摘 要 2060年碳中和场景下对储能需求量巨大，但是，我国常规抽水蓄能站点资源不足。针对这一问题，本文综述了美国、俄罗斯、新加坡、日本等国关于地下抽水蓄能的研究，提出基于硬岩掘进机挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，阐述了三种不同地下抽水蓄能的发展现状，即人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能，废弃矿井改造的地下抽水蓄能，以及其他地(海)下抽水蓄能。介绍了地下抽水蓄能的关键技术及其难点，包括地下工程建设与运营现状，以及高水头水泵水轮机技术的发展现状。最终，讨论了发展地下抽水蓄能的挑战，提出优先发展人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能的建议，并对关键技术的发展方向提出建议。分析表明，地下抽水蓄能技术可行，经济可行，优势明显，建议我国加强对地下抽水蓄能技术的研发和推广应用。
关键词 地下抽水蓄能；碳中和；新能源
大力发展清洁低碳能源，是实现人类社会长期可持续发展和国家能源独立的必由之路。我国确定了2030碳达峰、2060年碳中和的“双碳”目标，预计至2030年，将实现太阳能风能电力装机达12亿千瓦以上。
新能源发电出力具有随机性、间歇性、波动性，光伏发电出力具有昼夜周期性，除此之外，还可出现长时间新能源出力盈余或者出力不足的问题，因此需要配置储能系统。储能系统一般包括长周期能量转移型(对应的是周、月或季度)、短周期能量转移型(日内削峰填谷)、短时间尺度功率补偿型三种类型。
抽水蓄能具有日内削峰填谷、调频、调相、平移功率、事故备用和黑启动等多种功能，是建设以新能源为主的新型电力系统的最为理想的储能方式之一。澳大利亚国立大学Blakers等研究报告指出：配合足够的抽水蓄能，即可支撑起100%可再生能源电力系统；有足够抽水蓄能的支撑，100%可再生能源比大多数人想象的更容易、更便宜。根据国家能源局2021年8月颁布的《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》，截至2020年底，我国抽水蓄能装机容量只有3149万千瓦，预计到2025年，抽水蓄能将投产总规模6200万千瓦以上；预计到2030年，将投产总规模1.2亿千瓦左右，仅占2030年预期太阳能风能电力装机容量12亿千瓦的10%。
预计2060年，全国可再生能源装机容量可达80亿千瓦。研究表明，为了实现可再生能源的合理消纳，所需储能装机容量将达到可再生能源装机容量的40%~50%，即32~40亿千瓦。根据《抽水蓄能产业发展报告2021》披露的信息，2020年12月，国家能源局组织开展了新一轮抽水蓄能中长期规划资源站点普查工作，我国可建抽水蓄能站点1529个，总装机规模达16.04亿千瓦。截至2021年底，我国已纳入规划的抽水蓄能站点资源总量约8.14亿千瓦，其中，重点实施项目4.21亿千瓦，规划储备项目3.05亿千瓦。假设其他新型储能和灵活电源可以提供约10亿千瓦的等效储能装机，按照重点实施项目4.21亿千瓦计算，储能的缺口为18~26亿千瓦，即使是按照纳入规划的抽水蓄能资源总量8.14亿千瓦计算，储能的缺口仍为14~22亿千瓦，虽然普查中我国可建抽水蓄能总装机规模达16.04亿千瓦，但根据其地理位置距源、荷的距离，环保要求等因素，实际上并不是所有的站点资源都有开发的价值。因此，为了实现碳中和，我国大约存在上限26亿千瓦，下限14亿千瓦的储能容量缺口。
目前，其他形式的储能技术在规模、成本、技术成熟度、可靠性、经济性等方面很难与抽水蓄能形成竞争优势，从而难以填补抽水蓄能站点资源不足造成的储能容量空缺，继而影响“双碳”目标的实现。近年来，国内压缩空气储能系统发展迅速，相继完成了1.5 MW、10 MW、60 MW和100 MW非补燃式压缩空气储能系统示范工程并投运，同时，国内多家单位正在进行300 MW级以及以上的压缩空气储能的工程示范，预计当压缩空气储能系统循环效率高于70%，单位建设成本达到6500~8000元/kW时，将有望成为大规模储能的又一重要选择。
