水电是减排的金钥匙

  ――巴黎气候大会之后的战略思考

  作者:赵南元

  减排任重道远

  巴黎气候大会规定了减排目标是气候变暖不超过2摄氏度,中国作为世界第一的二氧化碳排放大国首当其冲。有人说如果全球气候变暖达到2摄氏度,则由于两级冰盖融化海平面上升,将导致上海街道淹水,变成威尼斯。人类活动造成地球暖化已经是科学界的主流意见,虽然仍有少数人发出质疑,毕竟天气预报远不如月蚀预报那样令人信服,但是减排的重要性并不会因此受到影响。因为减排还有另一个理由,那就是化石能源不可再生,存量再多也是有限的,终归有一天会用完。我国资源最丰富的煤炭,据说可采储量10000亿吨,按照每年开采50亿 吨计算,还可以开采200年。对于人生而言,200年太漫长,但是在历史的长河中,200年只是短短的一瞬。节省化石能源,让未来的人还有化工原料可用,是造福千秋万代的大好事。

  为什么会弃风弃电?

  只要不想倒退到原始社会,减排的唯一途径就是发展可再生能源。现在备受瞩目的可再生能源是风电和光伏,近年来国家下大力气发展,给出了强有力的财力和政策的支持,甚至发生了“产能过剩”,出口被人反倾销的现象。产能上去了,应用方面却不顺利,发出的电力被白白扔掉一部分:“2012年,中国风电装机容量增加了13吉瓦,发电量增长首次超过煤电。与此同时,中国风电的“弃风”量也在这一年打破历史纪录,全国“弃风”电量达208亿千瓦时,“弃风”率约17%。近日,中国风能协会副理事长施鹏飞在接受记者采访时表示,电网的接入、传输和消纳仍是我国风电发展的主要瓶颈。”(http://news.bjx.com.cn/html/20131009/463410.shtml

  电网的接入、传输在技术上并不困难,我国电力的远距离传输技术居世界领先地位,只要在建设风电场时注意规划输电线路即可。真正的困难在于消纳。

  要理解消纳的困难首先要知道风电和光伏发电的特点。众所周知,风电是有风才能发电,风停了就没电了;光伏是有太阳才能发电,阴天或夜间就没电了。而且人类还没有呼风唤雨拨云见日的本领,只能听任这些电想来就来想走就走。要用时没有,不用时来了只好扔掉,直接用这样的天然供电当然是不靠谱的。借用阮次山描述优质石油时所用“甜油”这个词汇,我们可以称这种劣质电为“苦电”。

  要想消纳这些“苦电”,就要依靠电网的调峰能力。一般电网都具有一定的调峰能力,以适应负荷随时间的变化,但是一般的发电厂调整发电量都会造成一定的损失,所以调峰不是没有成本的,这就是峰谷电价的来历,在总体负荷较小,电力富余时(例如夜间)降低电价,可以鼓励人们在此时多用电,减少调峰的损失,即使电价低些还是划得来的。在负荷波动不大时,调峰损失还可以忍受,但是如果负荷波动太大,损失是发电厂是难以承受的,这也就是风电被弃电的根本原因。

  前些日子看央视2频道周日深夜的一个节目,就谈到了可再生能源的调峰问题,一群业界精英人士向一位德国专家讨教克敌良策,德国专家的诀窍就是做好预测,据他说德国现在预测天气的准确度达到90%以上。凡事预则立不预则废,提前准备好,风停了又没太阳时开启常规的发电厂,不至于手忙脚乱。其实诸葛亮借不来东风,只是预测何时刮东风确实有两把刷子。

