From: 星球研究所
截至2018年底
当全世界发电量增速仅为3.7%时
中国却以8.4%的迅猛增速领跑全球
全年发电量达到71118亿千瓦时
几乎是以“一己之力”
生产了全球超过1/4的电量
火电
70.4%
在这71118亿千瓦时的电力中
70.4%来自于火力发电
可谓是全国电力的大半壁江山
高耸的烟囱或宏伟的冷水塔
是火力发电厂最常见的特征
煤炭、石油、天然气
甚至秸秆、垃圾等等
都是可用于火力发电的燃料
由于燃料易得、技术成熟
火电厂的分布极为广泛
而在中国这个“煤炭大国”
火力发电则又命中注定
将成为燃煤电厂的天下
其装机容量在所有火电厂中
占比几乎接近90%
全国5800多处大小煤矿
年产约36.8亿吨原煤中
超过一半的产量
都将运往这些电厂熊熊燃烧
数据来源中电联《2018-2019年度全国电力供需形势分析预测报告》
这就意味着
火力发电的版图
必然与煤炭生产的格局息息相关
在煤炭资源相对丰富的北方地区
火电装机容量占比超过70%
是最主要的电力来源
然而“出人意料”的是
山东、江苏、内蒙、广东、河南
山西、浙江、安徽、新疆、河北
以上火电装机容量排名的前十位中
多个南方沿海省份同样赫然在列
甚至远超诸多煤炭大省
这些“特殊”的地区
往往人口密集、经济发达
对电力的需求格外旺盛和强烈
在迫切的用电需求下
众多火电厂拔地而起
例如仅在广东一省
2017年的火力发电量
已达到3165亿千瓦时
比产煤大省山西还要高出26%
而要产生如此量级的电力
用于发电的煤炭将以亿吨计算
然而
像广东这样的电力负荷中心
大多并非煤炭产区
距离最近的煤炭基地
也可能相隔千里之遥
如此大量的煤炭该从何而来？
我国使用的煤炭包括自产和进口两部分，但煤炭进口量目前仅为全国煤炭消费量的约1/10，因此下文主要讨论自产煤炭的供应。
要回答这个问题
不如先将目光转移到
山西大同与河北秦皇岛之间
这里连接着一条声名赫赫的铁路
它以不到全国铁路0.5%的营业里程
完成了全铁路近20%的煤炭运量
相当于每秒就有14吨煤炭
搭载着钢铁轮轨呼啸东去
奔向千里之外的渤海之滨
这就是大秦铁路
这是中国第一条重载铁路
单列列车全长近4000米
相当于10-20列高铁列车相连
煤炭运至秦皇岛港后
便可通过成本更低的海运
运至东部和东南沿海地区
2008年春节期间
南方地区雨雪冰冻肆虐
大量输电、运输线路受损
近17个省被迫拉闸限电
而就是在这个时期
大秦铁路单日运量首次突破100万吨
并持续了整整20天
大量煤炭燃料源源不断地送往南方
可谓是真正的“雪中送炭”
而大秦铁路也仅仅是
中国煤运铁路网络的冰山一角
预计到2019年10月
又一条重载线路蒙华铁路即将建成
内蒙古、山西、陕西等地的煤炭
将由此直抵华中地区
这条铁路全程跨越7个省份
一次建成里程超过1800余千米
堪称世界之最
以多条重点线路为核心
山西、陕西、内蒙古、新疆
以及沿海、沿江等六大区域
将通过纵横交错的铁路连成一片
而这个庞大的运输网络
如同一条条钢铁动脉
将全国75%的煤炭送往四面八方
然而
随着用电需求高速增长
浩浩荡荡的“西煤东运”“北煤南运”
仍然不是一劳永逸的办法
在主要的电力负荷中心周边
往往以中小型火电厂居多
这些电厂建设成本低、建站速度快
但在生产等量电力时
耗煤量却比大型电厂高出30-50%
不但如此
在技术和经济尚不发达的年代
这些中小型火电厂产生的烟尘
二氧化硫、氮氧化物等空气污染物
也难以得到统一和高效的处理
于是自20世纪60年代起
在煤炭矿口、中转港口附近
众多大型火电厂开始崛起
例如位于内蒙古呼和浩特的托克托电厂
距离准格尔大型煤田仅50km
装机容量达到672万千瓦
位列世界燃煤电厂第一位
大型坑口、港口电厂的建设
能大大减轻煤炭运输的压力
提升燃煤效率、统一控制排放
但是电厂与负荷中心之间
有时相隔达到数千千米
这又该如何解决？
答案其实很简单