发展地下抽水蓄能是解决常规抽水蓄能资源站点不足问题的重要方法，本文将综述地下抽水蓄能的发展，吸取和借鉴各国在地下抽水蓄能研究方面的经验，掌握该研究领域的最新进展，结合中国的实际情况，提出新型地下抽水蓄能方案，为解决抽水蓄能资源站点不足的问题提出重要建议。
1 地下抽水蓄能技术分类与发展现状
地下抽水蓄能可以分为人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能，利用废弃矿井改造的地下抽水蓄能，以及其他地(海)下抽水蓄能。其中，人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能通过向地下开挖空间形成地下水库、地下厂房，以及地上与地下的连接通道等设施，与位于地面的上水库共同构成地下抽水蓄能电站；利用废弃矿井改造的地下抽水蓄能是通过改造废弃矿井的地下空间建设地下抽水蓄能电站；此外，还有其他的利用地下空间以及海下空间的抽水蓄能方案。本部分将首先对不同地下抽水蓄能的技术方案和发展现状进行综述。
1.1 地下抽水蓄能的首次提出
加拿大科学家、发明家、工程师、无线电先驱Reginald Aubrey Fessenden在1917年首次提出了利用地下空间进行抽水蓄能的概念设想。在那个年代，Reginald准确预测人类未来面临的能源短缺场景，以及风能、太阳能开发的潜力，他提出的地下抽水蓄能用于解决常规抽水蓄能对地理条件的依赖，解决风能出力的间歇性问题，发明结构如图1所示。
图 1 Reginald于1917年提出的储能系统
在电动机技术相对落后的年代，Reginald提出的方案是直接用风力机械能驱动水泵抽水蓄能，发电的过程中通过水带动水轮机和发电机发电。根据他的计算，在地面和地下水库存在1200英尺(365.76米)的高差情况下，1立方英码(764.55升)的水，可以存储1马力小时(0.7457千瓦时)的能量。从现代的眼光看，虽然，受当时技术条件限制，Reginald采用的方案通过风车机械能直接带动水泵造成效率低的问题，但是，他所提出利用地下空间形成高差用作抽水蓄能是十分有意义且超前于时代的伟大发明。
1.2 人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能
1.2.1 研究背景
20世纪70年代，美国能源部牵头对地下抽水蓄能系统进行了较为详细的研究，其方案为人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能。
根据美国能源部阿贡实验室的资料，在20世纪70年代，美国的电源主要由煤电和核电构成，这两种电源的共性在于工作在额定负荷时具有良好的经济性。对于峰值负荷，需要使用燃气轮机进行顶峰支撑，这种电源响应快，易于维护，但是，燃气轮机效率低(20世纪70年代技术水平)且需要昂贵的燃料(石油或者天然气)。需要说明的是，20世纪70年代，西方经历了广泛的石油危机，在那时，美国尚未实现页岩油和页岩气的规模化开采。因此，在那个年代，美国人迫切需要减少对燃气轮机的依赖。
自从1953年美国第一座地上抽水蓄能建成，抽水蓄能已经长期应用于电网顶峰功率发电运行。由于地上抽水蓄能要求上下库靠近且具有一定落差，相对于负荷中心距离较近，美国国内的地上抽水蓄能可用站点资源不多。因此，美国能源部牵头研究并设计地下抽水蓄能来缓解抽水蓄能建设站点资源不足的问题，从而满足电网顶峰发电功率的需求，减少对燃气轮机发电的依赖。
1.2.2 研究进展
美国阿贡实验室提出一个典型的地下抽水蓄能电站容量为1000~2000 MW，储能时长为8~10小时，循环效率接近80%。其中，有两种基本电站结构——单级地下抽水蓄能和二级地下抽水蓄能。
单级地下抽水蓄能如图2所示，其结构与地上抽水蓄能相似，主要的不同在于其上水库位于地面，下水库通过在地下开挖硐室形成，使选址更加方便，基于此可将地下抽水蓄能电站建设在靠近电网接入点的地方，从而进一步减少输电系统的投资。主厂房在下水库水平面以下，为水泵水轮机提供淹没深度，通道、电缆以及设备通道连接地面的服务厂房，下水库与上水库之间通过输水管道相连，下水库通过通风井与外界大气连通。
图2 单级地下抽水蓄能系统
