導讀

為應對氣候變化、實現(xiàn)減排承諾，優(yōu)先發(fā)展包括水電在內(nèi)的清潔能源已成為國際共識。世界銀行、亞洲開放銀行等國際金融機構重新加大了對水電的投資力度，歐美等發(fā)達國家也重新審視水電作用，新興經(jīng)濟體則把水電作為重要的能源發(fā)展計劃。由于開發(fā)利用程度的不同，各國對水電發(fā)展也呈現(xiàn)不同的態(tài)勢。美國作為曾經(jīng)的水電強國，依靠技術與標準引領世界水電超過半個世紀，上個世紀90年代就無壩可建，處于資源型后大壩時代。那么美國近年來水電如何?未來將呈現(xiàn)怎樣的走勢?本文將略窺一斑。

一、資源稟賦與開發(fā)歷史

美國水能資源在全球位列第七。據(jù)美國陸軍工程師兵團的研究，全美水能資源可裝機512,000 MW，發(fā)電量為4485TWh/年;技術可開發(fā)量為146,700M W，相當于年發(fā)電量528.5 TWh;經(jīng)濟可開發(fā)電量約376TWh/年。(中國資源量大約為美國的4倍)。

美國水能利用歷史悠久，水力發(fā)電超過120年。第一座水電站建成于1892年，是位威斯康星州的Appleton電站，裝機約12.5千瓦。19世紀末，美國建設了40～50座水電站，水力發(fā)電占全國總電量的15%，1920年為25%，1940年達到為40%。上個世紀20~70年代末是美國水電開發(fā)的高峰期。期間以大量的創(chuàng)新技術和前沿標準引領全球，成為該時期名副其實的水電強國。美國常規(guī)水電裝機發(fā)展見圖1。

美國開始主要是解決西部干旱地區(qū)的水資源問題而興建水壩。在20世紀二十年代的大蕭條時期，美國西部同時發(fā)生了洪水和干旱等自然災害，促使興建具有綜合服務功能的水利樞紐工程，并通過西部開發(fā)拉動國內(nèi)經(jīng)濟。美國的西部開發(fā)也是美國的大壩時代。廉價的水電拉動了美國西部城市建設和工業(yè)發(fā)展。1936年，美國修建了裝機6809MW的大古力水電站，1941年又建成了當時世界最高的胡佛大壩。建設高峰期間，實行大水電開發(fā)策略。胡佛水壩最大壩高221.4m，總庫容380億m3，水電站裝機容量原為134萬千瓦，現(xiàn)已擴容到208萬千瓦，計劃達到245.2萬千瓦。胡佛水壩上游的格蘭峽壩高216m，庫容346億m3。目前在科羅拉多河干流上已興建水庫11座，支流上修建水庫95座，干、支流水庫總庫容約872億m3。在科河上興建的人工儲水設施是該河流年平均徑流量的4倍，可以實現(xiàn)洪水資源的全部利用。

第二次世界大戰(zhàn)期間，美國能源需求增長了3倍。西部廉價的電力又吸引了大量的國防工業(yè)在此地區(qū)建廠，為國防工業(yè)提供電力的同時，也為糧食生產(chǎn)、通訊和在城市發(fā)展提供電力和供水。第二次大戰(zhàn)結束后，美國進入工業(yè)快速發(fā)展時期。這些水電站又迅速轉(zhuǎn)向為和平時期的工業(yè)發(fā)展提供動力，用于西部的礦業(yè)開采和工業(yè)生產(chǎn)。水庫大壩更多為灌溉和城市用水服務。

第二次世界大戰(zhàn)期間，美國能源需求增長了3倍。西部廉價的電力又吸引了大量的國防工業(yè)在此地區(qū)建廠，為國防工業(yè)提供電力的同時，也為糧食生產(chǎn)、通訊和在城市發(fā)展提供電力和供水。第二次大戰(zhàn)結束后，美國進入工業(yè)快速發(fā)展時期。這些水電站又迅速轉(zhuǎn)向為和平時期的工業(yè)發(fā)展提供動力，用于西部的礦業(yè)開采和工業(yè)生產(chǎn)。水庫大壩更多為灌溉和城市用水服務。

