美國水電蘊藏量與研發需求評估

［美國］ M.巴勒達等

美國水電蘊藏量與研發需求評估

［美國］ M.巴勒達等

研發利用水電技術有助于提高美國短、中及長期可再生能源的供應能力，目前美國電力科學研究院正在不斷更新水電技術并對其在這方面的作用進行了評估。這些技術涉及傳統的水電站、抽水蓄能、河流水能、人工運河(水動力學)、海洋技術、波浪發電、潮流及潮汐動力發電。對各種技術的作用、投入實際運用所需要的研究，以及刺激新技術應用的經濟激勵措施進行了評估分析。

水電資源;開發規劃;水電蘊藏量;評估分析;美國

據保守估計，到2025年，美國現有裝機容量將可能增加40 000 MW。其中13 750 MW來自傳統的水電站，10 000 MW來自抽水蓄能工程，3 000 MW來自新的流體動力技術，還有13 000 MW來自潮汐和海洋波能發電技術。為此需要開展以下工作。

(1)增加美國能源署水能項目撥款。到2015年，可為項目提供研發指導資金3億美元的支持。提供的研發資金可以促進通過流體動力資源和海洋波能發電的水電技術的發展和產業化，同時使傳統的水電在短期內獲益。

(2)繼續實行美國產品稅收信貸(PTC)和清潔可再生能源債券(CREB)計劃。這些經濟措施將鼓勵對基礎水電設施現代化及新建設施的投資。

(3)大力推行已經提出的加快批準試點項目和解決海洋能開發許可路徑的監管程序。

2007年，美國電力科學研究院公布了“水電蘊藏量與研發需求評估”報告。根據現有資料和對科技發展的深刻見解，加上可行的激勵措施和額外的研究和制度支持，美國電力科學研究院對到2025年可開發的水電量進行了預測。可供開發的水電涵蓋對現有電站的有效利用以及傳統和新興技術的使用。美國電力科學研究院對開發這些發電量和裝機容量所需要進行的研究和執行的激勵措施進行了評估。申請增加研究資金和拓寬增值水電技術和新興水電技術投資信貸的項目中大量引用了該報告的內容。

其中提及該報告初始版的缺點之一就是對能開發的電能及并網發電的速度的預測非常保守。評估過于保守是因為意識到有一些既有障礙會阻止發電蘊藏量的快速實時開發，具體如下:

(1)缺乏長期的聯邦水力發電研究、開發、應用和示范(RDD＆D)方案;

(2)總體上缺乏對可再生能源技術的長期激勵措施;

(3)專門針對水電技術的激勵措施有限;

(4)技術開發和應用在監管體系上耗時過長。

美國電力科學研究院最新分析的重點在于，納入了更多最新的可用數據，并進一步探討了研究、激勵措施及監管環境對新的可再生水電商業化所需的時間期限的影響。為試圖了解研究投入和激勵計劃在新開發裝機容量方面之間的關系，提出了一系列新的發電方案，并列出了其商業化運營時間表。

1 研究成果

美國現有傳統水力發電量占可再生能源發電量的70%(超過248 000 GW·h)，而且其他可再生能源的發電量有可能進一步增加。現有水電站和尚未修建水電站的大壩以及通過新興水電技術可能增加的裝機容量可為美國國內可再生電力供應帶來實質性增長。

2007年，美國電力科學研究院保守估計，到2025年，裝機容量可增加23 000 MW，并指出，如果加強經濟激勵措施和加快水力發電產業規范進程，這一裝機容量在保守估計的基礎上會有顯著提高。根據美國能源署、美國電力科學研究院和行業協會進行的資源評估，總資源蘊藏量估計為85 000～95 000 MW，其中不包括抽水蓄能、流體動力、海浪能和熱能。所以設想的40 000 MW是很保守的估計。

1.1 進展、規劃與效益

2007年發布的報告中，對水電開發的展望發生了重大的變化，這些變化包括:

(1)美國能源署提交了一份新的水能倡議書，在倡議書中指出，2008年和2009年共投入300多億美元以鼓勵增加短期水力發電量，同時強調，要開發河流、潮流和海洋波能發電的水電技術，并使其商業化。