就是输电
但要实现起来却并非易事
毕竟在如此遥远的输电距离下
线路的阻抗已然无法忽略
人们只能尽量降低传输电流
才能最大程度地减少线路损耗
这就意味着
传输功率一定的情况下
在保证经济性的同时
必须尽可能提升输电电压
1954年时
我国自行设计施工了第一条
220千伏的高压输电线路
传输距离369千米
但已落后世界大概30年
65年过去
从高压到超高压
从超高压到特高压
远距离输电技术突飞猛进
目前最高电压等级已达到
交流1000千伏和直流±1100千伏
单条线路的输电距离更是突破3000千米
相当于乌鲁木齐到南京的直线距离
在全世界首屈一指
铁路和输电两张网络纵横交错
让无论是位于负荷中心
还是地处矿口、港口的火电厂都能共同发力
成为我国电力工业的中流砥柱
然而
尽管火力发电厂的
除尘、脱硫、脱硝技术日益成熟
但化石燃料的消耗、温室气体的排放
让人们不得不继续寻找更为清洁的电力
水电
17.6%
在中国
无论是水力资源的蕴藏总量
还是可开发的装机容量
均稳居世界第一位
如此丰富的水能资源
如此巨大的开发潜力
注定着水力发电在我国
将拥有至关重要的地位
其发电量占比达到17.6%
与火力发电一起
供给了全国88%的电力
水力发电利用流水势能
持续推动水轮机旋转
继而带动发电机产生电力
全程既不需燃料、也无废气排放
相比火力发电更加清洁
2018年
全国水力发电量达12329亿千瓦时
相当于节约煤炭近4亿吨
此外，水电站经过合理的选址和设计后
还可兼具防洪、航运、供水
以及调水、排沙等功能
又或者在上游库区
形成别具一格的风貌景观
然而
我国的水力资源分布同样极不均衡
其中西南地区高山峡谷众多
大江大河穿流其间、奔腾而下
几乎集中了全国超过60%的
可开发水力资源
金沙江、怒江、澜沧江
大渡河、乌江、雅砻江
再加上南盘江和红水河
以及长江上游等
全国十三大水电基地中
西南地区独占8席
和火力发电不同
水电的“原料”无法进行运输
因此若要将电力送往负荷中心
除了依靠输电工程外别无他法
这就意味着
水力发电的崛起和繁荣
必将与远距离输电技术相伴相生
我国第一条万伏级交流输电线路
第一条110和220千伏高压交流线路
第一条330千伏超高压交流线路
以及第一条高压直流输电线路
就此应运而生
1988年底
著名的葛洲坝水电站落成
它是长江上第一座水电站
人称“万里长江第一坝”
而与之配套建成的
便是我国首个超高压直流输电工程
其电压等级达到±500千伏
以1046千米的输电距离
将华中和华东电网连为一体
让葛洲坝水电站的电力
得以源源不断地送往上海
世界上规模最大的三峡水电站
装机容量达2250万千瓦
相当于8个葛洲坝水电站
以及3个内蒙古托克托火电厂
（世界第一大燃煤电厂）
2018年三峡水电站的全年发电量
更是首次突破1000亿千瓦时
相当于湖北省全省发电量的40%
创全球水力发电量新高
千里之外的江苏、广东和上海三地
则通过三条±500千伏的直流输电工程
与这个“超级发电机”紧密相连
而随着云南小湾水电站开始发电
全球首个±800千伏特高压直流输电工程
正式登上历史舞台
其输电距离达1438千米
可将电力从云南一路送至广东
曾经落后世界数十年的中国
自此便和全世界一起
迈入了特高压直流输电时代
从此之后
水电的辐射空间大幅增长
众多大型水电站在西南地区拔地而起
将滚滚电力送向遥远的东部和东南部
位于金沙江下游的向家坝水电站
通过长达1907千米的
±800千伏直流特高压输电线路
全程跨越8个省份、直辖市
每年向上海输电近300亿千瓦时
相当于上海2018年用电量的20%
同样位于金沙江的溪洛渡水电站
则看起来更加宏伟
其拱坝坝高285.5米
相当于90多层的摩天大楼
装机容量达1386万千瓦
目前为世界第三大水电站
而溪洛渡-浙西±800千伏的输电线路
更以800万千瓦的输电容量
跻身全球容量最大的直流输电工程名录
