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国内低碳能源的发电比例。

全世界有15.3%的电力来自水力

什么是水力?

水力发电,或称水电,是可再生能源之一。其原理是用河流或瀑布流动产生的动能使涡轮机运转,驱动发电机发电。

希腊和中国在过去就懂得使用水坝,并在中世纪时用水坝碾碎谷物。19世纪时期,世界第一个水电涡轮机诞生,在1895年安装在尼亚加拉瀑布,至今仍在运行。自20世纪发展以来,水力发电发展迅速,2021制造了4206TWh的电力,比1970年多了整整4倍。

比起核能(9.9%)、风力(6.6%)和太阳能(3.7%),水电产量占世界电力总量的15.3%。中国大陆的水电产量从2006年的436TWh增至2020年的1262TWh,增长了2倍。另外,巴西55.9%的电力和加拿大60.6%的电力也都来自水力发电。

水电站的大坝除了有发电的功能外,还能通过蓄水的方式储存能量,作为间歇性能源(如风力太阳能等)的补偿能源。


水力是低碳能源吗?

是的,由于其生命周期排放量相对较低,水力被认为是一种低碳能源。

水力对生命周期排放的预估中值为24 gCO2eq / kWh。 我们的排放量数据源自哪里?

风力11 gCO2eq / kWh低碳
核能12 gCO2eq / kWh低碳
水力24 gCO2eq / kWh低碳
地热能38 gCO2eq / kWh低碳
太阳能45 gCO2eq / kWh低碳
生物燃料230 gCO2eq / kWh低碳
天然气490 gCO2eq / kWh高炭/ 化石燃料
石油650 gCO2eq / kWh高炭/ 化石燃料
燃煤820 gCO2eq / kWh高炭/ 化石燃料

水力与其它的低碳电力比较图表

以下列出了最重要的水力发电生产国和地区

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水力发电的优点:

水力发电是一个人们熟知已久的可再生能源,它所排放的温室气体非常少,有助于减缓全球暖化,并以有竞争力的价格提供电力。

水力发电有助减缓全球暖化

首先,水力发电是可再生能源之一,像是巴西55.9%和加拿大60.6%的水力发电对全球暖化的影响非常小。

事实上,比起煤炭 (820 gCO2eq / kWh)与天然气(490 gCO2eq / kWh),水电在供电过程中产生的温室气体是最低的(24 gCO2eq / kWh),因此它也是低碳能源之一。

水力发电的价格比煤炭便宜,与天然气相当

第二,根据国际能源署(IEA)的统计,水力发电的平均价格为72美元/兆瓦时(USD/MWh),相比陆上风力(50 USD/MWh)、太阳能(56 USD/MWh)、天然气(71 USD/MWh)、煤炭(88 USD/MWh)来的更加经济实惠。

虽然水力发电的前期投资费用较高,但其寿命几乎是无限的,因此往往能够回收成本。例如1895年设立在尼亚加拉大瀑布的水轮机至今仍在运作。

https://www.iea.org/reports/projected-costs-of-generating-electricity-2020

液压能源自公元前6000年以来仍不断地进步。

公园前6000年就能看到古埃及使用水力的痕迹。考古学家在尼罗河上发现了最早的水坝迹象,认为这些水坝有助于防洪和灌溉农作物。

这种技术也在公元前2000年的古希腊米诺斯文明和公元前2世纪的中国所发现。

https://www.mdpi.com/2071-1050/12/22/9760/pdf

http://www.history.alberta.ca/energyheritage/energy/hydro-power/hydro-power-in-ancient-times.aspx

https://www.hydropower.org/iha/discover-history-of-hydropower

Benoît Fourneyron于1827年发明了第一台水力发电涡轮机。这项通过水力发电的技术于19世纪在法国德国快速发展起来。1895年,它被安装在尼亚加拉大瀑布上,至今仍在使用。

随后,水电于20世纪在工业化国家得到大规模的发展。自1970年到2021年,水电生产的电力增加了4倍,占全球电力的15.3%,使水电成为低碳电力中的第一大来源,排在后面的是核能(9.9%)、风力(6.6%)和太阳能(3.7%)。

水力发电是一种可再生能源

水力发电与风力太阳能地热能一样,是可再生的低碳能源。一旦水坝安装完毕,它只需要利用水流产生的天然能量,不像化石燃料需要燃料来发电。

利用水力发电进行能源储存

水力发电可依照需求储存能源,当间歇性可再生能源(风力太阳能)产生大量电力时,水将被抽到上游的水坝中;而当间歇性能源的供电产量较少时,便可以用水力发电所储存的能量补偿,进而稳定输电网路。这样的特性是实现净零排放的关键之一。

水力发电的缺点:

水力发电设施的前期投资费用高昂。

许多水电设施是大型的设施项目,需要建造水坝、水库和发电涡轮机,需要大量的财务投资。

因此,前期的建设成本往往较高。然而,这些设施一般可持续50至100年(有时甚至更长),这让他们成为值得投资的项目之一。像是尼亚加拉瀑布至今仍在运作。这样长寿的成果让它的竞争性价格平均落在68美元和72美元/兆瓦时之间。这个价格比其他可再生能源,如陆上风力(50美元/兆瓦时)和太阳能(56美元/兆瓦时)更贵,但它与天然气(71美元/兆瓦时)相当,更比最严重的污染源:煤(88美元/兆瓦时)便宜得多。

https://www.iea.org/reports/projected-costs-of-generating-electricity-2020

水力发电设施可能对当地环境造成负面影响。

水电虽然可再生能源,但水电设施会对当地环境造成损害。

首先,水坝会改变河流原来的流向,可能会破坏当地的生态系统。其次,在某些情况下,当地居民可能会流离失所。又或者像埃及一样,历史遗迹可能被大坝淹没。

一般上,如波浪或潮汐装置的河道设施较不会出现这些副作用。但大多数的水电系统为阻断河流的大坝。目前正根据现有的案例研发新的技术,试图减少水电大坝对环境的影响。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaq1422

水电设施的建设取决于当地的地理环境和天气因素。

虽然水电是一种可靠的能源,但它并不能随地安装在任何地方,因为水坝的安装是取决于当地的地理环境。

另一方面,水坝的运行也取决于天气情况,特别是降雨量。由于大多数水电站都依赖河水,干旱会导致河水流量减少,不利与水电生产。因此,随著时间推移,水电系统可用的水量也会有所不同,进而影响发电量。

重大的水坝意外会导致灾难性的后果。

根据OurWorldInData的数据统计,水电和太阳能是世界上最安全的能源,每太瓦时(TWh)只有0.02人死亡,比褐煤安全1636倍。

然而,在所有能源中,水电大坝意外是最致命的。1975年,中国的板桥大坝故障造成约8.5万人死亡,有22万至23万人死于这场悲剧造成的饥荒和疾病中。

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