(2)對產品稅收信貸和清潔可再生能源債券項目的定義進行了擴展和補充。這些經濟激勵措施將繼續鼓勵對基礎水電設施現代化及新建設施進行投資。

(3)為水動力技術頒發了新的商務試用許可證，這些許可證可以加強監管程序的實施。

根據倡議書中的這些激勵措施，美國電力科學研究院研究探討了加強投入和提高影響力以增加水力發電的選擇方案，同時對并網的新增裝機容量的附加效益進行了評估，這些效益包括:①減少碳排放量;②減少油耗;③增加工程、建筑和制造業的就業機會。

研究報告還涉及如何將水電技術納入碳的總量管制和交易計劃及其可能對鼓勵水力發電產生的影響。

由于水電行業完成了許多工程項目建設，因此，有些數據必須更新，涉及由美國能源署資助的研發項目、新的產品稅收信貸的經濟刺激措施、哥倫比亞等35個州和地區的可再生能源投資組合標準、為滿足系統要求而針對傳統水電和抽水蓄能開發的新技術、應對研發與簡化的監管程序的新型水動力和海洋能產業所采取的措施。

1.2 現狀調查

美國能源署能源信息管理局2009年公布的《2008年能源展望年報》對2006年和2007年可再生能源發電量進行了初步估計，如表1所示。從表1中可以看出，由于受降雪、降雨及隨之而來的供水問題的影響，2007年水力發電量顯著減少，但它仍然占可再生能源發電總量的71%。令人可喜的是，風電的裝機容量增加到約16 000 MW，占可再生能源總發電量的9%。據預測，2007～2030年可再生能源的發電量將有所增加，而據美國能源信息管理局的預測，傳統水電裝機容量僅增加850 MW，而風電裝機容量達31 000 MW。

表1 2006～2007年美國可再生能源發電量及裝機容量

2008年5月，美國能源署風電管理局的風電產業報告引起轟動，報告中指出，到2030年，風力發電將占全國電力供應的20%，風電的裝機容量將超過300 000 MW。該報告指出，要實現這一目標，風電業還面臨著巨大的挑戰，這包括許多與風能技術無關的問題:

(1)區域輸電運營商;

(2)從資源轉變成負荷所必需的輸電線路和基礎的傳輸設施;

(3)制造業、建筑業、運行和管理部門所需的熟練工、技術員、工程師。

報告對風力發電站選址(包括輸電線路)和開發300 000 MW風電裝機對環境的不利影響未予重視，只著重強調了如下幾個優勢:

(1)到2030年，因發電產生的二氧化碳排放量降低25%;

(2)天然氣使用量減少11%;

(3)發電耗水量減少152億m3;

(4)每年可使地方財政收入提高15億美元以上;

(5)可提供50萬個就業機會，在風力發電產業可直接提供15萬個崗位。

要實現風力發電占總能源供應20%的目標，還存在大量的不確定性外部因素。根據2008年美國能源署信息管理局對可再生能源發電的預測，到2030年，其裝機容量將降到31 000 MW。可再生能源發電與其他能源發電之間的平衡由外部因素驅動，而外部因素則通過資源蘊藏量、容量系數、環境影響，以及最重要的經濟效益等因素保持平衡。

1.3 開發前景

不需要投資興建大量的輸電設施，只利用現有的技術(通過研發得到增強)就可使水電裝機增加一半以上。發電效益的增大通過對新型水電技術的研發、激勵措施以及采用流線型監管程序來實現，與在過去30 a風力產業在政府研發和激勵政策的支持下達到的25 170 MW裝機容量相類似。

通過比較，美國能源署近期關于風電總結報告《風能對美國供電日益增長的貢獻:到2030年比例為20%》預計，相對于目前的25 170 MW風電裝機容量，2030年實現300 000 MW，在技術上是可以實現的。

在水電開發方面，已經具備如下條件:

(1)將開發一`批裝機容量大于30 MW的大型水電項目。修建這些工程的原因在于，始于2008年8月的對一些裝機超過5 400 MW的大型工程進行的研究表明，很多工程都具有供水等多種功能。計劃修建的項目可用來滿足基礎供水設施的緊急需求，同時具有水力發電的效益。

(2)小型和低發電功率項目的開發將會加速，因為有生產激勵措施的推動，以及國家可再生能源配比系統的要求，美國聯邦能源管制委員會(FERC)也提到，申請這些項目的數量有所增加。

(3)現有水電站(由聯邦能源管制委員會許可的)的發電量將繼續增加，因為產品稅收信貸政策期限將延長并被授權成為《突發事件經濟穩定法規定》(2008年)的一部分，聯邦政府還將完成水電設施的增容改造計劃，以便為各地運營的大壩提供更有效的服務。

(4)將在現有的大壩上配套修建新水電站，聯邦大壩研究報告中沒有考慮還未評估的79 000座已建大壩的發電量。因為這些大壩最初目的是供水和其他用途，這些大壩可以在供水和能源供應方面都發揮重要作用。

(5)由于人們認識到蓄能在電力供應的穩定性和可再生能源的一體化中的重大作用，抽水蓄能在近兩年已經復蘇。

(6)聯邦能源管制委員會制定的試點許可政策加快了水動力學技術的開發。2008年已頒發了120多項許可。該類技術尚在開發中，如果要實現產業化，則還需要大量的研發支持。

(7)對于潮汐能源，開發的時間進程仍是未知數。潮汐能源具有開發潛力，但仍需要研發的投入，來解決一些已知的技術問題從而使其切實可行。同時，具有一個切實可行的監管體系也將是一個關鍵因素。

2 水力發電產生的其他效益

據樂觀估計，水電開發方案實施后(以評估量39 750MW的裝機容量計)可帶來如下效益:

(1)減少碳排放量。增加的水電裝機容量估計每年可減少碳排放量1.74萬t。

(2)降低耗油量。增加的水電裝機容量估計每年可節省耗油量5 570萬桶。

(3)增加工程、建筑和制造業的就業機會并刺激經濟的發展。根據美國能源署就業與經濟發展影響模型進行的粗略預測，39 750 MW的水電裝機容量可帶來以下效益:①為建筑業提供68.6萬個就業崗位，主要是針對大型抽水蓄能和新技術制造業;②1.15萬個運行和維護崗位(目前該行業已就業的員工約1.9萬人);③在施工期間，能產生950億美元的經濟效益;④每年直接、間接或連帶的經濟產出為17億美元。

這些估值是根據目前的風電開發模型得出的近似值。提議經濟模型的開發應針對傳統和新興水力發電技術的具體的特性，作為開發商、投資者和監管機構更好評估未來水電開發項目經濟影響的一套工具。

3 能源研發的需求

如上所述，研發是開發可再生能源的重要手段之一。水電開發中有技術和環境問題需要解決。而且風電模型也顯示，研發也是實現風電裝機容量增大的關鍵因素，在2008年年底的國會上重點強調了這一情況。2008年9月10日，在向美國眾議院能源獨立和全球變暖特別委員會的陳述中，麻省理工學院校長S.霍克菲爾德(Hockfield)博士提出了她對國家能源研發政策和開支的看法。在題為《未來的投資:研發需要面對美國的能源和氣候挑戰》的發言中，她就達成能源改革所需要的研究經費提出了幾個關鍵問題:

(1)在過去的幾十年中，聯邦投入到能源研究的資金逐年減少，變得微乎其微。1980年，聯邦政府研究經費的10%用于能源研發。如今，研究經費卻只占2%。

(2)自1980年以來，美國能源公司研究投資的下降幅度，與公共研究的下降幅度相當。到2004年，企業能源研發僅相當于今天的12億美元。這個水平可能適合一個符合成本效益，且技術成熟的基于化石燃料的能源產業。然而，這不適用于任何一個以創新為主導的行業。制藥公司的研發投資占收益的18%。半導體公司的投資占其收益的16%。即便是汽車行業，投資也有3.3%。然而，美國能源公司投入的研發資金卻不足其收入的0.25%。