位于四川雅砻江的锦屏一级水电站
则建有世界最高的拱坝
高度达305米
它向苏南地区输电的±800千伏直流输电工程
传输距离首次突破2000千米大关
至此
长江中上游、黄河上游的水电
以及众多煤炭基地周边的火电
均能够通过绵延千里的输电工程
向东部地区汇聚
“西电东送”
这一世纪工程的格局就此形成
当然
水力资源的开发并不是无限的
上游的淹没、大量的移民
以及对河流生态的影响
一直都是水力发电无法回避的话题
因而水电站的建设往往需要
经过极为严格的评估和论证
人们也需要寻找更多的清洁能源
其中最主要的便是风能和光能
风能+太阳能
5.2%+2.5%
火力和水力两种发电方式
已为全国人民贡献了88%的电量
若加上风能和太阳能的出力
便能满足中国人95.7%的用电需求
但风和光的利用却并不容易
在风力发电中
气流推动风机叶片持续旋转
便能带动发电机产生电力
风机叶片的尺寸和重量十分巨大
单叶长度可达数十米以上
对运输和安装都是巨大的挑战
而在太阳能光伏发电中
单个太阳能电池的工作电压
一般仅有0.4-0.5伏
工作电流也十分微弱
只有将其不断串联并联
令多个电池拼装成组件
多个组件排列成为阵列
才能达到足够的发电功率
太阳能光热发电也同样如此
只有利用足够多的镜面
才能汇聚足够多的热量
从而产生足够多的蒸汽
推动汽轮机持续旋转
总而言之
无论是风能还是太阳能
若要进行大规模发电
往往需要较大的占地面积
从而带来较高的建造成本
尤其在人口密集、土地紧张的东部地区
提高土地利用率更为重要
而另一方面
正如水电在丰、枯水期的波动
风能和太阳能同样无法避免
时间、气候等带来的影响
甚至短短一天内的昼夜交替、风云变幻
都会改变发电的连续性和稳定性
因此为了减小对电网的影响
人们开始将风、光、水、火
各种发电方式组合起来、相互调节
从而得到较为稳定的电力输出
又或者在负荷较小时
将多余的电力转化、储存起来
等到用电紧张时再行释放
以便维持稳定的供电
第三方面
和水能资源类似
我国的风能和太阳能资源
分布同样极不均衡
其中风能资源最为丰富的是
东部和东南沿海地区
全国风速超过7米/秒的地区
绝大多数都集中于此
但由于地形限制
这片区域仅在海岸线和沿岸的山脉间
形成极为狭窄的条带
相较之下
在我国三北地区
风能资源不仅丰富
还能大面积连片分布
内蒙古地区也因此成为
我国最重要的风电基地之一
其2017年风力发电量达到551亿千瓦时
相当于全国风力发电量的近20%
而我国的太阳能资源
则在西部内陆地区最为丰富
包括青藏高原西部、新疆南部
以及宁夏、甘肃北部等
这些地区的全年日照时间
可达3200-3300小时
相较之下太阳辐射最为薄弱的
四川和贵州等省份
年均日照时间仅有约1100小时
由此可见
我国西部和西北地区
不但风、光资源丰富
同时人口稀疏、土地广袤
随着技术进步和成本的降低
风电和太阳能发电的规模也越发庞大
然而这些区域人口较少
用电需求也相对平缓
例如2015年
甘肃省发电装机容量达到4531万千瓦
但最大用电负荷仅1300万千瓦
新疆也同样如此
其装机容量超过5000万千瓦
而用电负荷需求仅为2100万千瓦
这就意味着
若仅仅依靠本地用电
将面临大量的能源浪费
更何况火电的调峰和供热作用
无论如何也难以被完全替代
这对于风能和太阳能电力的消纳
可谓是”雪上加霜“
于是近年来
“弃风”“弃光”等问题层出不穷
甚至到2017年
整体情况已明显向好时
全国的弃风、弃光率仍为12%和6%
而在甘肃、新疆等地
弃风率甚至高达33%和29%
一面是西北地区
大量的新能源无处安放
一面是东部沿海
大量用电需求嗷嗷待哺
在这种形势下
远距离、跨区域的输电工程
必须再次扛起重任
2014年和2017年
两条从西北地区向外辐射的
±800千伏直流输电工程相继完工
第一条从新疆哈密出发
途经六个省份到达河南郑州
全程2210千米
每年可将新疆地区的火电、风电