二级地下抽水蓄能如图3所示，由于将总的水头分成两部分，因此可以使用现有技术的单级可逆式水泵水轮机机组，每台机组设计平均水头为下库深度的一半，在上下水库之间一半的深度建设一个比较小的中间水库，中间水库和下水库各自配备一个主厂房，但是，各自的水泵水轮机机组的运行不必同步。二级地下抽水蓄能通道的设计要求与单级地下抽水蓄能系统相似。当然，还可根据需求设计更多级的地下抽水蓄能电站。
图3 二级地下抽水蓄能系统
以上方案中，下水库采用网格形状隧洞的设计方案，占地约64万平方米，每一条隧洞宽15 m，高25 m，并且带有7.5 m半径的拱顶，隧洞网格的规格为45 m×45 m，这种结构可以保证地下抽水蓄能系统在地下1000 m深度的下水库的稳定性。
通往地下的通道主要施工方法为：传统凿井，机器镗孔，通过升降平台提升废渣，如果需要，还可以继续扩大通道的截面积。所需地下抽水蓄能系统的施工周期为6~8年，如果考虑前期设计和准备工作，时间将会超过10年。
此外，美国Riverbank公司联合AECOM工程咨询公司计划在Wiscasset开发地下抽水蓄能工程[11-12]，如图4所示。总装机容量1 GW，储能时长6小时，电站和下库在地下约600 m深处通过钻爆法开挖，其中下库岩石爆破量约560万立方米，其采用的技术均为成熟的技术。Riverbank公司将这项技术命名为Aquabank，并且计划在北美建设多座1 GW的此类电站，每个项目的估计成本为20亿美元，施工阶段预计将持续4年。
图4 Riverbank和AECOM公司地下抽水蓄能电站方案Aquabank
美国Nelson Energy公司提出了另一种地下抽水蓄能电站的解决方案，如图5所示，通过硬岩掘进机(TBM)螺旋向下开挖形成通往地下的通道，在地下挖掘螺旋隧洞作为下水库，通过TBM挖掘通道可以在一定程度上解决地下隧洞开挖渣石的运出问题，提高了开挖效率，缩短了整体施工时间。Golder Associates以及AECOM公司完成了该工程的预可行性研究，由于目前单级水泵水轮机最高设计水头为700 m，该工程采用地下700 m埋深的下水库，设计容量666 MW，储能时长12小时，循环效率80%，工程建造时间为5~6年，单位建设成本约为2640美元/kW。
图5 Nelson Energy公司地下抽水蓄能电站方案
英国McWilliams Energy公司提出了一种新型的不依赖选址的抽水蓄能方案(location agnostic pumped storage)，其示意图和施工顺序如图6所示。其下水库位于地下1400 m，装机容量1000 MW，储能时间8小时。地上与地下之间通过竖井相连，下水库通过硬岩掘进机(TBM)挖掘，构成环形水库群，节省了成本与建造时间，据估计，整个项目的工期在4.5年，大大缩短了建设时间，使地下抽水蓄能电站方案更加可行。此外，该工程的单位建设成本为2200美元/kW，相当于目前美国地上抽水蓄能工程的中等偏低水平。需要指出的是，其通往地下水库和厂房的通道为竖井，竖井运出废渣和向下运送装备的重量均有限，可能会增加施工时间，不利于从地上向地下运送装备。
图6 McWilliams Energy公司不依赖选址的抽水蓄能的示意图和施工顺序
与此同时，日本、俄罗斯和新加坡也面临着对抽水蓄能的需求，从而催生对地下抽水蓄能的研究。
从1997年到2002年，日本对地下抽水蓄能工程进行了研究，提出了用于地下淡水抽水蓄能以及地下海水抽水蓄能的高水头水泵水轮机方案，证明了在高水头(800米以上)的情况下，其经济性可与常规抽水蓄能可比。
由于土地少、无高山等原因，新加坡没有修建常规抽水蓄能电站的站点资源，于是在1996年也提出修建地下抽水蓄能电站的设想[16]。该设想利用废弃的采石场作为上库，在花岗岩地层中人工挖掘下水库和厂房，建造地下抽水蓄能电站，设计额定容量370 MW，储能时长9小时，有效水头500 m，所需下库容量约270万立方米，考虑地下厂房和各种隧洞，地下建筑开挖量约300万立方米。由于不受地形限制，下库可直接布置在上库下面，使上下库水平距离最小。经核算，其投资与相同规模的燃油电厂相同。
2004年，为了解决莫斯科市的供电问题，俄罗斯计划在莫斯科市修建地下抽水蓄能电站，并提出了如下设计方案：上库建在地面，下库为地下800～1300米深的人工挖掘隧洞，隧洞长度为16公里、直径为12.5米。地下厂房在地下1300米处，长60米，宽20米，高度为30～40米，厂房内安装4台可逆式水轮机组，水轮机出力各为250 MW，总功率为1000 MW，投资预算为700美元/kW(2004年美元计价，相当于2023年1080美元/kW)，与常规抽水蓄能电站建设成本基本相当。
