2018年全球水電發展現狀與開發潛力分析

周興波,杜效鵠

(水電水利規劃設計總院,北京 100120)

水能是一種既經濟又清潔的可再生能源。在當前條件下,水力發電具有技術成熟、開發經濟、調度靈活、清潔低碳、安全可靠等優點,并可兼顧灌溉、防洪、航運等社會效益,世界各國均將水力發電作為能源發展與基礎設施建設的優先選擇。2017年,全球水力發電量占總發電量的16%,占全球可再生能源發電量的62%,超過風能、太陽能、生物質能、海洋能及地熱能等其他可再生能源發電總量的2倍[1]。目前,中國水電裝機、水電發電量、大壩數量均居世界第一,已建和在建的特高壩和梯級水庫群建設規模、壩工技術及相關基礎理論研究引領全球[2-6]。

近年來,已有眾多學者和研究機構對全球水力資源總量采用多種方法進行評估。Lehner等[7]通過對比當前與未來的氣候變化和用水情況,評估全球水電理論蘊藏量為52.25萬億kW·h/a。Pokhrel等[8]基于全球徑流數據,并以0.5°的空間網格評估全球水電理論蘊藏量為58.48萬億kW·h/a。Zhou等[9]基于徑流和河流流量、水輪機技術性能、經濟成本假定等方面,評估全球水電理論蘊藏量為127.58萬億kW·h/a,技術可開發量為30.47萬億kW·h/a,經濟可開發量為15.35萬億kW·h/a。Gernaat等[10]采用15″×15″的流量地圖和3″×3″數字高程地圖,在全球超過380萬個站點建立虛擬水電站,并進行成本優化,進而評估全球水電理論蘊藏量為50.25萬億kW·h/a。世界能源理事會《World Energy Resources 2016》[11]估計,全球未開發量約為10萬億kW·h/a,據國際能源署和國際水電協會預測,至2050年全球水電裝機容量將達到20.5億kW?？傮w來看,全球水電理論蘊藏量為36萬億～128萬億kW·h/a,技術可開發量為8萬億～26萬億kW·h/a,經濟可開發量為8萬億～21萬億kW·h/a。同時,全球水力資源分布及開發程度差異較大。從資源分布來看,亞洲和非洲水力資源較為豐富,占世界水力資源技術可開發量的44.7%左右。從開發程度來看,歐洲、北美水力資源整體開發利用水平較高,經濟開發程度超過68%,部分國家水力發電量占總發電量的比例超過90%,如挪威2017年水力發電量占總發電量96%。2007—2017年,全球水電裝機由8.48億kW增長到12.67億kW,年均增長率約為5%,增長點主要來自東亞、南亞、中亞及非洲地區。

長期以來,我國學者對國內的水電開發形勢分析較多[12-15],但對全球水電整體開發利用現狀持續關注和分析不足,對各國最新的水電裝機、開發潛力、發電量等數據更新不及時,對全球水電行業最新發展趨向缺乏深入研究與預測,難以滿足中國水電企業全球化發展的需求。筆者將全球劃分為北美洲、南美洲、非洲、歐洲、中亞和南亞、東亞及環太平洋地區六大區域,系統梳理各區域水電最新發展現狀,并在此基礎上,結合全球水電資源稟賦,深入分析水電開發潛力,可供國際水電市場開發參考與借鑒。

1 全球各區域水電發展現狀

近年來,全球水電總裝機容量持續增加,但年度增量呈下降趨勢。2014—2017年全球水電總裝機容量由103 600萬kW增至126 700萬kW,但2017年新增水電裝機容量僅為2 190萬kW,增幅為近3年最低[16-19]。從各區域發展看,東亞及環太平洋地區水電總裝機容量以46 833萬kW位列第一,歐洲總裝機容量以24 856萬kW位列第二,其他地區水電總裝機容量依次為北美洲20 305萬kW、南美洲16 696萬kW、中亞和南亞14 471萬kW,非洲水電總裝機容量最少,為3 534萬kW。2017年東亞及環太平洋地區新增裝機容量最大,為1 085.8萬kW,北美洲新增裝機容量最小,僅為50.6萬kW。從國家發展情況來看,中國以34 119萬kW水電總裝機容量位列世界第一,其次是美國(10 287萬kW)、巴西(10 027萬kW)、加拿大(8 099萬kW)和日本(4 991萬kW)。

