利用水电

阿联酋迪拜 19 四月 2023

水电（流动的水产生的电力）越来越多地被认为是解决我们社会两个最大挑战（即气候变化和能源安全）的最有前途的解决方案之一。

“通过可持续水电，我们可以实现净零排放目标。我们可以创建一个可再生和有复原力的能源系统，”联合国前外交官兼挪威环境与国际发展部长 Erik Solheim 写道[1]。

Solheim 支持促进水电实现净零碳排放目标的运动，认为取代煤炭和其他化石燃料并实现能源安全将意味着拥抱所有绿色能源，而不是在不同技术之间进行选择。

Solheim 及其他许多人提出的论点是，水电作为世界上最大的可再生能源生产者，已经为减排做出了巨大的贡献，与煤炭相比，避免了多达 40 亿吨的额外温室气体排放。

但它还可以取得更多成就。不仅在世界各地潜在建设的水电站方面，而且在可持续开发水资源的实践知识和技术方面，水电可以在实现净零排放方面发挥不可或缺的作用。

推动增长

水电本身就很古老。希腊人在 2,000 多年前使用水轮将小麦磨成面粉，而埃及人在公元前 3 世纪使用阿基米德螺旋抽水机进行灌溉。

Bernard Forest de Bélidor（1698~1761 年）法国工程师，在水力学和弹道学的科学发展方面发挥重要作用。

现代水电涡轮机的发展始于 19 世纪中期，当时法国液压和军事工程师 Bernard Forest de Bélidor 撰写了四卷 Architecture Hydraulique[2]，描述了工程力学、磨机和水轮、泵、港口和海洋工程的原理。

到 19 世纪末，已有许多小型水电站在运行，使用涡轮机利用水流发电，而美国处于水电设计的最前沿[3]。

美国在采用水电方面也处于世界领先地位，证明了水电在满足日益增长的能源需求方面的有效性。

20 世纪 30 年代，美国总统罗斯福的“新政”支持建设多个多用途地标性项目，如胡佛大坝和大古力水坝，使得到 1940 年水电发电量占全美发电量的 40%。

从 20 世纪 40 年代到 70 年代，国有公用事业公司在整个西欧以及前苏联、北美和日本建立了重要的水电发展项目。

在 20 世纪的最后几十年里，巴西和中国成为水电领域的世界领导者，帮助两国经济增长，发展铝冶炼厂和钢铁厂等能源密集型产业。到 2020 年，水电供应了全球六分之一的发电量，是仅次于煤炭和天然气的第三大发电来源，而过去 20 年，全球总发电量增长了 70%[4]。

水电站

如今，世界各地有许多不同的水电技术在运行。内陆水电站有三种主要类型[5]。径流式水力发电站利用水流来驱动发电机。它们通常提供恒定的能量流，但只能提供与河流流量大致一致的电力，因为它们不会长时间蓄水。

另外两种类型的内陆水电站则更加灵活。山坡水库蓄水，必要时可以开闸放水来驱动涡轮机。抽水蓄能电站 (PSP) 是充当可充电水电池的蓄水池：当电力过剩时，如果需求较低，它们会将水抽到蓄水池中，当需求较高时，它们会放水，在这个过程中驱动涡轮机发电。

泵送水力设施的能量储存能力取决于其两个蓄水池的大小；而产生的电力数量与涡轮机的大小有关。一个设施有两个蓄水池，大约相当于两个奥运会游泳池的大小，它们之间有 500 米的高度差，可以提供 3 兆瓦 (MW) 的容量，并储存高达 3.5 兆瓦时 (MWh) 的电力。国际能源署 (IEA) 预测，到 2030 年，PSP 将占全球水电容量的 30%，即 65 GW，大大超过传统电池的存储容量[6]。

第四类水电是潮汐，而这也不是新事物。数百年来，潮汐能一直用于水磨机，例如 1068 年《最终税册》(Domesday Book) 中提到的 Eling[7] Tide Mill。原理很简单：当潮水到来时，它会推开单向闸门并填满水池，然后当潮水转向和退去时，水池的水会释放出来，为水轮提供动力。