1.2.3 基于硬岩掘进机(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案
中国科学院电工研究所提出了基于硬岩掘进机(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，在地面开挖水库或者利用现有的自然水体作为上水库，硬岩掘进机向深层地下空间挖掘隧洞形成下水库，所在地层地质结构稳定，围岩为稳定岩层，并在地下开挖抽水蓄能机组厂房，构成地下抽水蓄能工程的主要基建部分。通过提高TBM的利用率，减小斜井在总基建工程中的成本比例，提高地下隧洞水库在总基建工程中的成本比例，通过优化施工方案，发挥规模效应，进一步减小地下抽水蓄能电站的单位千瓦建造成本。采用两台硬岩掘进机向不同的方向挖掘水平隧洞形成地下水库，其中一台硬岩掘进机挖掘8.2 km的斜井后还可继续掘进12 km至报废，另一台崭新的硬岩掘进机可以在地下另一侧挖掘20 km长的水平隧洞，然后报废，使两台TBM均达到尽限应用，向两侧挖掘水平隧洞方案如图7所示，基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能主要参数如表1所示。据估算，该工程造价为159~164亿，对应的单位造价成本为7500~7800元/kW。2023年9月25日，新疆若羌抽水蓄能电站开工，容量为210万kW，概算总投资165.25亿元，即单位造价7870元/kW。由此可见，通过合理设计和优化地下抽水蓄能电站，可以使地下抽水蓄能的单位kW建设成本下降且接近常规抽水蓄能电站单位kW造价的水平。
图7 基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能
表1 基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能主要参数
常规抽水蓄能电站一般建设在山区，距离主要输电线路和变电站距离较远，需要在电网原有输变线路规划基础上另外专门建设接入电网的输变电工程。基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能电站选址灵活，可以选址修建在靠近传统火电厂的位置，随着传统火电厂逐渐退役，地下抽水蓄能电站可以利用退役火电厂的输变电设备并网，从而节省电网输电线路以及变电站的基建投入，进一步减少地下抽水蓄能电站的建造成本。
基于TBM挖掘的低成本地下抽水蓄能电站综合优势明显：
（1）环保、安全且无生态影响；
（2）效率中高(>75%)；
（3）使用寿命长(40～50年以上)；
（4）建造成本低、投资收益大；
（5）功率可连续灵活调节，可提供一次二次调频；
（6）可提供旋转惯量支撑，有助于提高系统稳定性；
（7）选址灵活(可以根据负荷/电源需要选址)；
（8）资源几乎无限制；
（9）环境适应性强(几乎不受天气影响)；
（10）占地少。
1.2.4 地质结构
修建人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能电站对地质条件有一定的要求。一般满足于修建地下工程的介质为侵入火成岩和结晶变质岩，且岩石不存在断裂带和不连续区域，美国大陆适合地下抽水蓄能系统选址的区域如图8所示，可以看出，位于美国主要工业带和电力负荷区均可建设地下抽水蓄能电站。参照美国的研究结论，根据中国地质调查局的信息，可以初步明确适合建设地下抽水蓄能的地质条件在我国也广泛分布。
图8 美国大陆适合地下抽水蓄能系统洞穴的选址地
1.3 废弃矿井改造的地下抽水蓄能
由于建设大容量地下水库耗资巨大且建设周期较长，工程师们设想利用现有的废弃矿洞巷道或采空区作为地下水库以解决地下水库经济性和建设周期长的问题。国外部分基于废弃矿洞抽水蓄能电站设计及实施情况如表2所示，基于废弃矿洞抽水蓄能电站设计示意图如图9所示。
表2 国外部分基于废弃矿洞抽水蓄能电站设计及实施情况
图9 基于废弃矿洞抽水蓄能电站设计示意图