這里所強調的是，工業要發展和實現產業化，只有政府才能為研發提供動力來源。

4 水電研發的需求

2008年10月29～30日，美國電力科學研究院在華盛頓主辦了一個題為“水電開發研發需求”的研討會。這次研討會的重點是為一個重新調整過的聯邦可再生水資源研發項目提供行業扶持資金。這次研討會匯集了業界代表、監管機構、金融專家、能源技術提供商，以確定和按重點排列出新水電裝機開發與應用的研發需求，包括海洋能源、流體動力學、傳統水電和抽水蓄能。

研討會的一個重點議題是討論該行業的研究、開發、應用以及示范項目的需求現狀。幾個重點討論的議題包括:

(1)傳統水電，在考慮其技術成熟性的同時，還需進行新的開發研究，這些研究包括簡單先進的環境優化及自動發電控制優化;

(2)抽水蓄能也有進一步的研發需求，包括材料和變速機控制;

(3)波浪、潮汐等發電技術還處于研究和早期的示范階段。

以下是2008年的專題研討會中，關于水電研發專題的重點議題。

針對傳統的水力發電和抽水蓄能:

(1)先進的水輪發電機;

(2)可再生能源整合;

(3)技術開發;

(4)環境問題;

(5)氣候和流量模擬。

針對海洋和水動力發電(波浪、潮流、潮汐和水動力等問題):

(1)技術測試(開發，包括通過試點示范進行的實驗性開發);

(2)環境測試(以處理系統環境影響);

(3)測試標準。

5 激勵措施

5.1 產品稅收信貸及上網電價

根據產品稅收信貸支持通過開發新興技術提高裝機容量的歷史，可以了解其在可再生能源產業中的重要性。研究顯示，1999～2006年，在激勵政策的支持下，產品稅收信貸對風電行業的大力開發產生了重要的影響。

2005年，隨著產品稅收信貸方案的推廣，以及對水電裝機容量的激勵政策，在現有大壩的基礎上，配套新增了27個水力發電項目，可供電力超過41萬MW·h(相當于新增120 MW的裝機容量)。

阻礙水力發電激勵方案的一個因素是，產品稅收信貸等水電激勵方案只有在可再生能源發電時才適用，并且對于水電項目開發來說，有一個嚴重的時間滯后問題。與其他可再生能源發電相比，長期可靠的激勵政策可使水力發電受益。如果對上網電價等計劃及其對就業的影響進行評估，就需要考慮研發可持續性技術并從初始示范階段發展到大量機組和電站的產業化所需要的時間和經濟支撐。

《歐美可再生能源發電的固定價格激勵政策之辯論:副作用及未來方向》這一報告中提到，歐盟在可再生能源投資組合標準和固定上網電價方面有著豐富的經驗。好幾個歐盟成員國已經通過上網電價使可再生能源得到迅猛開發，而可再生能源投資組合標準則未起到作用。上網電價的成功讓其他國家受到啟發而采用了類似的法律。上網電價目前是世界上各國采用的最廣泛的可再生能源政策。

截至2007年，已經有18個歐盟國家采用了固定上網電價，其他采用的國家還有:巴西、印度尼西亞、以色列、韓國、尼加拉瓜、挪威、斯里蘭卡、瑞士和土耳其。固定上網電價就是要求電力公司按固定價格購買可再生能源發電量。這些固定價格的構成根據發電成本而形成的長期支付價格(如德國)，或在現貨市場價格之外給予固定的補貼(在西班牙)。大多數法律還規定，電力公司需要保證所有合格的可再生能源的電力并網。

最近一項關于固定上網電價的研究表明，成功的固定上網電價應該包括:

(1)確保恰當反映發電成本和利潤的長期保證金;

(2)激勵強度應隨著時間的推移而減少(即補貼價格的逐漸減少);

(3)激勵強度應根據可再生能源技術的不同而有所區別(例如光伏、風能、生物質能);

