風、光、水多能互補是我國“碳中和”的必由之路

楊永江，王立濤，孫 卓

（中國水力發電工程學會，北京市 100048）

1 我國風、光、水互補開發得天獨厚

我國風、光、水能資源同宗同源。青藏高原海拔高、面積大，素有地球“第三極”之稱，平均海拔超過4000m、面積約250萬km2，下墊面光照條件好、感熱加熱能力強，在夏季形成了明顯的高原“熱島效應”和“煙囪效應”，加強了南亞季風、東亞季風，將印度洋、太平洋的大量水汽抽吸上青藏高原，形成了“亞洲水塔”，孕育了黃河、長江、瀾滄江（湄公河）、怒江（薩爾溫江）、雅魯藏布江（恒河）、印度河等大江大河，因此，青藏高原集“光塔”“風塔”“水塔”于一身，蘊藏了豐富的太陽能、風能、水能資源。我國這種獨特的自然地理環境為風、光、水能互補開發創造了得天獨厚的地利條件。

我國風、光、水能資源具有天然的互補性。青藏高原對行星風系的阻隔和熱力作用，成為亞洲季風氣候發動機的機理。青藏高原獨特的“光—風—水”循環規律，導致我國夏季風小、光差、水多，冬季風大、光好、水少，河川徑流量60%～80%集中在夏季，因此，我國風、光、水能資源在季節分布上存在著天然的互補性。

我國水能資源豐富，隨著資源普查的深入和開發技術的進步，水能資源的理論蘊藏量和技術可開發量逐步增加。1950年第一次公布的全國水力資源，理論蘊藏量1.49億kW，年發電量1.3萬億kW·h。其中，西南地區為9724.7萬kW，中南地區為1846.08萬kW，西北地區為1747.6萬kW，其他三個地區都在5%以下；1954～1955年全國進行了一次比較全面、正規的水力資源量統計估算，公布的計算結果中，全國水力資源理論蘊藏量5.44億kW，年發電量4.76萬億kW·h；1958年水力資源普查修正成果：全國水力資源理論蘊藏量5.83億kW，年發電量5.11萬億kW·h；1980年水力資源普查成果：全國水力資源理論蘊藏量6.76億kW、年發電量5.92萬億kW·h，技術可開發量3.7億kW、年發電量1.75萬億kW·h；2003年水力資源復查成果：全國水力資源理論蘊藏量6.94億kW、年發電量6.08萬億kW·h，技術可開發量5.4億kW、年發電量2.47萬億kW·h[1]。如表1所示為2003年全國水能資源復查成果匯總表（分流域）。

比爾?蓋茨在他的專著《氣候經濟與人類未來——比爾·蓋茨給世界的解決方案》中寫道：“憑借太陽能、風能、水能，以及其他一些工具，我們足以應對氣候變化”[3]。從理論上講，水能資源蘊藏量比較容易普查，技術成熟；而風、光資源較難普查，技術進步空間還很大。相對來看：水能資源是有限的，風、光資源是無限的。

2 風、光、水互補開發，加快實現電力“碳中和”

截至目前，我國流域水電基地基本形成，并在規劃設計、建設運營、投融資等全產業鏈都在世界上遙遙領先。新中國成立之后，我國充分發揮集中力量辦大事的制度優勢，集中開發和治理了黃河、長江、海河等大江大河。例如：黃河水電梯級開發形成了600億m3的總庫容、水電裝機容量2000萬kW，使“三年兩決口，百年一改道”的黃河安瀾了70年，泥沙減少到2億t以下，2000年后再沒出現斷流現象，用占全國2%的水資源量，承載了15%的耕地和12%的人口，并形成了5000萬kW的清潔能源基地。截至2020年底，我國水電裝機容量37016萬kW（含抽水蓄能3149萬kW）、年發電量13552億kW·h。基本形成了沅水、清江、紅水河、烏江、瀾滄江、雅礱江、大渡河、黃河等流域水電基地。

風、光、水互補開發加快實現電力清潔化。我國水電、風電、光電持續高速增長，也帶來了棄水、棄風、棄光以及水電投資越來越大等問題，電能“質量約束”和“成本約束”已成為制約可再生能源發展的瓶頸。經過多年的研究、探索和實踐，從國情出發，提出以水電為先導帶動風、光、水互補開發，來突破制約風電、光電、水電各自“單打獨斗”發展的“瓶頸”，推動風、光、水電力多、快、好、省地健康發展。風、光、水能互補是一種集成融合技術，將風電、光電、水電各類電源組合起來，形成一個電源組，實現優勢互補，為電網提供質優、價廉、清潔、可再生的電力。水電具有運行靈活和儲能等優點，一般汛期多、枯水期少；風電和光電具有波動大、隨機性、離散性等弱點，一般汛期少、枯水期多；風電、光電、水電在資源和運行上具有天然的互補性；水電造價越來越高并且工期長，風電、光電造價越來越低并且短平快，因此，風電、光電、水電存在投資上的互補性。水電可將風電和光電這種“垃圾電”加工成“優質電”，風電和光電可彌補水電枯水期出力不足和投資大的弱點。風、光、水互補開發，破解了水電、風電和光電開發中的“質量約束”和“成本約束”。

