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論水力發電的比較優勢

水電知識網 〔2012-3-21 11:34:00〕   湯鑫華   來源: 水電知識網  

摘要:客觀而全面地認識水電的利弊,對于水利事業、能源工業和經濟建設都具有重要意義。本文通過比較分析法和因素分析法,從資源稟賦、經濟價值、社會價值、環境價值、開發能力等角度,闡述了水力發電與其他發電形式相比的比較優勢;并說明,如果放著技術成熟、條件優越、效益良好的水電不開發,而以更高的代價、冒更多的風險去大力開發其他非化石電源,無論從經濟、環境還是社會角度看,都是不合理的。本文首次完成了五種主要發電形式的比較分析。

關鍵詞:水力發電;比較優勢;火力發電;風力發電;核能發電;光伏發電

當前,我國出現了大躍進式地開發風電、核電、光電的熱潮。這對我國改善能源結構、實現減排目標、應對氣候變化和轉變發展方式等都有好處,在一定程度上講是必要的、值得肯定的。但在開發這些能源的同時,我國應當加快開發身為非化石能源主力軍的水電,因為水電具有明顯的比較優勢。

1 水電資源具有獨特的自然稟賦優勢

1.1 我國水電資源總量舉世無雙

眾所周知,我國水電資源的蘊藏量位居世界第一。根據2003年推出的《中華人民共和國水力資源復查成果》[1],我國水電資源的理論蘊藏量為6.9440億千瓦(裝機容量)、60829億千瓦時(年發電量),技術可開發量為5.4164億千瓦、24740億千瓦時,經濟可開發量為4.0180億千瓦、17534億千瓦時。其中,當年查得的100千瓦~5萬千瓦的小水電技術可開發量為0.6759億千瓦、2997億千瓦時。而2009年“水利部農村水能資源普查”得出的相應結論為1.2803億千瓦、5350億千瓦時[2],這使我國小水電資源的蘊藏量提高了八成左右。上述數據還不包括裝機容量小于100千瓦的微水電,我國微水電的技術可開發裝機容量還有數千萬千瓦。不管從大中水電還是從小微水電來看,我國水電資源的儲量均居首位。

1.2 我國待開發水電資源具有規模效益和多重效應

我國待開發的水電資源不僅總量龐大,而且具有明顯的天然優勢。主要表現在:

其一,開發水電往往就是發展水利事業,從而在帶來巨大經濟效益的同時,也帶來巨大的社會效益和生態效益。迄今為止,我國建設的大中型水電工程幾乎都是兼具防洪、灌溉、供水、航運、養殖等多重效益的水利樞紐,這些工程在防汛抗旱減災、優化水資源配置格局、保障糧食安全和改善生態環境等方面,發揮了不可替代的作用。

其二,我國尚未開發的大中型水電資源基本上集中在西南地區。這些水電大多具有水量豐沛、落差巨大、單機容量很大、單位投資較低、移民數量很少等特點,具有很好的技術條件和比較優勢,容易實行大規模開發和梯級開發;只要合理規劃、有取有舍、科學運用,完全可以取得超出已開發水電的綜合效益。如果把這些水電開發出來,必將有利于改善我國的電力結構和能源結構,有利于改善西南地區的生態環境,有利于推進西部大開發戰略,有利于促進當地經濟發展和社會進步,有利于促進少數民族的文化繁榮。

其三,我國尚未開發的小微型水電資源遍布于廣大的農村。實踐證明,合理開發小微型水電資源,能夠解決農村和山區的用電問題,把廣大農民帶入電氣化時代;能夠保障特殊自然災害情況下偏遠地區的應急供電;能夠顯著地促進農村特別是偏遠地區的經濟發展;能夠大幅度改善農民的生產生活條件;能夠使農民改變依靠砍伐樹木來滿足能源需求的習慣做法,從而促進節能減排、保護生態環境。