1.1 北美洲

截至2017年,北美洲總裝機容量20 305萬kW,超過96%的水電裝機位于美國、加拿大和墨西哥,較2016年略有增加,各國水電發展情況見表1。2017年,北美洲年發電量7 830億kW·h,新增裝機213.2萬kW,其中美國38.2萬kW,加拿大166.2萬kW,墨西哥3.3萬kW,巴拿馬5.1萬kW。

表1 北美洲各國水電發展情況

目前,水電約占美國電力生產的6%,占加拿大電力生產的64%,占墨西哥電力生產的12%。美國2017年新增裝機來源于已建設施升級改造或新建抽水蓄能電站,按照美國能源部發展目標,截至2050年將通過改建或擴建新增裝機1 300萬kW,新建抽水蓄能電站裝機3 600萬kW,最終達到新增5 000萬kW的目標。此外,2018年美國政府批準水電基礎設施建設或改造經費達1.05億美元,包括0.35億美元的抽水蓄能發電項目和0.7億美元的海洋能和潮汐發電項目。加拿大制定了2030年溫室氣體排放比2005年減少30%的目標,當前正在建設的蓄水工程包括位于中南部的科亞斯科發電站(Keeyask,2021年建成)、位于不列顛哥倫比亞省的C項目(Site C,2024年建成)和拉特瀑布水電項目(Muskrat Falls, 2020年建成)。墨西哥可再生能源中水電占比最高,據估計墨西哥水電經濟可開發量約為2 700萬kW,當前開發程度約為45%。按照墨西哥能源發展目標,2024年清潔能源占電力生產總量的35%,2050年增長至50%。

1.2 南美洲

截至2017年,南美洲水電總裝機達到16 696萬kW,超過83%的水電裝機位于巴西、委內瑞拉、哥倫比亞和阿根廷,各國水電發展情況見表2。2017年,南美洲水電新增裝機407萬kW,其中巴西新增225.8萬kW,哥倫比亞新增12萬kW,阿根廷新增7.2萬kW,智利新增21.6萬kW,秘魯新增11.4萬kW,玻利維亞新增10.9萬kW。

巴西水電開發潛能僅次于俄羅斯和中國,巴西水電占國家電力總裝機的64%,2017年巴西政府計劃吸引私營企業參與投資,并從支持大型水電項目轉向支持分布式可再生能源項目。巴西北部的1 120萬kW貝羅蒙特項目預計是巴西最后一個大型水電項目,2016年首臺機組發電,2020年全面投產。目前,建于20世紀六七十年代的巴西大型水電站同美國較為相似,均面臨維修升級和現代化改造的壓力。哥倫比亞水電占全國電力裝機的70%,2017年水力發電占全國發電量的86%。目前,哥倫比亞政府制定了2030年實現溫室氣體排放相比2005年減少20%的目標,根據哥倫比亞能源礦業部統計,共有125個水電項目正在預可行性研究階段,裝機容量約為560萬kW。秘魯水電占電力裝機容量的35%,水電開發潛能約為7 000萬kW,2017年開發比例僅為7.7%。當前,共有39個水電項目正在規劃中,其中位于馬拉尼翁河的韋拉克魯斯(Veracruz)和查丁二期(Chadin Ⅱ)的規模最大,裝機容量分別為63.5萬kW和60萬kW。依據秘魯政府計劃，2040年將實現能源自給和可再生能源在能源結構中的占比從目前的5%至少提高到20%的目標,未來秘魯水電市場開發前景廣闊。

表2 南美洲各國水電發展情況

1.3 非洲

非洲水能資源豐富,但開發程度不足10%,截至2017年,非洲水電總裝機3 534萬kW,剛果(金)、納米比亞、埃塞俄比亞、蘇丹水電在各國發電量中的占比超過90%,非洲各國水電發展情況見表3。2017年,安哥拉新增1 148萬kW,科特迪瓦新增275萬kW,津巴布韋新增172萬kW。