1.4 其他地(海)下抽水蓄能
除人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能以及废弃矿井改造的地下抽水蓄能之外，一些新的地(海)下抽水蓄能方案也被提出。例如Eduard Heindl和Gravity Power公司分别提出了地下重力-抽水蓄能概念，通过固体介质的重力增强位于地下水库的压强，从而等效常规抽水蓄能上下水库高差，如图10所示。
图10 Eduard Heindl方案效果图
Cavern Energy Storage提出了一种地下盐穴压气抽水蓄能概念，其基本原理是利用两个不同埋深的盐穴作为上下水库，两个盐穴中的饱和盐水通过水泵和水轮机连接，并注入压缩空气，为水泵提供所需淹没深度对应的压力。美国Quidnet Energy公司提出了地应力抽水蓄能(geomechanical pumped storage)，其概念是利用地应力维持水的压力来等效水头。
此外，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)以及德国弗劳恩霍夫协会能源经济和能源系统研究所(Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology)分别提出了海下储能，其概念是利用海洋本身作为上水库，下水库由海床上的混凝土空心圆球构成。荷兰初创公司Ocean Grazer提出海洋电池(ocean battery)的概念，其装置安装在海床上，有柔性储能空间和刚性储能空间两个不同的储能空间，其中，柔性储能空间的压强与海底压强相同，刚性储能空间通过通风管与海平面以上的大气连通，柔性储能空间等效为上库，刚性储能空间等效为下库。
2 地下抽水蓄能关键技术及其难点
以人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能和废弃矿井改造的地下抽水蓄能为例，将水库修建于地下，而且地下厂房的埋深增大，因此，地下工程建设是地下抽水蓄能工程的关键技术。此外，考虑到技术经济性，地下抽水蓄能电站设计水头一般高于1000 m，而现有的水泵水轮机水头一般在800 m以内，因此，高水头水泵水轮机装备技术也是地下抽水蓄能的关键技术。建设大规模地下空间以及设计和制造高水头水泵水轮机，同时保证其技术经济性是地下抽水蓄能实施的难点。
2.1 地下工程建设
中国目前深层空间地下设施的建设已经完全可以满足地下抽水蓄能地下水库和厂房建设的技术、经济和时效的需求。引汉济渭工程中包含一条长度达98.3 km的秦岭输水隧道，已于2022年2月22日全线贯通，隧道最大埋深达2012 m，其中钻爆法施工横断面为马蹄形，断面尺寸7.0×7.0 m，硬岩掘进机TBM法施工断面为圆形，断面直径7.16 m/8.03 m，其内表面经过防水、防渗、加固衬砌处理。隧道建设历时6年，平均每年16 km，每公里隧洞的体积约为3.8万立方米，整个隧洞的储水量约为370万立方米，与抽水蓄能电站所需的水库容量相当。此外，中国可以建造掘进直径15.08米的TBM，可以建设规模更大的地下水库。
此外，国内已有相当规模的地下基础设施建成投运，比如广东江门中微子实验室位于地下700米，底部呈圆形，底深距穹顶达70米左右，水平跨度达50米，为深埋超大跨度地下洞室。中国锦屏地下实验室垂直岩石埋深达2400米，地下厂房容积33万立方米。这些都表明我国具有建设和运营地下抽水蓄能厂房的成熟经验，不存在技术和施工障碍。
地下工程建设的难点在于准确且经济的深层底下地质勘测，高效且经济的大规模地下空间设计和施工技术，虽然如1.2.3小节所述，经过与国内权威的地下工程施工单位以及抽水蓄能建设单位咨询，估算基于硬岩掘进机挖掘的低成本地下抽水蓄能方案造价与传统抽水蓄能造价可比，但是仍然位于抽水蓄能单位kW成本的高限，需要进一步提高地下工程建设的经济性。
2.2 高水头水泵水轮机
单级可逆式水泵水轮机，采用混流式水轮机转轮(trancis turbine)，既可以用作储能时的水泵，又可以用作发电时的水轮机。以目前单级可逆式水泵水轮机额定水头可达约700 m以上，额定容量可达约500 MW。需要说明的是，美国能源部的研究表明，经过分析和设计，单级可逆式水泵水轮机水头可以达到约1000 m。增加水轮机级数，通过多级可逆式水泵水轮机可以进一步提高设计水头，其中，意大利的Edolo电站，采用4级方案，水头高达1290 m，容量142 MW。