風、光、水互補將水電基地變成清潔能源基地。我國水能資源80%以上分布在西部地區，充分利用風、光、水能資源同宗同源的優勢，依托黃河上游、大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江等水電基地，根據市場需求短、平、快開發風電、光電，“插接”到水電基地所形成的送出系統中并網，從而形成風、光、水互補開發的清潔能源基地。

筆者以雅礱江水電基地為例進行了系統的研究。雅礱江水電基地規劃裝機容量3000萬kW、年發電量1500億kW·h，配套建設的送出工程容量為3000萬kW、利用小時數為5000h。通過風、光、水互補開發將形成的清潔能源基地：總裝機容量13500萬kW、年發電量3200億kW·h，其中，水電裝機容量4500萬kW（擴機1500萬kW）、年發電量1500億kW·h，送出容量4500萬kW、風電裝機容量3000萬kW、年發電量700億kW·h，光電裝機容量6000萬kW、年發電量1000億kW·h；配套建設送出工程的容量為3000萬kW、利用小時數為7111h，提高送出線路的利用率為42.2%；水電利用小時數從5000h下降到3333h，因此，風、光、水互補開發充分發揮了水電的儲能和調節作用，更好地實現了水電的容量效益。

上述成果，是基于雅礱江水電基地已規劃的梯級水電站的發電量、裝機容量、水庫調節庫容進行擴機計算的。如果以雅礱江梯級水電站的電量、容量、庫容為基礎，再利用有利地形、地質條件建設抽水蓄能電站，將使雅礱江清潔能源基地有更大的發展空間。以客觀條件而論，雅礱江可利用的水能資源是有限的，而隨著技術的進步，流域面積12.86萬km2內，可利用的風能、太陽能資源是相對無限的。充分利用雅礱江流域風、光、水能資源同宗同源的優勢，以及水電基地所形成的外送通道和水庫儲能等基礎設施，根據電力市場需求，短、平、快建設風電、光電“插接”到水電基地，在源頭將風電、光電加工成“優質電”打捆送出，提高電能質量、降低系統成本，是我國清潔能源市場化、集約化、規模化高質量可持續發展的重要選項。

青藏高原風、光、水互補開發，可加快實現電力的“碳中和”。我國黃河上游、大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等水電基地均環繞在青藏高原邊緣，規劃水電裝機總容量約3.2億kW、年發電量約1.5萬億kW·h，已開發約1億kW、年發電量約0.5萬億kW·h。如果未來10年將這些水電基地建設成清潔能源基地，可新增水電裝機容量約3.8億kW，年發電量1億kW·h，可新增風電和光電約10億kW、年發電量約2萬億kW·h，合計新增發電量約3萬億kW·h，基本可以滿足全國未來10年對電力增長的需求。從理論上分析，通過風、光、水能互補開發，我國電力馬上就可以實現“碳達峰”。

特高壓輸電技術使“西電東送”的輸電成本越來越低，每千瓦時只需0.05元左右的成本，就可將青藏高原的電送到東部沿海地區。根據國家能源局2019年4月發布的“國家出臺政策降低跨省跨區專項工程輸電價格”顯示，“西電東送”幾條主要輸送水電的特高壓±800kV線路，送電成本分別為：向家壩—上海輸電價格0.051元/（kW·h）、錦屏—蘇州輸電價格0.057元/（kW·h）、溪洛渡—金華輸電價格0.045元/（kW·h），輸電線路利用小時數為4262～5083h，如果提高到7000h，輸電成本還會下降約40%。

（4）強化創新人才培養，鼓勵創新人才在華發展。美國一直以來十分重視人才培養和人才引進，對基礎科學研究給予大力支持，同時為在美國的高素質留學生創造較為便利的科研或創業條件，高度重視高校在科技創新發展中的推動作用。我國無疑是擁有最多從事科技創新研究和工作人群的國家，在基數優勢的前提下，我國應更加關注創新人才的素質和能力，加強海外高水平創新團隊的引進，并引導各類創新型企業和科研機構聘用實力過硬的高層次人才，提高專業素質和創新能力的評判標準。■