安哥拉政府將水電開發作為戰略重點,2017年水電裝機容量比2016年增長72%。拉烏卡水電站是安哥拉最大的基礎設施,總裝機容量為207萬kW,2017年首批2臺機組投產發電;另外,位于寬扎河上的坎班貝(Cambambe)水電站完成現代化改造,裝機容量提高到96萬kW?？铺氐贤哒媱?020年發電量翻一番,裝機容量達到406萬kW。2017年,位于薩桑德拉河納瓦瀑布(Naoua Falls)的蘇布雷項目(Soubré)投入運營,電站裝機容量為27.5萬kW。津巴布韋全國電力僅能達到40%,國家供電管理局計劃開發贊比西河擴建卡里巴湖南岸項目。贊比西河潛在未開發容量約為172萬kW,卡里巴湖南岸擴建項目首臺機組已于2017年底投產。被稱為“東非水塔”的埃塞俄比亞水電裝機排名非洲第一,其90%的電力供應來自水電,潛在水電裝機容量達4 500萬kW,政府設定了至2030年水電總裝機達2 200萬kW的目標。隨著2016年裝機187萬kW的吉布Ⅲ水電站投產運行,埃塞俄比亞徹底告別缺電時代,該水電站大壩壩高246 m，為全球最高碾壓混凝土重力壩。摩洛哥可再生資源豐富,全國電力總裝機826.2萬kW,其中水電裝機177萬kW,摩洛哥政府設定了到2020年水電裝機容量達200萬kW的目標,到2030年總裝機容量再增加1 010萬kW。2017年,摩洛哥電力及用水辦公室宣布新建2座抽水蓄能電站,總容量達60萬kW,一座是位于塞布河上游的埃爾門澤爾二期水電站(l Menzel Ⅱ),另一座是位于拉烏河(Oued Laou)右岸的伊法薩水電站(Ifahsa)。此外,摩洛哥已開始建設12.8萬kW的海尼夫拉電站(Khénifra)和幾個小型水電項目,包括位于陶納特(Taounate)的Bar Ouender(3萬kW)、阿茲拉爾(Azilal)的Boutferda(1.8萬kW)、貝尼邁拉勒(Beni Mellal)的Tillouguit aval(2.6萬kW)等。烏干達能源資源豐富,但通電人口不足15%,總的能源潛力裝機為530萬kW,其中水電裝機220萬kW。目前烏干達全國總裝機容量為95.77萬kW,其中水電74.3萬kW,主要來自尼羅河的布賈蓋利(Bujagali)、基拉(Kiira)和納魯巴爾(Nalubaale)電站,裝機容量分別為25.5萬kW、20萬kW和18萬kW。

表3 非洲各國水電發展情況

1.4 歐洲

歐洲國家可再生能源利用率較高。2018年年初,歐盟議會表決到2040年將可再生能源的比例從27%提高到35%,水電是歐洲國家可再生電力的單一最大來源。截至2017年,歐洲水電總裝機容量達24 856萬kW,挪威、法國、意大利、西班牙、瑞士、瑞典、奧地利和德國的水電裝機均超過1 000萬kW,歐洲各國水電發展情況見表4。

表4 歐洲主要國家水電發展情況

2017年,歐洲水電新增裝機3 000.9萬kW,其中,葡萄牙、奧地利、挪威新增裝機分別為105萬kW、93.9萬kW和21.1萬kW。歐洲很多國家水電站均修建于20世紀六七十年代,新增容量大多來自升級改造或新建小水電項目。挪威是全球人均水資源最豐富的國家之一,可開發量約為3 800萬kW,開發程度約為84%,水電發電量占全國總發電量的99.5%以上,是世界水電占比最大的國家。挪威水電開發極為重視環境保護,實施開發許可證制度和流域統一規劃開發管理制度,且限制外資企業投資建設。葡萄牙2017年水電新增裝機主要來源于78萬kW的弗拉德斯二期項目(Frades 2)和27萬kW的福斯圖阿項目(Foz Tua)。瑞士水電開發利用程度很高,鼎盛時期,水電發電量占全國發電量高達90%。后來,由于瑞士大力發展核電,使得水電發電量降至60%左右。2017年,瑞士公布將降低能耗并提高能效,大力發展可再生能源,包括擴建水電站等,并退出核能。奧地利擁有豐富的水資源,水電在能源發展中發揮了重要作用,目前,水電約占總發電裝機容量的56%,與2007年前的61%相比有所下降。而在同一時期,風能和太陽能增長4倍,這可能是造成水電小幅下降的原因,但在該國“2017年電網發展計劃”中,奧地利明確將水電列為支持風能和太陽能實現預期增長的支柱。