(4)為實現特定的政策目標而專門制定的激勵強度。

5.2 健全的法律法規

學者C.克萊恩在美國電力科學研究院研討會上指出，任何一項資金密集型項目的開發都面臨一個已知的障礙，而所有水電開發面臨的則是管制周期的不確定性。如果法律法規不健全，投資者就沒有足夠的信心來確定投資回報的時間，下面的3個關鍵因素就會受到影響:

(1)不愿提供配套資金來支持私人的研究投資;

(2)難以為新的和資金密集型項目吸引開發資金;

(3)用以支持技術的基礎制造設施建設緩慢。

健全的法律法規再加上激勵措施可刺激對新的水電項目的投資行動。

5.3 總量管制和交易現狀

當前，美國國會正在考慮是否實行總量管制和交易排放政策。對于所有的溫室氣體(GHG)減排，通用詞匯是減碳。在大多數政策討論中，有專門的公式將甲烷和其他溫室氣體轉換為碳當量。這些計算公式給測量和貿易信貸提供了共同的基礎。

在總量管制和交易的情況下，對水力發電和其他形式的可再生能源發電而言，使用非排放性能源供電而降低的二氧化碳當量或配額變得很重要。如果給一些非排放性發電(如核電、水力發電、風電或太陽能)制定溫室氣體或二氧化碳排放額度，便會提高其發電效益。實施這種碳補償機制，兩個關鍵因素是必需的:

(1)將可變利率作為公式的參數;

(2)明確可納入該補償機制的可再生能源。

6 結語

以下是從美國電力科學研究院正在進行的研究中得出的幾個關鍵初始數據。

(1)2007年，水力發電量占美國電力供應的7.1%，且占所有可再生能源發電的70%以上。

(2)如果研發和激勵政策保持一致，到2025年，水電裝機容量將會增加到39 750 MW。

(3)開發水能資源可以:①提供短期的和長期的可再生能源電力;②實現可再生能源的電力并網;③保證國內能源安全;④降低發電所需的用水量。

(4)為了實現發電量的有效增長，水電行業需要有可持續的組合激勵政策，這些政策包括:①通過清潔可再生能源債券項目和產品稅收信貸獎勵增加發電量;②通過示范項目投資補貼政策鼓勵波浪和潮汐能等新形式的發電項目;③認識到通過可加快投資的投資補貼政策，抽水蓄能發電對其他間歇性可再生能源的作用;④尋找新的較長期的激勵政策，如固定上網電價，鼓勵可再生能源電力的長期增長。

(5)在美國，水電研發的投資是所有能源行業中最低的。相對來說，適當地增加研發資金，加強對復雜環境和工程問題的了解，會大大改善現有水電產業及新水電技術的性能并提高其成本效益。主要內容包括:①負荷跟蹤和資源管理的水資源預測;②部署和開發先進的“親魚型”水輪機，改善環境和運行性能;③用先進的變速發電機提高抽水蓄能的功效;④資源評估;⑤對環境系統造成的影響;⑥新工藝的組成和安裝標準。

(6)改進下列監管程序可以減少不確定性和加快開發速度:①加強聯邦和州之間的協作，以加快聯邦強制性檢驗機構和州40個水質監測機構的審批工作;②簡化許可證的發放過程，加快閉環抽水蓄能工程的開發，將對自然河流的影響降到最低;③將政府資助的環境研發用于資源評估和提高科技與環境相互作用的了解，以為監管機構作決策打下基礎;④解決美國礦產資源管理局和聯邦能源管制委員會之間的管轄問題，以解決監管外大陸架開發中的不確定性。

所有這些因素都會影響新水電開發的速度。2025年新增水電裝機容量是23 000 MW還是40 000 MW受支持和鼓勵程度大小的影響。從2007年和2008年采取的激勵措施的效果和美國能源署新修訂的支持計劃來看，到2025年，新增水電裝機容量很可能達到40 000 MW。

朱 紅 摘譯自英刊《水電與大壩》2010年第4期

鄒瑜校

TV211.14

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1006-0081(2011)09-0009-05

2011-04-20