三机式水泵水轮机包含多级混流式储能水泵以及冲击式水轮机(pelton turbine)。冲击式水轮机额定水头可达1500 m，额定容量可达300 MW。多级水泵额定水头可达1500 m，额定容量可达200 MW。
关于可逆式水泵水轮机和三机式水泵水轮机的综合性能比较如表3所示。
表3 可逆式/三机式水泵水轮机综合比较
水泵水轮机是高水头抽水蓄能系统的重要组成部分，以500 MW、1000 m水头为例，考虑系统经济性以及地下抽水蓄能电站日内调峰和紧急备用的定位，可逆式水泵水轮机组更为适合。因此，美国能源部研究混流可逆式水泵水轮机用于高水头地下抽水蓄能的可行性，完成对350 MW、500 MW二级混流式机组(加装一级导叶)技术方案下1000 m、1250 m和1500 m水头机组的技术可行性和技术经济性的研究，得出了重要结论：预计不会出现阻碍这些水泵水轮机发展的主要机械系统障碍。1500 m水头、500 MW机组在水轮机和水泵工况下的效率分别能达到约88%。同等水头和容量条件下，单级水泵水轮机成本低于二级机组，对于二级机组，水头越高成本越低。关于经济性，按照1978年美元计算，不同500 MW水泵水轮机单位千瓦成本如表4所示。通过对不同水头，不同技术方案的水泵水轮机的比较，可以得出高水头水泵水轮机的单位千瓦成本与较低水头的水泵水轮机相当或者更低。
表4 不同500 MW水泵水轮机单位千瓦成本
注：以上成本均只包含水泵水轮机，不包含电动发电机；1978年的1美元相当于2023年的3.66美元。
目前，国内外企业高水头水泵水轮机的生产能力如表5所示。奥地利Andritz的4级混流式水泵水轮机已于2015年10月交付瑞士主要的电力集团Axpo Power AG，用于Tierfehd抽水蓄能电厂，该机组不带导叶，额定水头可达1060 m，最大输出功率为140 MW。德国Voith公司为浙江长龙山抽水蓄能电站提供的机组，水头为700 m级。
表5 国内外高水头可逆式水泵水轮机案例
此外，我国具有高水头三机式抽水蓄能机组的使用经验，我国于1997年竣工投产的西藏羊卓雍措抽水蓄能电站，抽水蓄能机组由奥地利依林—伏伊特(ELIN—VOITH)公司制造，额定容量(发电工况)25 MVA，额定功率23 MW，额定水头816 m；水泵为6级离心泵，设计扬程850 m。
3 地下抽水蓄能发展挑战与建议
3.1 发展挑战
美国、日本、俄罗斯和新加坡的研究表明，基于人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能具有与常规抽水蓄能相当的经济性，技术上可行。然而，这些国家前期都没有建设实际的工程。分析主要原因有两个方面：一是过去传统能源主导的背景下，对储能的需求量不大；此外，这些国家均较易获得价格合理的油气资源用于燃气轮机发电，进入新能源高速发展时期，燃气轮机发电属于灵活性电源，有利于为新能源调峰，从而削弱了地下抽水蓄能建设的必要性；二是当时的地下空间挖掘技术相对落后，导致工期过长，建设成本偏高。但是，这些不对我国发展地下抽水蓄能形成挑战，我国油气资源相对匮乏，不适合大量、大规模发展燃气轮机发电作为灵活调节电源；火电机组灵活性较抽水蓄能尚有差距；而抽水蓄能站点有限，因此，适合发展基于人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能。此外，火电厂无法根本解决碳排放问题，而地下抽水蓄能属于零排放。
本文估算基于硬岩掘进机挖掘的低成本地下抽水蓄能方案造价与传统抽水蓄能造价可比，经济上可行，但是，其仍然接近抽水蓄能单位kW成本的高限，在目前阶段我国地上抽水蓄能站点资源还没有开发结束的情况下，相比于一些经济性较好的选址站点，地下抽水蓄能方案不具备价格优势，根据与潜在业主的沟通，这些是阻碍快速通过决策的一大因素。此外，正确的选址和可靠的地下工程施工足以保证地下空间的安全，但是，由于目前国际上没有地下抽水蓄能建成投产的案例，业界普遍对地下抽水蓄能的安全性存在疑问。这些是阻碍我国发展人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能的主要挑战。