1.5 中亞和南亞

中亞和南亞電力需求旺盛,電力基礎設施建設是當前的重要任務之一。截至2017年,中亞和南亞水電總裝機容量達14 471萬kW,印度、俄羅斯、土耳其、伊朗水電裝機容量均超過1 100萬kW,中亞和南亞國家水電發展情況見表5。2017年,中亞和南亞水電新增裝機410萬kW,其中印度新增200.7萬kW,俄羅斯新增36.4萬kW,土耳其新增43.2萬kW,伊朗新增61.5萬kW。

表5 中亞和南亞各國水電發展情況

近年印度水電在電力結構中的占比一直下降,2017年水電占全國總發電量約為10%,但印度水電潛在容量在全球排名第五,并有超過9 000萬kW的抽水蓄能潛力。2017年印度新增清潔電力1 570萬kW,其中約有200萬kW新增水電容量,主要來自120萬kW的提斯塔三期(Teesta Ⅲ)電站項目。俄羅斯水力資源十分豐富,西伯利亞地區水電的裝機容量大約占電力裝機總容量的49.2%。與2016年相比,水力發電保持穩定,占俄羅斯統一電力公司(UES)電力供應總量的17%。吉爾吉斯斯坦能源結構高度依賴水電,2017年水電占總發電量的93%,但當前開發程度僅為10%。吉爾吉斯斯坦擁有的7座水電站中有5座運行已超30年,可靠性和服務質量存在風險,故政府近期目標是已建電站現代化升級改造和建設坎巴拉塔(Kambarata)2號壩水電站未完工程;遠期計劃是開發186萬kW的坎巴拉塔1號壩水電站和超過20萬kW的上納倫水電站,但均因缺少資金而多次停滯。土耳其水能蘊藏量占全球1%,2017年土耳其遭受了44年以來最嚴重的干旱,但全國各地水壩得到有效利用,在滿足生活和灌溉用水的同時,2017年水力發電量降幅只有12.7%。土耳其政府制定了到2023年水電總裝機達3 600萬kW的發展目標,較2017年相比,還將增加近1 000萬kW。

1.6 東亞及環太平洋地區

截至2017年東亞及環太平洋地區水電總裝機容量為46 833萬kW,占全球總裝機容量的37%,其中中國裝機容量占全球的27%,東亞及環太平洋地區主要國家近兩年水電發展情況見表6。2017年,東亞及環太平洋地區新增裝機容量達1 085.8萬kW,居六大區域之首,其中中國新增裝機容量達1 008萬kW,幾乎占全球總量的一半;越南新增水電裝機37.3萬kW,老撾新增16.6萬kW,柬埔寨新增10萬kW。

表6 東亞和環太平洋地區國家水電發展情況

作為目前的全球水電第一大國,中國的水電開發建設成績斐然。2017年中國水電發電量幾乎占總發電量的20%,遠遠超過風電的5%和太陽能發電的2%。根據《水電發展“十三五”計劃》,到2020年水電裝機容量將達到3.8億kW,抽水蓄能電站裝機將從現在的2 849萬kW增加到至少4 000萬kW；到2025年,抽水蓄能電站總裝機容量將達到9 000萬kW。同時,中國正在成為綠色融資的引領者,2017年中國發行超過370億美元的綠色債券,這一市場未來預計將成為水電融資的主要來源。越南新增裝機主要貢獻者是26萬kW的Trung Son水電站和從15萬kW擴建至22.5萬kW的Thac Mo水電站。印度尼西亞政府計劃至2025年水電裝機容量翻兩翻,達到2 000萬kW的目標,正在建設的項目包括104萬kW的Upper Cioskan、90萬kW的Matenggeng、17.4萬kW的Asahan三期和15萬kW的Pembangkin電站。巴布亞新幾內亞水電技術開發潛力達1 500萬kW,當前開發程度不足2%,未來市場前景廣闊,正在開發的大型水電項目包括8萬kW的Naoro-Brown、24萬kW的Ramu 2和5萬kW的Edevu,其中Ramu 2由中資企業采用PPP模式開發。菲律賓水電行業近年來增長有限,但仍占總裝機容量的18%;根據“菲律賓能源計劃”,2040年其裝機容量需從4 000萬kW提高到6 000萬kW以上,其中水電裝機容量約為1 350萬kW,正在開發建設中的項目包括50萬kW的Wawa抽水蓄能電站、35萬kW的Alimit電站及其他小規模徑流式水電站。

