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观点 | 后大坝时代的美国水电
发布时间: 2018-07-06 来源: 作者: 访问次数:

导读

为应对气候变化、实现减排承诺,优先发展包括水电在内的清洁能源已成为国际共识。世界银行、亚洲开放银行等国际金融机构重新加大了对水电的投资力度,欧美等发达国家也重新审视水电作用,新兴经济体则把水电作为重要的能源发展计划。由于开发利用程度的不同,各国对水电发展也呈现不同的态势。美国作为曾经的水电强国,依靠技术与标准引领世界水电超过半个世纪,上个世纪90年代就无坝可建,处于资源型后大坝时代。那么美国近年来水电如何?未来将呈现怎样的走势?本文将略窥一斑。

一、资源禀赋与开发历史

美国水能资源在全球位列第七。据美国陆军工程师兵团的研究,全美水能资源可装机512,000 MW,发电量为4485TWh/年;技术可开发量为146,700M W,相当于年发电量528.5 TWh;经济可开发电量约376TWh/年。(中国资源量大约为美国的4倍)。

美国水能利用历史悠久,水力发电超过120年。第一座水电站建成于1892年,是位威斯康星州的Appleton电站,装机约12.5千瓦。19世纪末,美国建设了40~50座水电站,水力发电占全国总电量的15%,1920年为25%,1940年达到为40%。上个世纪20~70年代末是美国水电开发的高峰期。期间以大量的创新技术和前沿标准引领全球,成为该时期名副其实的水电强国。美国常规水电装机发展见图1。

美国开始主要是解决西部干旱地区的水资源问题而兴建水坝。在20世纪二十年代的大萧条时期,美国西部同时发生了洪水和干旱等自然灾害,促使兴建具有综合服务功能的水利枢纽工程,并通过西部开发拉动国内经济。美国的西部开发也是美国的大坝时代。廉价的水电拉动了美国西部城市建设和工业发展。1936年,美国修建了装机6809MW的大古力水电站,1941年又建成了当时世界最高的胡佛大坝。建设高峰期间,实行大水电开发策略。胡佛水坝最大坝高221.4m,总库容380亿m3,水电站装机容量原为134万千瓦,现已扩容到208万千瓦,计划达到245.2万千瓦。胡佛水坝上游的格兰峡坝高216m,库容346亿m3。目前在科罗拉多河干流上已兴建水库11座,支流上修建水库95座,干、支流水库总库容约872亿m3。在科河上兴建的人工储水设施是该河流年平均径流量的4倍,可以实现洪水资源的全部利用。

第二次世界大战期间,美国能源需求增长了3倍。西部廉价的电力又吸引了大量的国防工业在此地区建厂,为国防工业提供电力的同时,也为粮食生产、通讯和在城市发展提供电力和供水。第二次大战结束后,美国进入工业快速发展时期。这些水电站又迅速转向为和平时期的工业发展提供动力,用于西部的矿业开采和工业生产。水库大坝更多为灌溉和城市用水服务。

第二次世界大战期间,美国能源需求增长了3倍。西部廉价的电力又吸引了大量的国防工业在此地区建厂,为国防工业提供电力的同时,也为粮食生产、通讯和在城市发展提供电力和供水。第二次大战结束后,美国进入工业快速发展时期。这些水电站又迅速转向为和平时期的工业发展提供动力,用于西部的矿业开采和工业生产。水库大坝更多为灌溉和城市用水服务。

美国水电发展并非一帆风顺。19世纪初期,美国成立垦务局治理西部的旱涝灾害,也曾有过规模不小的环保组织反对,但美国政府坚定地发展水电,不过彼时的主要目的是治理水患,发电是防洪的副产品。二战胜利后,尤其是冷战期间,美国为了在核技术领先世界,尤其是以军方为背景的主张大力发展核电。图4是美国各种电力品种发展历史。1980年~1990年是美国核电大发展时期,水电逐渐退潮。

二、美国水电在电力行业中的作用

2017年底,美国电力装机总容量为1,088.26 GW,全年发电总量为4014.8TWh。其中,水电装机容量和发电量分别为80.02GW、300.05TWh,在全美电力总装机和发电量的占比分别为7.4%和7.5%。相比十年之前,装机容量增加2125MW,发电量增加50TWh,但占比下降近50%。化石能源的代表,煤、油、气发电分别为1207.9TWh、21.09TWh、1287.02TWh,合计占总发电量的62.67%。核电为804.95TWh,占比为20.05%。各种可再生能源发电量总计为687.29TWh,在总发电量的比重为17.12%。图5。目前,美国发电仍然以化石能源为主。

美国法律规定的可再生能源包括:抽水蓄能、常规水电、生物质发电、垃圾发电、地热能发电、太阳能和风能。在可再生能源发电品种中,水电、风电和太阳能发电位居三甲,水电占比最高。常规水电发电量300.04亿TWh,占可再生电力的比例达43.25%。加上抽水蓄能发电,美国可再生能源发电量近一半来自于水力发电。其次为风力发电,发电量和占比分别为254.25TWh、36.65%。太阳能(包括光伏和光热)发电量为52.96TWh。其余的生物质、垃圾和地热能发电量分别为43.28TWh、20.77TWh和15.98TWh。图5。全美水电、风电和太阳能发电平均利用小时3749h、2884h和1954h。美国主要可再生能源发电利用小时数普遍高于我国。