1.3 經濟發達國家都有較高的水電開發率

Alison Bartle等人[3]的研究成果顯示,2007年全球水電裝機容量達到8.484億千瓦,約占全球技術可開發總量的32%;年發電量3.045億千瓦時,占全球技術可開發總量的20%左右。在水電開發較多的國家中,發達國家明顯處于優勢地位:2006年底瑞士已開發的水電約占技術可開發量的87%,日本84%,美國82%,法國和挪威均超過80%,德國73%,加拿大65%。世界上有22個國家水電發電量占總量的80%以上,53個國家超過50%,巴拉圭100%,挪威99%。相比之下,全球不到1/3,整個亞洲為34%,整個非洲不足8%。幾年過去了,上述數據會有一些變化,但只會更好。

世界范圍的實踐證明,一個國家只要具備必要的開發能力,就會開發水電;國家越發達,它的水電開發率就越高;經濟比較發達、環境比較優美的歐美國家的水電開發率普遍較高,而經濟相對落后、環境相對較差的亞非拉各國的水電開發率大多較低;除非其水電資源已經沒有技術或經濟上的開發條件,發達國家沒有幾個真正停止了水電開發,開發率高的正在設法提高發電能力,開發率低的正在提高裝機容量。

2 水電在發電資源中具有突出的經濟優勢

一個多世紀以來,之所以世界各國不遺余力地開發水電,是因為水電不僅相對容易開發,而且確實具有巨大的經濟價值。這個價值究竟有多大,國內沒有多少文獻給出明確的、量化的答復。不過,如果只是為了在不同類型的電源中間進行比選,我們只要說明水電與其他電源的相對優勢,就能大致做出判斷。

2.1 水電比諸火電

與火電相比,水電的經濟優勢是眾所周知的。統計表明[4]19801996年,水電以15.3%的發電量,為電網創造了57%的售電利潤;火電發電單位成本約為水電的3.3倍;火電售電單位成本約為水電的2.65倍;水電售電單位利潤平均是火電的7.6倍;水電平均成本利潤率是火電的20倍,可見水電的發電效益相當顯著。用水發電是可以循環往復地進行的,一年就可以進行很多次,而且水能幾乎能夠全額轉換成電能。而煤炭是不可再生的,且其發電的熱效率只有38.11%,熱電聯產也只能把火電的整體能源轉換效率提高到42.05%[5]李香云[6]的比較分析也表明,在能源轉換效率和生態環境效應方面,水電比煤電有明顯的優勢。

上述結論來自中觀層面。從微觀層面看,水電站的廠用率(電廠本身的用電量與其總發電量之比)平均為0.25%,而火電廠的廠用率平均為7.5%。換言之,水電的廠用率只有火電的1/30;同樣的發電量,火電廠的對外供電量要比水電站的少7.25%。特別值得一提的是,目前全國火電的上網電價平均約為0.36元/千瓦時,而水電的約為0.26元/千瓦時。盡管如此,火電廠大多虧損,而水電站大多贏利。

沈菊琴[7]以華電國際與長江電力的實證分析證明,水電企業的經營優勢大于火電企業。如果考慮用于脫硫、脫硝、除塵等方面的環保開支(約占總造價的1/3以上),火電、水電的單位造價大致相近。但在運行成本方面,火電的平均單位運行成本約為0.19元/千瓦時,其中燃料成本超過六成(這是2007年以前的情況。近年來,電煤價格成倍增長,而電價基本穩定,因此燃料成本的絕對值和相對值都在顯著上升);而水電的則為0.040.09元/千瓦時,具有十分明顯的優勢。對于具有1000萬千瓦運行負荷的電網,采用抽水蓄能火電聯合系統與采用純火電系統相比,可以每日節省用煤1151.78噸、增加備用容量10萬千瓦;節省固定資產投資51.4億元;每年節省固定運行費用1.2752億元;顯著提高系統可靠性。

2.2 水電比諸核電

核電與水電的相同之處在于:都是不排放有害氣體的清潔能源;都需要較長(58年)的建設周期和較大的建設投資;對電網而言,都具有很強的穩定性和可靠性;如果計入外部環境成本,二者都是經濟性優于火電的廉價能源。