2 全球水電開發潛力分析

全球水電資源空間分布并不均勻,亞洲及環太平洋地區水電開發潛力約占全球的51%,南美洲約占18%,北美洲約占14%,歐洲約占8%,非洲約占9%,全球水電開發潛力分布情況如圖1所示[20]。據文獻[21]可知，2017年全球水電發電量約為41 850億kW·h,全球水電技術開發程度(發電量與技術可開發量的比值)為29%,歐洲水電技術開發程度為53%,北美州為44%,南美洲為27%,亞洲和環太平洋地區為25%,非洲僅為10%;全球水電經濟開發程度(發電量與經濟可開發量的比值)已達48%,歐洲水電經濟開發程度達80%,北美洲達77%,南美洲為47%,亞洲和環太平洋地區為43%,非洲僅為15%。各國技術可開發量、未開發量及開發程度見表7。

由上述分析及圖1、表7可知,北美洲西北部、南美洲西部、歐洲南部、南亞及東南亞以及非洲國家水電資源較為豐富,但歐洲、北美地區水電開發程度較高,故開發潛力有限,非洲、除中國之外的南亞及東南亞地區水電開發程度較低,開發潛力較大,南美洲基本與全球平均水平持平。

從國家來看,全球前20技術未開發量(即技術可開發量減去已開發量)最大的國家依次是俄羅斯、中國、加拿大、印度、巴西、印度尼西亞、秘魯、剛果(金)、塔吉克斯坦、美國、尼泊爾、委內瑞拉、挪威、土耳其、哥倫比亞、安哥拉、智利、緬甸和玻利維亞。其中,印度尼西亞、秘魯、剛果(金)、塔吉克斯坦、尼泊爾、安哥拉、緬甸、玻利維亞8個國家的技術開發程度均低于10%,開發潛力較大。

表7 全球水電技術未開發量前20國(數據來源：WEC[11], IHA[16-19])

3 結論及建議

作為發展時間最長、規模最大、技術最成熟的可再生清潔能源,水電是風電、太陽能發電、生物質發電、潮汐能和海洋能發電等其他可再生能源的助推者,在全球能源轉型和應對氣候變化中具有重要作用。截至2017年,全球水電累計裝機容量達12.67億kW(包括抽水蓄能裝機容量1.53億kW),全年水力發電量為41 850億kW·h，其中2017年新增水電裝機容量為2 190萬kW(包括320萬kW抽水蓄能電站)。中國以1 008萬kW位列2017年新增水電裝機最快的國家,之后依次為巴西(新增225.8萬kW)、印度(新增200.7萬kW)、葡萄牙(新增105萬kW)、安哥拉(新增114.8萬kW)。從水力資源稟賦和當前水電開發情況看,非洲、南亞及東南亞地區未來水電開發潛力較大,從水力資源層面看，印度尼西亞、秘魯、剛果(金)、塔吉克斯坦、尼泊爾、安哥拉、緬甸、玻利維亞等國開發潛力較大,市場前景廣闊。

總體來看,全球水電總裝機容量將持續增加,但年度增量呈下降趨勢,水電發展速度將逐步放緩。隨著大數據、云計算、物聯網等新興技術快速發展,信息技術、通訊技術、民用航空技術、工業制造技術的進步,水電勘測設計、建設運行、維護管理將朝著可視化、精準化、數據化、智能化方向發展,水電大壩及配套發電設施的清淤維護、更新升級將是水電工程可持續發展的新方向。同時,考慮已建水庫大壩逐漸增多,運行時間越來越長,加之極端氣候、自然災害時有發生,水電大壩及發電設施全生命周期的安全管理與風險防控將是全球各界共同關注的問題。