  请德国专家来有他的道理,毕竟德国在运用风电和光伏方面在世界上遥遥领先,可再生能源发电量占比30%以上,而且曾经创造了可再生能源峰值功率占比接近80%的纪录。但是中国毕竟不是德国,资源禀赋差别甚大,如果真的按德国人的方法干,那可就亏大发了。德国目前的核电较多,而中国主要是燃煤火电,核电和煤电都用蒸汽轮机,蒸汽轮机的启动需要时间预热,所以在需要预测方面并无不同。但是火电的调峰成本远高于核电,沿用德国的热电调峰方法得不偿失。实际上调峰成本最低的是水电,而且不需要预测,德国为什么不用呢?道理很简单,德国水能资源太少,发电占比估计在1%左右,根本背不动50%以上的风电和光伏,核电是次优之选。而中国的水能资源得天独厚,居世界第一位,调峰重任 非水电莫属。起动汽轮机需要预热24小时以上,起动水轮机只需要水闸门开启的时间,预测也就意义不大了。当然,将来如果中国核电发展多了,用核电调峰也是一个次优的选项,但是现在中国核电肯定是不够用的。

  各种能源发电的比较

  为了更深入讨论这个问题,作为预备知识,先比较一下各种发电方式的优缺点。

  火电:初始建设成本最低,运行成本最高,调峰成本最高。
  核电:初始建设成本较高,运行成本较低,调峰成本较低。
  水电:初始建设成本最高,运行成本最低,调峰成本最低。

  综合发电成本每千瓦时:水电 0.3-0.4元,火电0.4- 0.5元,风电 0.6元,光伏 1.0元。核电成本应该比火电略低,但是由于保障安全的费用逐步升高,综合成本也可能高于火电。

  水电的三种运行方式:

  单纯发电: 普通水电站一般采用这种方式运行,装机容量视平均来水量而定。以三峡为例,装机容量32X70+10=2250万千瓦,如果满负荷运行,一年8760小时发电1971亿千瓦时,实际年发电量在1000亿千瓦时左右,这是受实际水量限制的。这种水电站往往肩负其他功能,例如防洪、抗旱、航运、供水、上下游水位控制等,这就使得这类水电站有时会牺牲电网调峰功能,满足其他功能的需要,调峰只能在其他功能限制下进行,不可太任性,调峰能力不强。

  发电调峰:如果要求水电站有较大的调峰能力,需要减少其他功能的需求,增加数倍的装机容量。上述三峡的装机容量是平均值的2倍,这种电站可以加到3-5倍,这样其输出功率可以在0-3或0-5倍平均功率的范围自由调整,满足电网调峰需求。

  发电蓄能:如果需要水电站具备更大的调峰能力,能储存电网的多余电力,可以让水电站兼有抽水蓄能电站的功能。最理想的做法是建设一连串的梯级电站,各水库首尾相连(否则无法把下一级水库的水抽到上一级水库中去),进一步加大装机容量,而且水轮机都采用可以兼做水泵运行的机种。这种梯级电站比起一般的抽水蓄能电站,由于库容大得多,功率也大得多。其蓄能的能力也是一般抽水蓄能电站所望尘莫及的。

  横断山区梯级蓄能水电站设想

  为了大幅度增加电网调峰能力,消纳风电和光伏这些苦电,需要超大功率和超大容量的甜电――梯级蓄能水电站。我国最适合建设这种水电站的地点就在横断山区,这里是我国水能资源最丰富的地区,同时人口稀少,产业不发达,移民成本低,目前开发程度还很低,缺点是远离用电地区,这个缺点可以靠特高压远程输电技术解决。

  横断山区的特点是南北走向的山脉夹着几条江河:怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河、安宁河等,水量和落差都很大,地形非常适合于建造首尾相连的水库,构成成批的发电蓄能电站。原有的首尾不相连接的水库,也可以在其间增建一个或数个水库使其相连。这样的水电站集群建成之后,将极大增强我国的电网调峰能力,足以消纳现存乃至未来的风电和光伏这些苦电。