关于废弃矿井改造的地下抽水蓄能，各个方案在容量和储能量的设计上已经初具规模，达到电网级规模化储能的参数要求，但是，各工程仅仅停留在提出计划和完成设计的初期阶段，未见后续实施和示范的相关信息。究其原因，是利用废弃矿洞建设地下抽水蓄能存在一些不足，经过查阅资料和与废弃煤矿业主单位交流，总结出利用废弃矿井抽水蓄能和人工挖掘隧洞地下抽水蓄能的综合比较，详见表6。综合考虑，一般情况下通过人工挖掘隧洞建设地下抽水蓄能的方案更具备优势，但是，在一些特殊场景下废弃矿井改造的地下抽水蓄能可能具备较好的技术可行性以及经济可行性。
表6 废弃矿井改造的地下抽水蓄能与人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能比较
其他地(海)下抽水蓄能大多处于概念设想和方案设计阶段，即使进入样机示范的工程规模还较小，尚不具备大规模示范和产业化的条件。
3.2 发展建议
废弃矿井改造的地下抽水蓄能受废弃矿井客观条件的影响，具有诸多不确定性因素，其他地(海)下抽水蓄能尚不具备大规模开发的条件，建议优先关注并发展人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能。
地下工程方面，进一步提高地下工程建设的经济性，硬岩掘进机直径的持续扩大可以显著提高地下抽水储能电站储能量，提升其规模效益和经济性，因此，建议进一步提高硬岩掘进机的直径。增加地上到地下斜井的坡度可以减少开挖量，提高经济性，此外，硬岩掘进机挖掘后出渣效率是影响开挖速度的主要制约因素，建议突破TBM正井法大角度挖掘和高效出渣技术。精细地质勘探是人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能电站建设选址的关键技术，目前主要地质勘探的方法是通过炮眼进行勘探，单个炮眼探测范围有限，所需勘测的地下空间分布广，建议突破大范围深层地下地质勘探技术，满足地质勘探的准确性和经济性。地下空间的安全性也是潜在业主关注的焦点，建议从选址、勘探、设计、运维、检修等多个方面，开发确保地下空间安全和可靠的关键技术。
水泵水轮机方面，目前，我国已经掌握了700 m级水头单级混流可逆式水泵水轮机的设计和制造技术。国外可以提供1000 m级水头的多级混流可逆式水泵水轮机，建议突破1000 m级水头的水泵水轮机设计和制造技术，实现关键装备的国产化。此外，建议突破大容量变速抽水蓄能电动发电机技术，提高地下抽水蓄能的功率调节的灵活性和效率。
4 结 论
本文综述了地下抽水蓄能的发展历程以及不同的地下抽水蓄能方案，美国能源部的研究表明，建设埋深1000~1500 m的地下抽水蓄能技术可行，高水头水泵水轮机组等关键装备满足建设要求，单位kW建设成本与常规抽水蓄能相当，且美国大陆广泛的地域具备建设地下抽水蓄能的稳定的地质条件。加拿大、俄罗斯、日本、新加坡等国的研究同样证实了地下抽水蓄能的技术和经济可行性。通过硬岩掘进机对施工方案进行改进，可以继续提高工程建设效率，降低工程造价。除此之外，综合分析，一般情况下人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能建设要比废弃矿井改造的地下抽水蓄能具备优势。
我国的地质同样具备在广泛的地域建设人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能的条件，提出基于硬岩掘进机(TBM)挖掘的低成本地下抽水蓄能方案，通过优化方案和发挥规模效益，可以使地下抽水蓄能工程的度电成本与我国当下在建的常规抽水蓄能工程相当。除此之外，由于地下抽水蓄能工程具有灵活选址的优点，可以在电网关键节点附近选址，节省输电线路建设和输电走廊的同时，还可显著加强对电网的支撑功能，综合效益明显。
建议优先发展人工挖掘地下空间的地下抽水蓄能，进一步提高地下工程施工的技术经济性，确保全生命周期安全性，实现1000 m级水头水泵水轮机组的国产化，地下抽水蓄能有望成为我国大规模储能的重要组成部分。建议国家大力支持地下抽水蓄能相关技术的研发并进行工程示范，以加快我国地下抽水蓄能技术的发展。