美國水電發(fā)展并非一帆風順。19世紀初期，美國成立墾務局治理西部的旱澇災害，也曾有過規(guī)模不小的環(huán)保組織反對，但美國政府堅定地發(fā)展水電，不過彼時的主要目的是治理水患，發(fā)電是防洪的副產(chǎn)品。二戰(zhàn)勝利后，尤其是冷戰(zhàn)期間，美國為了在核技術領先世界，尤其是以軍方為背景的主張大力發(fā)展核電。圖4是美國各種電力品種發(fā)展歷史。1980年~1990年是美國核電大發(fā)展時期，水電逐漸退潮。

二、美國水電在電力行業(yè)中的作用

2017年底，美國電力裝機總?cè)萘繛?,088.26 GW，全年發(fā)電總量為4014.8TWh。其中，水電裝機容量和發(fā)電量分別為80.02GW、300.05TWh，在全美電力總裝機和發(fā)電量的占比分別為7.4%和7.5%。相比十年之前，裝機容量增加2125MW，發(fā)電量增加50TWh，但占比下降近50%。化石能源的代表，煤、油、氣發(fā)電分別為1207.9TWh、21.09TWh、1287.02TWh，合計占總發(fā)電量的62.67%。核電為804.95TWh，占比為20.05%。各種可再生能源發(fā)電量總計為687.29TWh，在總發(fā)電量的比重為17.12%。圖5。目前，美國發(fā)電仍然以化石能源為主。

美國法律規(guī)定的可再生能源包括：抽水蓄能、常規(guī)水電、生物質(zhì)發(fā)電、垃圾發(fā)電、地熱能發(fā)電、太陽能和風能。在可再生能源發(fā)電品種中，水電、風電和太陽能發(fā)電位居三甲，水電占比最高。常規(guī)水電發(fā)電量300.04億TWh，占可再生電力的比例達43.25%。加上抽水蓄能發(fā)電，美國可再生能源發(fā)電量近一半來自于水力發(fā)電。其次為風力發(fā)電，發(fā)電量和占比分別為254.25TWh、36.65%。太陽能(包括光伏和光熱)發(fā)電量為52.96TWh。其余的生物質(zhì)、垃圾和地熱能發(fā)電量分別為43.28TWh、20.77TWh和15.98TWh。圖5。全美水電、風電和太陽能發(fā)電平均利用小時3749h、2884h和1954h。美國主要可再生能源發(fā)電利用小時數(shù)普遍高于我國。

在可再生能源電力生產(chǎn)比例中，水電占比43.25%，接近風能與太陽能發(fā)電量的總和。盡管美國水電裝機容量和發(fā)電量在國家電力總量中的比例不高，但水電的“黑色啟動”能力在電力系統(tǒng)中的作用不容忽視。例如2003年8月，美國的東北部地區(qū)發(fā)生了大面積的電網(wǎng)斷電事故，嚴重影響了從紐約到密執(zhí)根州范圍內(nèi)的5000萬人口的工作和正常生活。總裝機容量為4316MW的水電機組直接由聯(lián)邦能源委員會調(diào)度，迅速投入到電力恢復工作中，包括著名的尼亞加拉水電站和圣勞倫斯水電站。

三、美國電力行業(yè)近年來變化情況

在2007~2017年期間，美國電力生產(chǎn)整體呈低碳化發(fā)展趨勢。化石能源發(fā)電量減少，非化石可再生發(fā)電量增加，核電保持不變。在化石類能源發(fā)電中，煤電發(fā)電量下降了38.6%，燃油降低了67.9%，燃氣增加了41.4%(比2007年)。核能發(fā)電量沒有變化，但占比略有降低。可再生能源發(fā)電量增加幅度較大。水力發(fā)電量增加20.5%，生物質(zhì)發(fā)電、垃圾發(fā)電以及地熱能發(fā)電綜合增加14%。風能和太陽能發(fā)電量大比例增加。風力發(fā)電量十年間增加了85.6倍，太陽能增加了6.4倍。水力發(fā)電量增加，但在可再生能源發(fā)電量的占比有所下降。2013年，水力發(fā)電量273.2TWh，在可再生能源比例超過50%;到2017年，水力發(fā)電量增加到306.54TWh，但占比下降到44.2%。圖7。

四、美國水電近期發(fā)展計劃

20世紀七、八十年代，美國電力市場發(fā)生了改變，大壩修建退潮但未停止。八十年代后期至2000年之前，全美還是修建了600多座小型水電站。此后水電發(fā)展速度明顯放緩，而且由于規(guī)模縮小或老水電站退役，損失了近432MW的裝機。為了使其保持持續(xù)增長，水電業(yè)主實施改造升級，2005年~2013年增加了1500萬裝機，其中，86%來自于現(xiàn)有水電站的升級和改造獲得，只有4個是新建項目。