在可再生能源电力生产比例中,水电占比43.25%,接近风能与太阳能发电量的总和。尽管美国水电装机容量和发电量在国家电力总量中的比例不高,但水电的“黑色启动”能力在电力系统中的作用不容忽视。例如2003年8月,美国的东北部地区发生了大面积的电网断电事故,严重影响了从纽约到密执根州范围内的5000万人口的工作和正常生活。总装机容量为4316MW的水电机组直接由联邦能源委员会调度,迅速投入到电力恢复工作中,包括著名的尼亚加拉水电站和圣劳伦斯水电站。

三、美国电力行业近年来变化情况

在2007~2017年期间,美国电力生产整体呈低碳化发展趋势。化石能源发电量减少,非化石可再生发电量增加,核电保持不变。在化石类能源发电中,煤电发电量下降了38.6%,燃油降低了67.9%,燃气增加了41.4%(比2007年)。核能发电量没有变化,但占比略有降低。可再生能源发电量增加幅度较大。水力发电量增加20.5%,生物质发电、垃圾发电以及地热能发电综合增加14%。风能和太阳能发电量大比例增加。风力发电量十年间增加了85.6倍,太阳能增加了6.4倍。水力发电量增加,但在可再生能源发电量的占比有所下降。2013年,水力发电量273.2TWh,在可再生能源比例超过50%;到2017年,水力发电量增加到306.54TWh,但占比下降到44.2%。图7。

四、美国水电近期发展计划

20世纪七、八十年代,美国电力市场发生了改变,大坝修建退潮但未停止。八十年代后期至2000年之前,全美还是修建了600多座小型水电站。此后水电发展速度明显放缓,而且由于规模缩小或老水电站退役,损失了近432MW的装机。为了使其保持持续增长,水电业主实施改造升级,2005年~2013年增加了1500万装机,其中,86%来自于现有水电站的升级和改造获得,只有4个是新建项目。

美国联邦能源委员会的研究认为,目前全美国还可以在5,677座水库大坝上安装水轮发电机组,其总容量可达30,000MW,其中57%容量的机组(17,052MW)可安装在已建水库大坝上,14%容量的机组(4,326MW)为扩机,只有8,000MW的机组容量需要通过新建工程来实现。

目前,美国有331个无坝发电项目在规划中,总装机容量4370MW;已有407MW规模的工程开工建设,另外还有263MW的装机规模已经获得批准。由于美国2020年将有70%的水电站大坝服役超过50年,部分小型工程达不到功能要求而退役。因此,美国通过新增机组替补退役容量。2020年之前将新增1088.1MW的机组容量补偿退役机组。图8。2018年,美国计划在现有无发电功能的水坝上新增水轮发电机组22台,装机255MW。有一座非常小的水电站,装机只有0.8MW的机组退役。

2021年,美国电力装机计划增长67598.2MW,总装机达到1155859.7MW。期间,抽水蓄能保持不变,煤、油电装机分别减少13246MW、315.9MW。其余电力品种均有不同程度地增加。燃气发电装机增加最大,为507046.4MW,风电增加18479.7MW,太阳能发电增加9101.5MW,核电增加2312.3MW。常规水电增加268.4MW,其他可再生能源增加合计891.7MW。各种能源电力增退容量年变化见图9。

美国电力发展的基本原则是:降煤、增气,适度发展可再生能源。多种能源发电装机均衡发展,没有一枝独大,也没有大起大落,更没有为了发展新能源替代别的高能量密度的电力品种。2017年和2021年各种用于发电的能源品种装机比例见图10。

五、美国水电长期发展情况

美国水力发电的长期变化,需要放在整个电力长期预测发展中考量。长期电力预测的一个最主要假设是美国国内经济增长率。以经济增长率作为能源消耗的主要内在因子,通过计算需求侧的电力市场容量,反算电力供给侧的电力装机和发电量。《美国能源展望2018》提供了“高”、“低”和“参考”三个条件假设,分别对应美国国内生产总值年复合增长率为2.6%、1.5%和2.0%。其中,参考条件假设比较接近美国实际的经济增长,高、低条件假设计算的是变化范围,趋势结论不变。

美国长期电力预测还有一个重要的变量因子是原气资源与技术条件。资源与技术条件影响油气发电的装机容量和发电量的变化,也影响到可再生能源的发展规模。此外,还需要考虑了新能源的激励政策和技术进步,这个对新能源发电装机容量影响较大。考虑碳排放的约束,相对于其他国家的水电构成重大利好,但是美国水电资源的开发程度已经很高,因此对美国水电影响不大。

经济条件对电力需求变化的影响不明显。2050年,相对参考经济条件,低增长条件减少装机容量112.91GW,高增长经济条件增加81.19GW的容量需求,高低经济增长条件的装机容量差仅为194.1GW。

结语

提高电力装机不是美国的主要任务,主要任务是针对清洁电力计划、油气条件变化,以及新型可再生能源的成本,调整美国的电力结构,继续朝着低碳方向发展。水力发电由于在工程生命周期内的EP/ETP可以达到300,是燃油发电的10倍,更是远超其他可再生电力品种。因此,美国未来没有兴建大型水电站的计划,在大量中小型水电退役的情况下,任务是尽量延续现有水电站的发电功能。即使到2050年,美国采取各种措施保持水电现有80000MW的装机规模。

(作者:水电水利规划设计总院杜效鹄)

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