  一箭四雕

  横断山区梯级蓄能水电站的建设,综合效益非常之大。

  首先,实现减排。2014年我国发电量5.54万亿千瓦时,其中水电只有约1万亿千瓦时,仅占不到20%,如果横断山区水电集群建成,则可以使我国水电发电量翻倍,接近2万亿千瓦时。而且由于电网调峰能力的增强,风电消纳问题得以解决,可以与水电同步发展,我国蕴藏的风电资源每年2.3万亿千瓦时如果最终全部开发出来,加上新增水电就是3.3万亿千瓦时,每年可以减少煤炭消耗10亿多吨,少排放近40亿吨二氧化碳。如果再加上光伏,5.54万亿千瓦时几乎可以不再需要烧煤发电,减排效果十分可观。虽然今后几十年发电量还会不断增加,至少2030年达到峰值之后逐步减少碳排放是不困难的。减排不仅有长远的控制气候变暖的效果,更有克服雾霾的近期效果(环保部:燃煤系全国雾霾直接原因 贡献 率达61% http://news.youth.cn/sh/201512/t20151215_7419144.htm ),不能 不说是拖延不得的事。

  其次是保增长。目前正值经济增长下行压力增大,保增长成为重要任务。水电的最大缺点就是初始投资巨大,目前的经济形势下这个最大缺点反而成了最大的优点。投资对拉动增长有立竿见影的效果,而对于投资的最大担心就是回报是否可靠。目前楼市销售不畅,库存较多,交通外部效益大,但回本不易,唯有投资水电是稳赚不亏的。以溪洛渡水电站为例,工程总投资:792亿元,年发电量571.2亿千瓦时,以每千瓦时0.2元计算,年产值114亿元,十年还本付息毫无悬念。其后的发电成本就微乎其微了,例如新安江水电站建成50年,平均下来的发电成本是0.44分/度。难怪有人说,一座水电站就相当于一台巨大的印钞机。因 此,加快水电站的建设速度,近期可以增加投资保增长,远期经济效益更是造福万代。一座水电站投资近千亿元,横断山区数十座水电站总投资数万亿,其投资力度足以保持我国GDP稳定增长,加大水电建设速度,保七保八都是有可能的。

  第三是消化过剩产能。房地产市场的低迷,导致水泥和钢材这些产业产能过剩,价格下跌,经营陷入困境。水电站建设是水泥和钢材需求的大户,一旦开始大规模兴建水电站,产能过剩问题将迎刃而解,而且趁此原材料价格低迷时期实施建设,还可以大大节约成本,提高投资效益。有效生产力不会遭到破坏,又节约了建设成本,对双方都是好处。现今我国的城市化进程才走到一半,人均钢产量只有日本的一半,人均钢铁积蓄量也才达到发达国家的一半,正值“先帝创业未半”的当口,此时挥刀对着来之不易的产能大杀大砍,决非明智之举。

  第四是有利于扶贫攻坚。十八大提出了全民进入小康,使得最后七千万人口脱贫的艰巨任务,而横断山区又是少数民族众多的贫困地区。兴建水电站一方面可以通过移民改变贫困面貌,留在当地的人也可以用上电力炊事取暖,不仅不必 再继续砍柴破坏植被,还可以参与库区植树造林恢复生态,从而获得收入实现脱贫,水库养殖也能致富,这些都大有助于扶贫攻坚。

  破解魔咒

  建设水电站这个利国利民的大好事,过去十几年间却在重重阻力之下踯躅前行,究其原因,还是思想陷入了误区,很多人的认识被卖拐的忽悠瘸了。这个忽悠人的魔咒就是所谓的“水电破坏生态”。

  “水电破坏生态”和“转基因不安全”是两个最大的魔咒,与“手机基站辐射影响健康”这样的小魔咒相比,其影响力要大得多,社会危害和造成的损失也要严重得多。这两个魔咒都是靠海量的谣言造势获得了社会影响力。这些谣言都很容易驳倒,但是逐一驳斥起来其篇幅足以构成一本厚书,非本文可以容纳的。扬汤止沸不如釜底抽薪,如果能抓住关键,一句话就可以说清楚。对于“转基因不安全”,我们知道“一切转基因育种所得到的品种,都可以用突变选择这样的常规育种方法获得,所以区别转基因和非转基因毫无意义。”(参见拙文《转基因与图灵机》 http://blog.ifeng.com/article/33906835.html )对于“水电破坏生态”也只需一句话:“你听说过湖泊破坏生态的说法吗?水库只是人造的湖泊而已,不可能破坏生态。”