西部地區風、光、水電力上網電價具有競爭力。根據2014年2月1日開始執行的《關于四川電網統調水電站試行臨時分類標桿電價的通知》，四川水電上網電價為0.2632～0.39元/（kW·h），按平均上網電價約0.3元/（kW·h）和“西電東送”輸電成本0.05元/（kW·h），四川水電送到東部沿海的落地電價為0.35元/（kW·h），低于沿海的山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東火電的標桿電價為0.39～0.45元/（kW·h）。2021年6月16日，四川甘孜州20萬kW光電投標的電價為0.1476～0.3616元/（kW·h），正常情況下預計為0.25元/（kW·h）。如果風電在0.35元/（kW·h）左右，那么，四川省風、光、水互補開發的平均上網電價應為0.3元/（kW·h）左右。青海和云南上網電價還要低于四川。

從上述分析來看，青藏高原風、光、水互補開發潛力巨大，不僅在資源量上可以滿足全國需求，而且，隨著技術進步和風、光、水互補開發政策的優化，風、光、水電力的上網電價和特高壓的輸電電價還會進一步下降，使風、光、水電力的競爭力進一步提高。因此，青藏高原是風、光、水資源寶地，取之不盡，用之不竭。

3 中國的“碳中和”之路是能源電力化

我國電力清潔化發展所需的風能、太陽能、水能等可再生能源的資源量是足夠的，通過風、光、水互補開發和“西電東送”的成本也是有競爭性的，可以充分發揮市場資源配置當中的決定性作用，加快實現電力清潔化。從經濟性考慮，水電在提完折舊和還完貸款之后，經營成本只有0.05元/（kW·h）左右，隨著風電和光電價格的進一步降低，清潔電力的成本越來越低。暢銷書《第三次工業革命》《零邊際成本社會》和《零碳社會》的作者杰里米?里夫金在他的書里也預測：“一旦設施和相關技術建成并投入運行，開發太陽能、風能以及其他可再生能源的邊際成本趨近于零”[4]。我國在流域水電梯級開發、西電東送等基礎設施和物聯網、5G等技術方面國際領先，這為可再生清潔能源發展走向邊際成本趨零的時代奠定了基礎，使能源電力化成為大勢所趨。

能源電力化是我國實現“碳中和”的必由之路。從圖1可以看出，2018年我國89%的CO2排放集中在發電供熱、工業和交通三大行業，美國、歐洲、日本等也主要集中在這三大行業，占比為77.12%～85.3%。

圖1 2018年部分國家和地區二氧化碳排放量對比[5]Figure 1 The emissions comparison of carbon dioxide in some countries and regions in 2018

我國在發電供熱領域，2021～2030年力爭實現增量電力清潔化，2031～2050年實現清潔電力替代化石電力。利用廉價的清潔電力電解水生產綠氫，形成綠色能源。在工業領域，2017年電氣化率僅為27%，通過鋼鐵行業從高爐轉向電爐，水泥生產逐漸使用綠氫和生物質能源等替代燃料，預計2050年工業電氣化率可達到52%。在交通領域，依托我國電動汽車的產業和技術優勢，加速實現交通電氣化。因此，通過電力清潔化和能源電力化，預計到2050年我國CO2排放量可減少80%以上，基本實現“碳中和”。

4 風、光、水互補開發具有重要意義

我國《“十四五”規劃和2035遠景目標綱要》提出建設金沙江上下游、雅礱江流域、黃河上游等清潔能源基地，并出臺“電力源網荷儲一體化和多能互補發展”的指導意見，提出以先進技術突破和體制機制創新為支撐，構建以新能源為主體的新型電力系統，因此，充分利用我國風、光、水在資源、電力、投資上的互補性，努力突破風、光、水能互補開發的技術“瓶頸”，將促進清潔可再生能源高質量發展，加快實現“碳達峰”“碳中和”。

我國風電、光電、水電等各行業全產業鏈世界領先，開發規模均居世界第一。在水資源綜合利用領域，我國形成了“自然—社會”二元水循環理論，以及水電“流域、梯級、滾動、綜合”開發的廣泛實踐，流域水電基地基本形成，“西電東送”的特高壓電網已經形成。然而，依托正在建設的流域水電基地，基于流域內風、光、水能資源和變化規律，優化開發風電、光電、水電，形成一組優質電源是我國電力清潔化發展的必然選擇。