潮汐堰坝[8]和潮汐泻湖方案的工作方式相同，在高潮时围住水，然后通过特定的通道让水通过涡轮机释放。潮汐流发生器像风力涡轮机一样工作，使得潮水在进出涡轮机时推动涡轮机的转子。动态潮汐能方案取决于与海岸成直角突出的长墙。当潮水通过这面墙时，它会围在一侧或另一侧，从而产生潮头。这种高水位只允许通过特定的路径流过这面墙，这些路径将其带过发电机。

促进净零排放

水电之所以如此吸引人，是因为它依赖于一种取之不尽用之不竭的动力来源：重力。水只是一种媒介，通过它可以利用重力。这使得水电成为电网中太阳能光伏和风能的理想补充，这类电网正在努力摆脱化石燃料，实现净零碳排放的目标。

与核电、煤电和天然气等其他发电厂相比，大多数水电站可以快速响应需求变化，从而迅速增加或减少产量。因此，当没有太阳光且没有风时，水电可以介入，从而弥补太阳能或风力发电的不足。

这种按需提供大量低碳电力的潜力使水电成为构建安全、清洁电力系统的关键资产。国际能源署的报告《2050 年净零排放：全球能源行业路线图[9]》将水电确定为“当今最大的低碳电力来源”之一，也是向净零排放过渡的“必要基础”。

根据国际能源署的数据[10]，水电站占全球灵活供电容量的近 30%，但它们还有提供更多电力的潜力。

不过，国际能源署的报告带来了喜忧参半的消息。

从好的方面来看，水电在经济上可行的潜力约有一半尚未开发[11]。这一潜力在新兴经济体和发展中经济体特别高，达到近 60%。但北美和欧洲的发电站平均服役年限超过 45 年。预计使用寿命为 55 年，现在需要进行重大投资改造才能继续让这些发电站高效地生产可再生能源。事实上，预计在这个十年内，现有发电站的现代化改造将占水电总投资的近 90%，但即便如此，这可能也不够。

水电的政治考量

水电项目在地方和国际层面的主要困难之一是找到对所有人都有利的公允折衷。赢家和输家往往都很明显。例如，横跨巴西和巴拉圭的伊泰普水坝是巴拉圭为结束 1965 年巴西入侵而付出的代价[12]。它形成了一个很大的湖泊，以至于淹没了世界上最高的 Guairá 瀑布。根据《伊泰普条约》的条款，巴拉圭必须将其所占的一半能源份额中未消耗的多余电能出售给巴西，并禁止向第三国出售。

建造大坝和 14,000 兆瓦的水电站意味着巴拉圭政府不得不拿出 20 亿美元的贷款，而政府承受不起这笔贷款，只能在 2023 年偿还。

中国对水电的热情导致国内大兴建造大型水坝，不仅是在只在中国境内流动的黄河和长江等河流上，而且还在其他国际河流上，如湄公河和布拉马普特拉河，这些河流在出海途中经过多个国家。[13]湄公河上已经有 11 座中国水坝，计划还要修建 8 座。在 2021 年的一次干旱期间，河水水位很低，柬埔寨不得不关闭一个大型水电站，而流量的改变导致盐水污染了湄公河三角洲（越南的粮仓），并导致柬埔寨鱼类种群锐减。

环境因素也导致一些国家质疑是否要启动新的水电项目。例如，中国资助的蒙古 90-MW Erdenburen 发电站遭到了一些团体的反对，他们担心该大型项目可能会破坏拉姆萨尔湿地和扰乱土著社区。与此同时，为恢复濒危鱼类的栖息地，2022 年 11 月，美国联邦能源监管委员会下令淘汰横跨加州-俄勒冈州边境的四座大坝，这也是美国历史上最大的大坝拆除工程。[14]其目的是改善克拉马斯河的健康状况，这条河是奇努克鲑鱼和濒危的银鲑鱼从太平洋到上游产卵场的路线，也是幼鱼返回大海的路线。电力公司 PacifiCorp 为拆除大坝出资 2 亿美元，而加州选民批准通过了一项债券措施，以使该州额外提供 2.5 亿美元。[15]