  建造水库把河流变成了湖泊,二者的生态肯定不同,生态发生了改变,如果是变坏了,才可以说是“破坏”,如果是变好了,那就是“改善”。湖泊和河流的生态作用不同,二者缺乏可比性,如果一定要比,可以找一个单个参数来比,例如生态容量。显然湖泊的生态容量大于河流,水库的渔获量远远大于原来的河流。从这个角度看,水库的生态优于河流,修建水电站是改善而非破坏生态,例如新安江水电站大坝后面的千岛湖就是个生态环境优良的旅游胜地。北京的观鸟圣地也都在水库周边,今冬,在北京消失了70多年的小鸟――栗斑腹c多次在密云水库被发现。这种鸟目前在全球仅存不到1000只,是世界上最珍稀的鸟类之一。

  在一些伪环保分子看来,人工改变所造成的新生态一定不如原有的自然生态,在激流中生存的鱼类要比静水中的鱼类价值高,就像《动物庄园》中所说的:“所有的动物一律平等,但是有些动物比其他动物更加平等。”这种看法的分歧实际上反映了东西方世界观的分歧。在西方人看来,世界和人都是上帝造的,仁慈的上帝造了人也为他们准备了伊甸园这样优越的生活环境,人类自作主张偷食禁果才被逐出幸福的家园,上帝也规定了人该吃什么不该吃什么,并且预先准备好了这些物种。中国人的世界观于此相反,老子曰“天地不仁,以万物为刍狗”,盘古开天辟地女娲造人之后没有任何关照和指示,要靠燧人氏有巢氏神农氏自行创造生存的环境。如果人造的真的不如天然,人类又何苦辛勤地改造自然呢?生命起源之后,原始的藻类把地球上原有的还原性大气改变成了氧化性的大气,才有了后来人类诞生的可能。人类从狩猎采集发展到放牧农耕,创造了大量栽培作物和饲养动物的新品种,彻底改变了地球的生态环境,才有能力在多次的灭绝危机中得以幸存。

  关于生态学的种种错误思潮,感谢刘夙博士推荐了两篇文章(刘夙:当万物 重新有灵http://blog.sciencenet.cn/blog-695599-563960.html 和 隐侠:从萌芽到分裂:生态学思想简史http://wenku.baidu.com/view/624ca553ad02de80d4d8400c.html )文章对于与生态学有关的种种价值观错乱,及其哲学基础和来龙去脉分析得十分透彻,可以 使我们了解错误的生态观念之起源和变迁史,知道它们错在什么地方,知道“让河流自由流淌”的口号是基于万物有灵论和西方生态主义的产物。只有打破这些“人文生态学”的错误价值观泛滥所产生的魔咒,利国利民的水电事业才能顺利发展。

  光伏发电

  我国风电资源蕴藏量有限,和水电相加不到每年5万亿千瓦时,以目前的发电量看,占比已经相当高了,现有的大部分火电厂可以处于备份状态。从长远的规划看,2050年我国的年发电量要超过10万亿千瓦时,可再生能源占比只有40%左右,如果需要进一步减排,加大可再生能源比重,风电水电达到了资源极限,只能借助光伏的力量。

  我国阳光资源主要在西部,特别是青藏高原最佳。西藏面积120万平方公里,拿出1/10的面积用于光伏发电,即可满足每年5万亿度,完全取代煤电的需求。而且西藏靠近横断山区,距离蓄能地区较近,这些都是优势。遗憾的是,光伏的年发电小时数比风电低很多,对蓄能的要求更加严苛,即使是横断山区梯级电站群,要背起如此之大的光伏发电量也是很困难的。对此只能走一步看一步,逐步建设光伏电站,到背不动为止,至少每年1万亿度还是有希望的。也寄希望于核电发展,作为调峰的助力。

  总之,只要充分开发水电,就能打破减排的困局,而实现的关键则在于破解“水电破坏生态”的魔咒,识破万物有灵论等人文生态学的弊害,使水电得以顺利发展。现在少烧掉一吨煤炭,就给子孙后代留下一吨,现在不利用的水能,每天都是“逝者如斯夫”,一去不复返。

  (2016.3.2首发于《产业人网》)

(XYS20160306)

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