河峡谷附近一个 1200 兆瓦项目的许可证。加利福尼亚州、俄勒冈州和华盛顿州都制定了电网脱碳的最后期限。黑麦嗅到了即将到来的区域市场。

2023 年 10 月，我与 Jha 和该公司的项目开发主管 Michael Rooney 一起参观了 Goldendale 工厂。在一个阴云密布的早晨，我们爬上一条碎石路，穿过鼠尾草草原，到达杜松角，俯瞰哥伦比亚河，看看 Rye 计划在哪里放置一个上水库。强烈的阵风将风力涡轮机推到我们头顶上，进入庄严的旋转状态。沿着这条山脊，一直延伸到河对岸的俄勒冈州麦田，这片土地上点缀着数百台白色涡轮机。在我们下方很远的地方，邦纳维尔电力管理局的约翰·戴大坝（John Day Dam）打断了这条河。

Rooney 和 Jha 解释了为什么这个网站对他们来说看起来几乎是完美的。土地所有者和地方官员渴望开发它。下层水库与上层水库一样，直径约600米，将建在一个废弃的铝冶炼厂的废料场上。不需要新的输电塔;一条500千伏的线路连接到已经为大坝和风力涡轮机建造的塔架上，将连接哥伦比亚的储能工厂和约翰戴变电站，这是从洛杉矶到西雅图的公用事业门户。

最后，该项目不需要一条新道路：风力涡轮机和冶炼厂已经有了通道。“对于像我们这样的水电工程师来说，这是一个梦想，找到一个只考虑特定核心基础设施的地点，”Jha说。两座水库相距仅2公里，水头为670米，接近理想水平。

该项目有一个主要问题：土地的原始居住者不想要它。Yakama Nation 的保留地从北部约 25 公里处开始，但与华盛顿中部的大部分地区一样，杜松角位于美洲原住民在 1855 年条约中被迫割让给美国的土地上。该条约保留了他们继续在割让的土地上捕鱼、狩猎和采集食物的权利——对亚卡马斯人来说，峡谷上方的这一部分山脊是神圣的。它被称为 Pushpum，在他们的创作故事中占有一席之地。他们的祖先在这里生根发芽，一些亚卡马人仍然遵循这些传统。就在去年春天，亚卡马渔业生物学家伊莱恩·哈维（Elaine Harvey）告诉我，她的家人在岩溪长屋（Rock Creek Longhouse）举行的仪式上庆祝了她8岁的女儿正式开始参加食物采集活动。小女孩把她在普什普姆收集的食物喂给整个会众。

 哈维和我直接停在河北岸的一座高压输电塔下，透过被雨水打湿的挡风玻璃看着约翰戴大坝。她家至今仍在使用的木制钓鱼平台伸入河中。这条河岸一直是她家村庄的所在地，直到1957年美国陆军工程兵团下令撤离，当时达尔斯大坝在下游35公里处完工。那座大坝淹没了塞利洛瀑布，这是一个已经有人居住了11,000年的渔业和贸易中心。咆哮的瀑布消失了，在湖下寂静无声。

对Harvey来说，Goldendale抽水蓄能项目就是这种创伤的一部分。“他们将在山上建造一条直径30英尺的隧道，那是我们的圣山，”她说。她和其他部落代表强调，他们并不反对可再生能源，只是反对破坏他们文化遗产的项目。“我们只是想尽我们所能保护，而人们却得不到，”她说。

FERC于2023年3月发布的环境影响报告草案建议对Goldendale项目进行许可。但它承认，该计划将摧毁五个定居前的考古遗址，干扰Yakama的食物收集，并改变这个地方的视觉感觉。目前尚不清楚这些危害是否可以补救。“我们不会满足于缓解，”Yakama Nation 部落委员会成员 Jeremy Takala 说。“我们已经知道没有办法了。”哥伦比亚河守护者、塞拉俱乐部和其他环保组织正在支持这个部落。

由于需要人工处理山区，抽水蓄能不可避免地面临激起当地反对的风险。但总的来说，这并不是在美国建造新设施的最大障碍。市场是。

Balducci说，许多公用事业公司对抽水蓄能感兴趣，但他们用来规划投资的模型并没有捕捉到它为电网提供的所有好处，更不用说对环境了。他和他的同事分析了Goldendale项目，发现它将提高西部电网的整体稳定性，并成为实现零碳电力目标所需的太阳能和风能扩张的“关键推动者”。问题是，尽管电网在未来几十年肯定会需要更多的长期存储，但它还不需要更多，这使得公用事业公司不愿意承诺。

“市场正在激励当前电网的需求，”Denholm说。“现在我们需要 4 小时的存储空间。市场并没有激励我们从现在起5年后可能需要的东西。新的抽水蓄能电站需要更长的时间来许可和建造，耗资数十亿美元，并且可以持续一个世纪——这是一种美德，但也是一种在快速变化的市场中需要勇气的承诺。