美國聯(lián)邦能源委員會的研究認為，目前全美國還可以在5,677座水庫大壩上安裝水輪發(fā)電機組，其總?cè)萘靠蛇_30,000MW，其中57%容量的機組(17,052MW)可安裝在已建水庫大壩上，14%容量的機組(4,326MW)為擴機，只有8,000MW的機組容量需要通過新建工程來實現(xiàn)。

目前，美國有331個無壩發(fā)電項目在規(guī)劃中，總裝機容量4370MW;已有407MW規(guī)模的工程開工建設，另外還有263MW的裝機規(guī)模已經(jīng)獲得批準。由于美國2020年將有70%的水電站大壩服役超過50年，部分小型工程達不到功能要求而退役。因此，美國通過新增機組替補退役容量。2020年之前將新增1088.1MW的機組容量補償退役機組。圖8。2018年，美國計劃在現(xiàn)有無發(fā)電功能的水壩上新增水輪發(fā)電機組22臺，裝機255MW。有一座非常小的水電站，裝機只有0.8MW的機組退役。

2021年，美國電力裝機計劃增長67598.2MW，總裝機達到1155859.7MW。期間，抽水蓄能保持不變，煤、油電裝機分別減少13246MW、315.9MW。其余電力品種均有不同程度地增加。燃氣發(fā)電裝機增加最大，為507046.4MW，風電增加18479.7MW，太陽能發(fā)電增加9101.5MW，核電增加2312.3MW。常規(guī)水電增加268.4MW，其他可再生能源增加合計891.7MW。各種能源電力增退容量年變化見圖9。

美國電力發(fā)展的基本原則是：降煤、增氣，適度發(fā)展可再生能源。多種能源發(fā)電裝機均衡發(fā)展，沒有一枝獨大，也沒有大起大落，更沒有為了發(fā)展新能源替代別的高能量密度的電力品種。2017年和2021年各種用于發(fā)電的能源品種裝機比例見圖10。

五、美國水電長期發(fā)展情況

美國水力發(fā)電的長期變化，需要放在整個電力長期預測發(fā)展中考量。長期電力預測的一個最主要假設是美國國內(nèi)經(jīng)濟增長率。以經(jīng)濟增長率作為能源消耗的主要內(nèi)在因子，通過計算需求側(cè)的電力市場容量，反算電力供給側(cè)的電力裝機和發(fā)電量。《美國能源展望2018》提供了“高”、“低”和“參考”三個條件假設，分別對應美國國內(nèi)生產(chǎn)總值年復合增長率為2.6%、1.5%和2.0%。其中，參考條件假設比較接近美國實際的經(jīng)濟增長，高、低條件假設計算的是變化范圍，趨勢結論不變。

美國長期電力預測還有一個重要的變量因子是原氣資源與技術條件。資源與技術條件影響油氣發(fā)電的裝機容量和發(fā)電量的變化，也影響到可再生能源的發(fā)展規(guī)模。此外，還需要考慮了新能源的激勵政策和技術進步，這個對新能源發(fā)電裝機容量影響較大。考慮碳排放的約束，相對于其他國家的水電構成重大利好，但是美國水電資源的開發(fā)程度已經(jīng)很高，因此對美國水電影響不大。

經(jīng)濟條件對電力需求變化的影響不明顯。2050年，相對參考經(jīng)濟條件，低增長條件減少裝機容量112.91GW，高增長經(jīng)濟條件增加81.19GW的容量需求，高低經(jīng)濟增長條件的裝機容量差僅為194.1GW。

結語

提高電力裝機不是美國的主要任務，主要任務是針對清潔電力計劃、油氣條件變化，以及新型可再生能源的成本，調(diào)整美國的電力結構，繼續(xù)朝著低碳方向發(fā)展。水力發(fā)電由于在工程生命周期內(nèi)的EP/ETP可以達到300，是燃油發(fā)電的10倍，更是遠超其他可再生電力品種。因此，美國未來沒有興建大型水電站的計劃，在大量中小型水電退役的情況下，任務是盡量延續(xù)現(xiàn)有水電站的發(fā)電功能。即使到2050年，美國采取各種措施保持水電現(xiàn)有80000MW的裝機規(guī)模。

(作者：水電水利規(guī)劃設計總院杜效鵠)