但基于下述原因,至少在最近十年內,我國都應當在優先開發水電的基礎上開發核電:其一,核電的開發成本和運營成本明顯高于水電:某核電站每千瓦的造價為1500美元[8](約合人民幣11400元)、每千瓦時的年運行費為1.68美分[9](約合人民幣0.128元,此為美國核能協會公布的較低值,僅含核燃料、運行與維護費用;實際上比諸其他電源,核電在計算運營成本時除了這些費用外,還應將其乏燃料管理、電廠退役和最終廢物處置費用計入內部費用),而同期水電分別約為8000[10]0.040.09元;其二,核電技術至今主要依靠進口,且路線分散而不成熟,核心技術會在一定時段受制于人;其三,核電存在安全性與公眾接受性問題,雖然發生核泄漏的概率極低,但大規模建設核電必然增加其可能性和公眾的擔憂,2011311發生的日本東海大地震及其引發的核泄漏一度導致世界民眾陷入核恐慌狀態,許多國家因此延緩、中止或者修改了核電開發計劃;其四,我國核電原料有限,在可以預見的將來必須依賴進口,這可能意味著其來源存在風險且成本很高;其五,核電的能源轉換率也是很低的:第二、第三代核電對核裂變燃料的利用率只能達到1%左右,據說第四代核電技術可以使其大幅提高,但何時能夠應用尚不確定;其六,與水電相比,我國核電研究、設計、制造、建設、運營、管理等各方面的人才都嚴重缺乏,短期內無法滿足大規模開發核電的需要。不容忽視的是,我國現有核電站上網電價普遍高于每千瓦時0.40元,因為它們要么事先就設定向香港供電、要么有政府支持。如果按火電的平均電價上網(不要說比肩水電了),現有核電站必將陷入虧損的困境。多年來我國核電發展緩慢,主要是因為其成本明顯偏高。隨著技術的進步、國產化率的提高,成本會有所下降,但總體狀況短期不會有根本變化。

2.3 水電比諸風電

風電清潔無害、資源豐富,是當前我國發展速度最快的能源。最近幾年,我國風電裝機的增長速度一直高達100%左右,這在全世界是絕無僅有的。比諸水電、火電、核電,風電像光電一樣,還是社會公眾不大反對的電源。根據規劃,2020年我國風電的總裝機容量可能達到1.5億千瓦甚至2億千瓦,成為緊隨火電、水電之后的第三大電源。

風電的問題在于:其一,它的成本仍然明顯超過火電,達到每千瓦時0.50.6元,更不要說大大超過水電了,因此一直而且還將長期依賴于財政補貼;其二,風電具有典型的間歇性和不穩定性,直接上網必將威脅電網的安全,否則需要大量投資用于建設配套調頻調峰電站或者改造電網;其三,我國風電資源大多遠離負荷中心,甚至遠離電網,充分利用面臨很多經濟和技術上的難題;其四,國內外風電開發技術尚不成熟,我國更缺乏適合本國資源的風機[11]和相關技術,主要依靠進口。鑒于上述原因,在當前和今后一個時期,風電不可能取代水電的地位;出于減排的需要,我國可以快速發展風電,但首先應當大力發展經濟上更合理、調度上更靈活、技術上更成熟的水電。

2.4 水電比諸光電

有一種言論預測:50年后,人類的能源需求將基本上依靠太陽能。這是令人向往的,而且有一定的可能性。說到底,地球上的能源幾乎全部來自太陽。地球每天“沐浴”在太陽的光輝里,卻要消費大量能源來抵御陽光的照射,這迫使人類加速科技進步,以使陽光更多地為人類造福。自從開發光電至今,人類沒有花去多少歲月,但已經發現了很多科學規律,發明了很多應用成果,而且這種發現、發明的進步速度越來越快。因此,50年后,人類主要依靠太陽能來滿足自己的能源需求,不是遙不可及的夢想。如果還有什么電源可以與其競爭,或許只有風電,以及與水利密不可分的水電,除非人類發現發明了其他我們尚不確知的理想能源。問題在于,眼前的50年,人類怎么辦?現實情況是,光電在價格上還很昂貴,在適用范圍上還很狹窄,顯然只能作為能源和電力的“新手”和配角。直到最近,光伏發電的上網電價仍然不能低于每千瓦時1.00元,否則光電企業就會虧損。這與水電的平均上網電價(每千瓦時約0.26元)有幾倍之差。目前世界上最好的光伏發電的能源轉換率只有不到30%。迄今為止,我國實際投入商業運營的光電裝機容量估計總共不超過200萬千瓦。就是在可以預見的將來,光電也還沒有像水電那樣大規模開發的現實可行性。我國很多已建和規劃的單座大型水電站都能在發電規模上超過現有光電的總和,在經濟效益上也都能表現出明顯的優勢。