对这些问题的担忧，加上水坝建设对环境和社会的影响，导致国际水电协会 (IHA) 制定水电可持续性评估协议 (HSAP)。

HSAP 定义了水电项目生命周期各个阶段的良好和最佳实践，涵盖 24 个环境、社会、技术和经济主题^[16]，可以让人更清楚地了解项目的整体可持续性。

它还包括多个课题的交叉主题，如性别问题和人权。

具有讽刺意味的是，尽管水电潜力巨大，但它可能是受气候变化影响最大的可再生能源，尤其是在天气模式方面。例如，2022 年欧洲许多地区的干旱导致多座径流式水电站缺水，水库蓄水量没有达到正常水平。因此，2022 年欧洲水电站产生的电量显著低于 2021 年的水平。[17]

根据自然气候变化[18]杂志的一篇论文，美国的情况相似，特别是在西南部，这一地区正遭受 1,000 多年来最严重的干旱。2022 年 8 月，联邦政府宣布对内华达州和亚利桑那州再进行一轮减水。

2021 年，美洲约 32% 的可再生能源来自水电，其中 44% 来自加利福尼亚州、俄勒冈州和华盛顿州，但干旱已经产生了影响。2021 年，加利福尼亚州关闭了该州最大水库之一的奥罗维尔湖上的发电站，当时水位低于发电所需的水位。总体而言，自 2019 年以来，加利福尼亚州的水力发电量下降了 62%，该州转向采用天然气来弥补缺口。

关注创新

从积极的方面来看，水电技术的发展可能会减轻气候变化的影响，并利用现有的基础设施。在美国，能源效率和可再生能源办公室[19]正在资助低水头水电的研究，这将让现有的无动力水坝、运河和管道能够发电。“低水头”只是指在 2 至 20 米的高程变化范围内运行的水电站。

Percheron Power 的复合阿基米德水力螺杆。图片来源 © 犹他州立大学

例如，Percheron Power[20] 开发并测试了下一代阿基米德水力螺杆涡轮机，该涡轮机采用一种称为轻树脂转移成型的高级制造工艺，由复合材料构成。与钢铁相比，复合材料涡轮机的生产成本、浪费和排放更低，尽管它们具有与钢铁相同的结构特性，但重量减轻了 25%-30%。

复合材料叶片在模具中时涂有凝胶，因此不需要底漆或耐腐蚀涂料，并且可以单独更换，不像钢制涡轮机叶片那样。

另一个例子是，Natel Energy 为 Schneider Linear hydroEngine™ 设计、建造和调试了可靠的动力系统。通过降低资本和维护成本，该动力系统使得能够开发新的低水头水电容量，实现每兆瓦时约 2 美元的均衡能源成本节约[21]。

为未来融资

然而，技术创新只能走这么远。尽管技术进步使水电更加高效和灵活，但平均投资成本在很大程度上保持不变。国际能源署希望看到更多的金融创新。它认为，在发达经济体中，水电在提高电力供应安全方面所发挥的作用没有得到充分认可和补偿。另一方面，发展中经济体需要获得负担得起的融资来发展可持续水电。

要让发达经济体充分利用水电，各国政府需要通过国家担保、长期合同和其他提高报酬确定性的措施来降低与投资相关的风险[22]。在欧洲和北美，大多数最经济的大型项目场地已经开发完毕，但新的小型水电站也可以提供低碳发电的重要来源，同时整合额外的光伏和风能发电能力[23]。就新兴和发展中经济体而言，国际能源署认为水电需要公私合作等创新的商业模式，将风险分配给适当的利益相关者[24]。

水电的支持者有理由相信，它有可能加强能源安全，减少碳排放并促进繁荣，但地缘政治挑战和缺乏明确的财政激励措施共同阻碍了其增长。

澳大利亚前总理、国际水电协会董事会成员 Malcolm Turnbull 谈到水电时说：“其全球部署的关键障碍是缺乏适当的市场机制，而市场机制让风能和太阳能能够得以大规模安装。我们已经拥有实现 100% 脱碳电网所需的所有技术。我们需要的是政治意愿。”[25] 随着全球走向净零排放的步伐加快，希望政治意愿不会落后太远。

在安利捷，我们知道能源行业脱碳必须成为我们所有人的优先事项。无论是利用水电能还是释放太阳能的潜力，能源的未来在于可再生性。因此，通过我们的旗舰可再生能源业务 FRV 及其能源创新专家和孵化器 FRV-X，我们的业务现在遍及 18 个国家/地区。未来四年，FRV 计划投资超过 15 亿美元的资产，使其全球项目总装机容量翻一番，从 2021 年初的 2 GW 增加到 2025 年的 5 GW。