依托青藏高原獨特的自然環境，通過風、光、水互補開發，加快實現電力清潔化，對于貫徹新發展理念，以流域水循環推動雙循環，構建流域新發展格局，實現高質量發展具有重要意義。

一是建設“亞洲水塔”形成水資源綜合利用體系。經初步估算，黃河上游、大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等主要流域，在風、光、水能互補開發完成后，形成了約1000億m3的“龍頭水庫”，這是最大規模的青藏高原水資源綜合開發工程體系建設，給“亞洲水塔”裝上“開關”調節徑流的豐枯變化，優化水資源配置，滿足生產、生活、生態對水資源的綜合需求，興利除害，形成“我在江之頭，君在江之尾，共飲一江水”的命運共同體，惠及我國及下游國家約30億人口。

二是助力青藏高原生態屏障建設。實踐和研究表明，風電、光電裝置會提高地表粗糙度，降低風速，增強空氣的匯聚而形成上升氣流，提高降水，促進植被生長，降低地面反射率[6]。因此，風電、光電具有遮陰、降低風速、減少水分蒸發等作用，有利于生態修復。高原濕地保護與修復方略——建設低壩有利于快速修復濕地[7]，水庫具有“冷湖效應”、濕地作用，能夠增加周邊的濕度和降水，改善陸生環境，而且，在青藏高原梯級水電站形成的“河—湖”系統，可改善水生生境，并順應了河流自然階梯化過程，起到了與黃土高原“淤地壩”“梯田”保持水土和穩定山體的類似作用。例如：雅礱江二灘水電站建成20年，使植被稀疏的干熱河谷變成國家級森林公園，附近的攀枝花市也變成了熱帶水果王國。

三是加快實現“碳達峰”“碳中和”。我國流域水電基地基本形成，短、平、快建設風電、光電“插接”到水電基地，就形成了風、光、水能互補的清潔能源基地，充分發揮有為政府和高效市場優勢，利用電網將清潔電力送到千家萬戶。同時，通過“西電東送”，市場化構建起黃河、長江流域上下游生態補償機制，實現生態建設的產業化和產業發展的生態化。因此，加快推動風、光、水能互補開發，可以筑牢水資源、生態、能源安全底線。

我國實現“碳中和”從資源到技術并無多少懸念，關鍵是實現風、光、水互補開發的體制機制創新。我國發展風、光、水互補開發具有天時、地利、人和的優勢。新時代、新能源、新動能是我國可再生能源發展的動力之源；青藏高原是可再生能源發展的“風光水寶地”，是風、光、水互補開發的大舞臺；以水電為先導，統一開發主體、統一規劃、統一開發、統一市場，加快實現電力清潔化、能源電力化。

人類利用自然界所提供的能源資源，從薪柴時代，到煤炭時代，再到油氣時代，最終走向清潔能源的新時代。人類社會也從原始文明到農業文明，再到工業文明，最終走向人與自然和諧共生的生態文明。人類每一次主要能源的改變，都推動著社會發生深刻變革。中華文明從大禹治水開始，興水利除水患，就是經濟社會發展永恒的主題，“水利興則天下興”，孕育了“天人合一”的人與自然和諧共生的生態文明思想基礎。今天，我們利用青藏高原的地理優勢，風、光、水的技術優勢，社會主義的制度優勢，通過風、光、水互補開發，將助力我國加快走向生態文明的新時代。

5 結論

本文以雅礱江水電基地風、光、水能互補開發研究為基礎，論證了以水電開發為先導，風、光、水電力互補開發實現我國“碳中和”之路的可行性和必然性。依托流域水電開發構建起環繞在青藏高原邊緣的生態屏障，實現生態優先、綠色發展，保障水、糧食、能源和生態安全，為加快實現習近平總書記提出的“以產業生態化和生態產業化為主體的生態經濟體系”建設奠定堅實的物質基礎。主要結論如下：

（1）風能、太陽能、水能均是清潔可再生能源，以人類目前的能源獲取途徑，要實現“碳中和”目標，必須大力發展風能、太陽能、水能資源。

（2）國內外大量的研究表明，推動社會能源使用向電力化轉變是實現“碳中和”的重要內容和努力方向。

（3）風、光、水能大規模互補開發與我國倡導的“生態優先、綠色發展”的理念高度契合。

（4）我國風能、太陽能、水能資源極其豐富，并且在時間和空間分布上具有很好的互補性，資源優勢得天獨厚。加之我國多年來在電力生產、輸送、使用方面積累了大量的人才和技術優勢，以水電為先導帶動風、光、水互補開發，可以快速實現電力生產的清潔化、生態化、低成本化，再用廉價的電力推動能源電力化，從而加速實現碳中和。