公用事业公司可能会通过仍在开发中的长持续时间存储技术来避免这种选择。抽水蓄能可能会被液流电池所取代，液流电池在大型储罐中使用液体电解质，或者被新型电池化学成分（如铁-空气）所取代，或者被熔盐或热岩石中的蓄热所取代。其中一些计划可能会更便宜、更灵活。一些甚至像抽水蓄能一样依赖重力。

Yakama Nation 偏爱其中之一。该部落正在与一家名为ARES的公司进行对话，该公司致力于“先进的铁路储能”，该公司今年计划在内华达州帕伦普的一个废弃砾石采石场对其技术进行重大测试。电动发电机将用轨道车将 340 吨重的混凝土块拖上 50 米高的山丘;汽车回滚时释放的能量将产生 5 兆瓦。该系统不需要水或隧道，因此可能比抽水蓄能更容易选址，并且对环境的永久性影响较小。它“既有抽水蓄能的优势，又没有缺点，”ARES首席开发官Russ Weed说。

功率和能量可以通过增加更多的轨道、电动发电机和汽车来逐步增加。Yakamas认为，他们保留地上的旧垃圾填埋场可能是500兆瓦系统的好地方，并已申请美国能源部拨款进行研究。“这不仅仅是 Yakama Nation 的解决方案，这是华盛顿州的解决方案，”该部落公用事业公司 Yakama Power 的负责人 Ray Wiseman 说。

另一种基于重力的储能方案确实使用水，但其顶端是抽水蓄能。Quidnet Energy已经采用了石油和天然气钻探技术，以创建“模块化地质机械存储”。通过在压力下将水从地表池塘抽入深度在300至600米之间的地下岩石的孔隙空间来储存能量;电力是通过打开井盖并让水涌到地表并旋转涡轮机来产生的。能量不是储存在水本身中，而是储存在水被迫进入的岩石的弹性变形中。

Quidnet表示，它已经在几个州进行了成功的现场测试，并已开始其第一个商业工作：为德克萨斯州圣安东尼奥市的市政公用事业公司提供10兆瓦时的储能模块。它应该在2025年上线，首席执行官Joe 周说。与抽水蓄能不同，地质机械储能不承担隧道、大坝建设或获得 FERC 许可证的成本。该技术利用了现有的石油和天然气技术。“我们自己是重新利用石油和天然气的人，”周说。

如果有人能够将抽水蓄能重新用于可再生能源时代并建造一座新工厂，那就是TVA。作为联邦机构，它不需要 FERC 许可证。作为一家自筹资金、垂直整合的公用事业公司，负责为田纳西河谷的 1000 万人提供电力，无论市场是否知道如何定价，它都可以获得抽水蓄能的好处。但它确实必须完成环境影响报告。

去年秋天的一个早晨，在阿拉巴马州皮斯加，TVA正在考虑的一个地点，项目经理斯科蒂·李·巴伦廷（Scottie Lee Barrentine）正在研究浣熊山建设的黑白照片。他试图更多地了解他的前任是如何应对这一挑战的。“没有人在身边了，”他说。皮斯加坐落在一条名为沙山的长山脊上，距离浣熊山下游约 80 公里，巴伦廷的战地总部是一个空荡荡的婚礼场地，毗邻上游水库的潜在位置。露台可以欣赏到田纳西河以北的广阔景色。与浣熊山一样，Pisgah项目将从河流本身的TVA水库取水。

TVA非常重视浣熊，一位高管曾经告诉我，有朝一日它可能会考虑建造两到三个新的抽水蓄能电站。巴伦廷希望至少交付一个，但如果真的发生，将需要十年时间。该决定要到2025年环境影响报告之后才能做出。然后，该工厂的设计和建造至少需要 8 年时间。

环境审查旨在揭示不建造的任何原因。钻探人员正在寻找任何可能使隧道开挖变得危险的物质。生物学家正在梳理该地点，寻找蝙蝠等濒临灭绝的物种。考古学家莎拉·斯蒂芬斯（Sarah Stephens）和一个由11人组成的团队每30米挖一个铲洞，总共挖20,000个洞，寻找“从奶奶的小饰品到美洲原住民箭头的任何东西”。她说，毫无疑问，马斯科吉人（克里克人）、切诺基人和其他美洲原住民至少偶尔会占领这个地方几千年。但他们大多在 1830 年代被赶出该地区，沿着眼泪之路向西前往俄克拉荷马州。

在婚礼场地的河对岸，TVA的Bellefonte核电站的冷却塔在远岸升起。没有蒸汽从他们身上滚滚而来。在过去的一个世纪里，TVA从未完全完成过该工厂。它高估了电力需求的增长速度。这对抽水蓄能水电来说是一个警示：今天看起来有远见的项目可能被证明是短视的，或者太超前了。

然而，TVA确实完成了连接核电站和河南输电动脉的高压输电线路。Barrentine说，这条线穿过Pisgah可能的抽水蓄能站点，它可能还会派上用场。“我希望它有一天能充满活力。”