为了满足全球不断增长的能源需求并实现净零排放目标[1]，大规模部署可再生能源发电和储能是不可避免的[2],[3]。事实上，从2021年到2022年，可再生能源在全球电力发电中的占比增加了8.1%，达到29.9%[4]。太阳能光伏（Solar Photovoltaics, PV）占总新增容量的约70%，其次是风能（22%）和水力发电（6.3%），风能和太阳能的总占比达到12%[4]。
在尼泊尔，能源消费主要由传统能源如柴火、农业废弃物和动物粪便提供，这些能源满足了全国近三分之二的能源需求。此外，化石燃料提供了超过四分之一的能源，而传统电力仅占10%以上[5]。尼泊尔的电力部门中，超过95%的装机容量来自水力发电，其中径流式（RoR）水力发电占大多数[6]。由于径流式系统的特点，雨季的发电量往往被“浪费”，而旱季则需要从其他来源获取能源[7],[8]。2024/25财年，径流式和水力调峰型（peaking-RoR）水力发电合计发电量约为14太瓦时（TWh）。雨季从6月持续到9月，而旱季则从12月持续到5月。在旱季，河流流量通常比雨季减少50%以上[9]。这种季节性不平衡，加上对单一发电类型的过度依赖，对国家能源安全构成了重大风险。
确保能源安全的一个关键方面是多样化电力来源，并找到大规模储存能源的方法。正如已经指出的，尼泊尔拥有丰富的水力资源，潜在发电量可达42吉瓦（GW）[10]。此外，该国还拥有大量的太阳能资源，技术上可实现的太阳能光伏发电潜力高达552太瓦时（TWh），约相当于400吉瓦（GW）[11]。此外，尼泊尔还拥有大量的沼气和生物质能源，也可以用于发电[12],[13]。然而，为了支持可变可再生能源的整合，储能系统在解决电力供需不匹配问题中发挥着重要作用。
在全球范围内，抽水蓄能（Pumped Hydro Energy Storage, PHES）是最广泛使用（占储能容量的90%以上）、成熟且经济高效的公用事业规模储能技术[14],[15]。PHES的特点是往返效率约为80%[16]，使用寿命长（50-100年）[17],[18]，响应时间快[19]。此外，它还可以用于实现调峰、频率调节和应急备用等功能。研究显示，在尼泊尔的背景下，PHES是最合适的储能选项之一[20]。因此，当正确运行时，PHES有助于电网稳定，并促进不可控发电机的整合，使其成为大规模储能的理想选择[21],[22],[23]。
与替代储能技术相比，闭环PHES具有长时储能能力、几乎不存在性能退化，并且项目寿命超过50年[24]。相比之下，电网规模的电池最适合短时平衡，但每年会有容量衰减，通常每8到12年需要更换一次，且储存时间超过4到6小时的成本会急剧上升[25],[26],[27],[28]。从经济角度来看，对于长时（>8小时）和大规模（>100兆瓦）储能，PHES具有显著优势：全球技术经济研究表明，PHES的平准化储能成本（LCOS）为每兆瓦时50-150美元，而电网规模的锂离子电池储能系统（BESS）为每兆瓦时200-400美元[24],[29],[30],[31]。其他长时储能技术如氢储能和压缩空气储能（CAES）的LCOS较高（分别为200-300美元/兆瓦时和200-250美元/兆瓦时），往返效率也较低（分别为30-45%和55-70%），这使得PHES成为大规模电网应用中最成熟和最具成本效益的选择[32],[33],[34],[35]。此外，扩展水力发电也存在限制，包括水文限制、土地需求以及严重的环境和社会影响[24],[36],[37],[38]。远离主要河流、利用成对山坡水库建设的闭环离岸PHES，能够以低成本提供长期储能，同时将对环境和社会的影响降到最低[24],[31],[39]。由于这些系统不依赖自然河流流量，因此可以灵活选址，避免水文限制。通过储存来自太阳能光伏和水力发电的多余电力，离岸闭环PHES在长时储能技术中具有最低的生命周期成本之一，是提高可靠性和支持尼泊尔可再生能源转型的有力选择。
考虑到尼泊尔崎岖的山地地形、丰富的水资源以及在水力发电方面的历史，该国为PHES提供了理想的条件（无论是字面意义还是比喻意义）。实际上，澳大利亚国立大学（ANU）的全球绿色能源存储地图集[40]在尼泊尔识别出约2800个理论上的闭环PHES站点，总储能容量约为每年50太瓦时（TWh）。为了量化这一潜力，基于尼泊尔人均9兆瓦时需求的净零路径研究显示，最大PHES储能需求仅为约2.5太瓦时（约2500吉瓦时）[41]。这表明尼泊尔的技术潜力远大于支持完全可再生能源系统所需的储能量。鉴于尼泊尔在PHES方面的潜力，多项研究对此进行了探讨。Sah等人[42]研究了Begnas-Rupa抽水储能水力发电系统的可行性，该系统具有100兆瓦的发电能力和五小时的储能能力。同样，Maharjan等人[43]研究了将Chilime水力发电项目转换为使用可逆泵涡轮机的抽水储能系统，而Lohani和Blakers[2]概述了闭环PHES的潜力及其在尼泊尔开发的紧迫性。
然而，尽管这些研究表明PHES适用于尼泊尔的某些特定地点，但它们并未提供一般性的见解。通过系统地筛选和本地评估全球绿色能源存储地图集识别的闭环PHES站点，并评估其技术经济前景，可以进一步推进这些见解。尽管全球绿色能源存储地图集基于地形提供了理论上合适的离岸PHES站点清单，但它并未提供将这些地点转化为实际可行和经济合理的项目候选者的结构化流程[40],[44]。因此，本研究使用该地图集作为识别候选站点的基础。本研究通过开发一种可复制的、经过GIS验证的工作流程来引入方法论上的进步，该流程结合了高分辨率空间筛选、土地使用和海拔验证以及基于GPS的现场评估，以在尼泊尔实际条件下验证地图集识别的站点。通过将这些经过物理验证的站点与平准化储能成本（LCOS）框架联系起来，本研究弥合了基于全球地形的数据集与地区规模PHES成本评估之间的差距。这种综合的地理空间经济工作流程为全球南部其他山区地区的PHES规划提供了更广泛的应用性。虽然LCOS是一个全球公认的指标，但其应用于尼泊尔实地验证的地区规模PHES站点，为山区发展中国家的长期储能提供了首个特定背景下的经济基准。
为此，本研究旨在使用地理信息系统（GIS）和现场验证来筛选和验证全球绿色能源存储地图集识别的PHES站点，特别关注卡夫雷帕兰奇沃克区的站点。此外，它还使用LCOS指标评估闭环PHES的经济前景。通过这种方式，研究旨在解决雨季水电站能源浪费的问题，因为可以规划日常和季节性储能[45]，并为尼泊尔的能源规划和PHES发展提供决策支持。