2.5 計入全部成本后水電仍然最有經濟優勢

值得注意的是,這里討論水電的經濟優勢時,只考慮其發電收益這種直接的經濟價值了。其實水電還能產生許多間接的經濟價值,有些是可以量化的,如水產養殖、旅游娛樂、城鄉供水、水上航運;有些是難以量化的,如電網調節、防汛抗旱、經濟拉動、農業灌溉。

不可否認的是,水電開發可能產生人數眾多、處理復雜的移民問題,有的還會在某些方面造成負面的生態環境影響。對此,政府和企業要予以妥善處理。從經濟角度講,移民問題實際是利益問題,處理移民問題就是增加開發成本;應對負面環境影響也要付出經濟代價。理論和實踐都能證明,只要享受與火電一樣的上網電價(而不必像核電那樣需要特殊政策,更不需要像風電、光電那樣請政府給予巨額財政補貼),水電在足額支付全部移民成本和可能發生的環保成本后,仍然具有火電、核電、風電、光電所不可比擬的經濟優勢。開發風電、核電、光電對于減少化石能源的比重、降低溫室氣體的排放是有益的,也能有效促進相關科技水平的提高。但若從事這類開發的行業企業大幅度和長時間地依靠政府補貼來取得經營利潤,對整個社會來說顯然是不可取的。

值得指出的是,由于一些客觀原因(例如能源生產模式、氣候變化方面的原因),幾乎所有的能源都與水有著密切的關系[12],它們在生產過程中都需要消耗大量的水資源。唯一例外的是,水電在運營過程中并不消耗水。

3 水電開發具有特殊的外部效應和社會價值

我們在討論水電的經濟價值時,只是簡單地提到了水電在發電收益以外的一些正面作用。實際上,這些作用更多地表現為社會價值和文化價值,或者,即使屬于經濟價值,也難以用貨幣進行量化計算。本節從發電收益以外的經濟價值、社會價值兩個方面考察一下水電具有的眾多特殊作用。

3.1 防洪抗旱作用

具有一定規模的水電工程,特別是筑有水壩、形成水庫的水電工程,大多是具有多重效益的綜合性水利樞紐。一般來說,這些效益中包括防洪、抗旱、減災的作用,這正是因為水庫能夠調節天然來水的時空分布。水電工程的防汛抗旱功能具有典型的公共物品的特性,由此產生的減災效益為相應范圍內的全部社會單位和個人所共同享有。這些效益常常十分顯著(有時遠非發電效益可比,譬如,它可能挽救成千上萬個居民的生命),但難以被量化,社會也很少給予補償。實踐中,只要有需求,發電方面的用水調度往往要讓位于防汛或者抗旱方面的用水調度,因為后者事關當地人民生命財產的安全。

3.2 城鄉供水作用

很多水電工程具有城鄉供水作用。所謂城鄉供水,是指水庫向城鎮和鄉村的工礦企業、機關單位和居民生活供水。在市場經濟條件下,這種供水一般都是有償的。但有些收費,如城鄉居民生活供水的收費,低于其產生的效益或者為此支付的成本,使其具有公共物品的特性。同防洪抗旱作用一樣,水電工程的這種功能是其他電源所不具有的,人們在考察水電的經濟價值時也往往將其忽略。實際上,如果計算水電項目的內部收益率,城鄉供水方面的效益往往是相當可觀而且具有成長性的內部效益。