共计约370亿千瓦时的电量
源源不断送往中原大地
第二条则从甘肃酒泉出发
途经5个省份直奔湖南湘潭
全程2383千米
在其每年送出的约400亿千瓦时的电力中
超过40%均来自西北地区的风电和光电
而在2018年
又一条大名鼎鼎的特高压工程正式贯通
其电压等级高达±1100千伏
年均输电量达660亿千瓦时
相当于凭此一条输电线路
便可外送整个青海省全年的发电量
这便是准东-皖南特高压输电工程
（也称昌吉-古泉特高压工程）
线路从新疆昌吉自治州出发
途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽6省
以6079座铁塔
支撑起3324千米的输电线路
沿途接连跨越秦岭和长江天堑
最终抵达安徽宣城市
无论是电压等级、传输容量
还是传输距离、技术难度
均为世界范围内的“开山之作”
是名副其实的“超级工程”
借由这条超级电力走廊
新疆地区520万千瓦的风电
以及250万千瓦的光伏发电
能够被打捆送往长三角地区
截至目前
我国仍是全球唯一能够建设
±1100千伏特高压直流输电的国家
也是特高压输电领域的
国际标准制定者之一
这对于中国来说
虽是时代发展的必然之路
也是当前能源格局下的“无奈之举”
让更多人用上更便宜、更清洁的电力
是无数电力工作者孜孜以求的目标
核电
4.3%
风、光、水、火四种方式
已生产了全国95.7%的电量
冲击100%的最后一棒
则属于核电
和火力发电类似
核电燃料可以运输
能量产出也较为稳定
基本不受气候、时间的影响
但和火力发电不同的是
装机容量100万千瓦的核电厂
每年仅需核燃料25-30吨
为相同容量火电厂耗煤量的十万分之一
这就意味着
核电的燃料运输成本将大大降低
因此我国目前建设的核电站
均远离原料产地
位于用电负荷中心附近
即东部和东南沿海地区
中国的核电起步较晚
直到1991年
浙江秦山核电站开始发电
才有了第一座自行设计建造的核电站
而当时世界上其他国家
已有420余台核电机组投入运行
提供着全球16%的电力
随后的近30年间
在引进国外先进技术的基础上
中国核电技术逐渐开始自主化
2018年并网发电的广东台山核电站
是全国首次引进第三代核能系统
也是全球首个具备商用条件的第三代核电站
截至2018年底
我国核电装机容量达到4466万千瓦
而预计到2020年
全国核电装机容量将达到5800万千瓦
每年将替代1.74亿吨煤炭燃烧
减排约4.3亿吨二氧化碳
然而
核电技术较为复杂
安全标准也极为严格
因此核电厂的建造成本十分高昂
单位造价可高达火电的数倍
加之历史上核电站意外事故的影响
令核电一度在争议中艰难发展
但随着工艺的进步和社会认知的深入
甚至核聚变技术的突破
核电必将在未来成为更加关键的角色
.
.
.
回首建国前夕
全国发电装机容量仅184.86万千瓦
历经38年的筚路蓝缕
才终于突破1亿千瓦大关
而从1亿到2亿千瓦
再从2亿到3亿千瓦
分别只用了8年和5年
到2009年
中国发电装机容量超越美国
跻身世界第一位
之后更以每年约1亿千瓦的速度突飞猛进
堪称世界电力史上的奇迹
不仅如此
截至2018年底
全国共有220千伏以上输电线路
共计733393千米
足足能绕赤道18圈
其中21条特高压输电线路
在东西南北间交织穿梭
堪称中国大地上又一工程奇迹
除华北和华东地区之外
全国各区域间均已实现跨区供电
输电线路翻越高山峡谷
跨过江河湖海
即便是高寒的世界屋脊
也能与全国各地连为一体
预计到2020年
全国将有近31%的电力负荷
通过这张大网奔向南北东西
尽管到2015年底
我国才终于实现全民通电
人均用电量与世界各国相比
也仅居第63位
未来的路依然十分漫长
但是
每当夏天人们打开空调电扇
每当城市在黑夜中灯火通明
我便不由得想起
千里之外发电机隆隆的轰鸣
因为那就是这个跑步进入现代化的国家中
最波澜壮阔的声音