3.3 農業灌溉作用

大多數水電工程具有農業灌溉功能,這也是其他電源工程所不具有的作用。水輪機發電并不消耗水量,但農業灌溉的用水基本上為農作物所吸收,或者滲入地下、蒸發升空。農業是全社會消耗水量最多的經濟部門。但灌溉用水的價格是很低的,灌溉效益更多地表現為社會效益而不是水電工程的經濟收益。

3.4 水上航運作用

建設水壩,形成水庫,一方面可以在庫區形成寬深的水運航道,一方面可以通過水沙調節來顯著改善壩址下游的通航條件。因此,在可以通航的河流上興建的水電工程往往具有顯著的水運作用,能夠產生良好的內部收益和外部效益。一些河段因此誕生了水上航運業。這一點在水量豐沛的南方河流、黃河中上游和東北地區表現得尤為明顯。

3.5 水產養殖作用

水壩水庫可能阻隔一些洄游性魚類的洄游通道,但更會為水產養殖提供寬廣的水域。水庫的出現也促進水鳥等野生物種的生存和發展,這又會增加水產品的產量,為其他水生生物提供新的、更為廣闊的生存空間。事實上,絕大多數水庫都成了當地重要乃至最大的水產養殖基地。

3.6 旅游娛樂作用

水電開發對風光景觀的影響總體上是正面的、顯著的。雖然工程施工會破壞壩址的原有景觀,水庫蓄水會淹沒庫區一些原有景觀,或使其奇險程度下降;但工程本身和水庫水面往往形成新的湖泊、港汊,并且改善庫區原有風光,使其山更青、天更藍、水更秀,并且增加水上旅游、娛樂等方面的新功能。可以說,水庫的出現往往使當地的風光更勝一籌,并催生出新的旅游娛樂場所。目前,我國大多數已建大中型水電工程特別是其庫區,都成了當地生態良好的旅游勝地。國家水利部因此命名了上千處“國家水利風景區”,有些大壩(如三峽工程大壩)或水庫(如新安江水庫,即千島湖)還成了國際知名或我國5A級的旅游勝地。

3.7 文化促進作用

水電工程對文化發展和社會進步的影響也是顯著的。河流生態系統具有一定的休閑娛樂功能[13],建壩會在一些方面降低河流生態系統的文化價值,但也在另外一些方面豐富和提升其文化價值,而且提升的作用大于降低的作用。水電建設還可以在較大范圍內改善當地的交通條件,改變當地居民的生活方式,使貧困地區迅速跨入現代文明,使當地的社區文化、地域文化、民族文化得到發揚光大,使當地的社會發展與先進地區的差距縮小[14]

4 水電開發總體上具有正面的環境價值

近些年來,水電開發受到明顯掣肘,其中一個重要原因是有些人認為水電開發對生態環境有很大的破壞作用。一些言行成功地“綁架”了社會輿論,使其不能正確地判斷水電在環境方面的利弊;甚至成功地“綁架”決策意志,使其不能單憑科學結論來取舍水電。

根據筆者的分析,水電工程對生態環境的影響涉及下述11個方面:陸地淹沒、河水流態、河流泥沙、水生生物、陸生生物、大氣氣候、地質災害、文物古跡、風光景觀、衛生健康、工程建設[15]。大量研究表明,這些不同方面的影響多數是同時有利有弊的,有的是利大于弊,有的是弊大于利;利弊相抵的結果,有些方面的整體影響是正面的,有的是負面的;對于整體影響為負面的,一般都可以進行人工干預或補償,使其結果變成正面影響,即使不能完全消除負面影響,也可以使其大大減輕。上述各種因素疊加之后,水電對環境的綜合影響是正面的,利大于弊[16][[17]。實際上,作為一種水利工程,水電工程是一種不可替代的環保工程。

一般來說,人類活動都會對生態環境產生擾動,電源開發也不例外。在各種電源中,火電、水電對環境的影響比較顯著,不同的是,火電嚴重污染環境,而水電在綜合各種擾動后通常是改善環境的;風電、光電對環境的直接影響較小,但在現有技術條件下,這些影響大多是負面的;核電對環境的直接影響通常也不大,但它對生態環境和人類安全存在嚴重的潛在威脅,一旦發生核泄漏,結果往往是災難性的。當然,較之火電,風電、核電和光電像水電一樣,在環境保護上具有明顯的正面替代作用。但若全面考察水電在調節水資源時空分布、防汛抗旱減災等方面的獨特作用,人們有理由相信,水電是各種電源中唯一直接對環境保護具有正面作用的電源。只要運用得當,它不斷能夠滿足電力需求,而且能夠顯著地改善美化生態環境、減少溫室氣體排放、推動社會進步繁榮,是當前人類能夠規模利用的所有能源中唯一兼具良好經濟價值、環境價值和社會價值的能源。

5 我國擁有一流的水電開發能力

百年水電開發實踐不僅使我國成為世界水電裝機第一大國,也使我國擁有世界一流的水電開發能力。這主要表現于下述幾點。

5.1 我國擁有最具實力的水電開發隊伍

從勘測規劃、科研設計、教育培訓到施工調度、設備制造、經營管理,我國水電開發隊伍不僅門類齊全,而且數量龐大。這支隊伍分布于從中央到省地縣的各個層面,從東北到西南的大部分縣市,甚至遍布世界各大洲,形成的法人單位多達數十萬個,人員規模數以百萬計。中央層面有各種實力強大的設計企業、開發企業、施工企業、科研院所、大專院校;所有省份設有資質、人數可觀的水利水電勘測設計院和科研院所;許多縣市設有類似的勘測設計院室;相當一部分省份乃至縣市建有主要由中小型水電站形成的地方電網。

5.2 我國擁有世界一流的水電科技水平

我國在水電開發的各個環節、各種條件、各類開發方式、各種水壩壩型上都有成龍配套、成熟實用的科研成果和應用技術,創造了許多復雜和尖端條件下開發水電的科技成果和創新紀錄。可以說,我國現在是世界上唯一擁有幾乎全部成熟水電開發技術的國家,開發任何規模和類型的水電工程幾乎都不存在克服不了的科技障礙。

5.3 水電擁有最為成熟的開發科學技術

與火電、風電、核電、光電等各種電源相比,我國擁有的,或者說,世界擁有的水電開發技術,是最成熟的。核電的技術擁有較長的歷史,但無法與水電相比,而且仍然處于從第二代向第三代乃至第四代進步的階梯上。風電、光電的技術進步實際上才剛剛起步。火電建設技術本身是比較成熟的,但在潔凈燃煤技術、脫硫脫硝技術等方面還有大量難關需要克服。積極應對技術不成熟的問題可以刺激技術創新,促進科技進步和人才成長,但對時不我待的能源安全保障、節能減排降耗、氣候變化應對來說,可能意味著時間的拖延乃至目標的落空。

5.4 我國擁有全面豐富的水電開發經驗

我國水電開發隊伍擁有幾乎所有壩型、所有機組、各種水頭、各種地形的水電工程設計、建設、運營和管理的經驗,是全世界實力最雄厚、經驗最豐富的隊伍。目前,全世界在建的水電工程,無論大中型還是小微型的,一半以上由中國人在承建。

6 結語

對于電力需求來說,火電已被實踐證明是污染環境最為嚴重的一類電源,國際社會正在千方百計地減少火電的比重。我國煤炭資源豐富且易于開采,火電主導電力結構的局面一時難以發生根本改變,但政府和企業也在不遺余力地開發清潔的電源。在各類清潔電源中,核電、風電、光電都有較好的發展前途。但在可以預見的將來,水電仍將是經濟上最合理、技術上最成熟、規模效益最突出、社會價值最豐富的清潔能源和可再生能源,對氣候變化應對和節能減排降耗具有突出的促進作用。考慮到水電開發在我國往往還是必不可少的水利事業,因此,當前和今后一個時期我國應當在妥善保護生態環境和處理移民問題的前提下,毫不猶豫地大力開發水電,直到技術上、經濟上、生態上可開發的水電基本完成開發。


參考文獻

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稿件來源:《中國科技論壇》雜志2011年第10期。

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