水電在減緩和適應氣候變化中的作用

水電在減緩和適應氣候變化中的作用

Luis Bergaa,bInternational Commission on Large Dams, Paris 75116, France

a r t i c l e i n f o

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Received 31 March 2016

Revised form 22 June 2016

Accepted 8 July 2016

Available online 9 September 2016

可再生能源

水電是一種清潔、可再生，且對環(huán)境友好的能源。全球每年的水力發(fā)電量達到3930 TW·h，占全球總發(fā)電量的16 %，同時占可再生能源發(fā)電量的78 % (2015年)。水電和氣候變化具有雙重的關系。一方面，水電作為一種重要的可再生能源，對于避免溫室氣體排放和減緩全球變暖貢獻顯著；另一方面，氣候變化會改變河道流量，進而影響水資源可用量和水力發(fā)電。水電對于減少溫室氣體排放和保障能源供應至關重要。與常規(guī)燃煤電廠相比，水電每年可避免3×109t CO2的排放，占全球年CO2排放量的9 %。除了對電力行業(yè)的貢獻，水電項目還可作為多功能水庫的融資工具，以及水資源應對氣候變化影響的一項適應性措施，這是因為水庫的蓄水可作為氣候變化的緩沖器，有大水庫調節(jié)的流域更能適應水資源變化，而不容易受到氣候變化的影響。從全球層面來看，預期氣候變化對現(xiàn)有全球水力發(fā)電的整體影響較小，甚至可能產(chǎn)生一些積極影響。然而，世界不同地區(qū)甚至各個國家內部可能存在巨大差異?？傊瑢λ姷慕庾x為：水電是一種廉價、成熟的技術，對減緩氣候變化有重大貢獻，且可以在水資源適應氣候變化中發(fā)揮重要作用。有必要關注并減輕巨大的環(huán)境壓力和社會成本，預計未來幾十年內可新增水電裝機容量1000 GW。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

電力是人類生活和可持續(xù)發(fā)展必不可少的。夜幕降臨的地球上，燈火璀璨的區(qū)域便是富饒繁榮的地區(qū)。然而全球仍有20 %的人口生活在黑暗當中(他們無法享受照明、冰箱、電腦、良好的教育或自來水)。有電力的地方即意味著社會經(jīng)濟發(fā)展，而黑暗是阻礙可持續(xù)發(fā)展的主要問題。目前，全球有12億人口用不上電，主要在亞洲和非洲地區(qū)(其中80 %的人口生活在農(nóng)村)[1]。電力和發(fā)展的社會經(jīng)濟分析主要基于若干重要電力指標[年人均用電量、人均用電量及用電人口比例(AE %)]與宏觀社會經(jīng)濟指標[人均國民總收入(GNI)、人類發(fā)展指數(shù)(HDI)]之間的相關性。所有的社會經(jīng)濟分析均表明，發(fā)達國家(高收入和高人類發(fā)展指數(shù))用電人口的比例達到100 %，年人均用電量為8500 kW·h；發(fā)展中國家(低收入和低人類發(fā)展指數(shù))用電人口比例僅為25 %，年人均用電量不到500 kW·h。由此可見，電力指標與社會經(jīng)濟發(fā)展之間存在很強的相關性[2]。

當前，人類面臨實現(xiàn)2030年可持續(xù)發(fā)展目標(SDG)的挑戰(zhàn)：指導未來15年發(fā)展行動的一項可持續(xù)發(fā)展計劃，由17個目標、169個子目標構成，預估年投資額在3.3萬億～4.5萬億美元。其中目標7為有關能源的挑戰(zhàn)，其目的是實現(xiàn)人人都能獲得廉價、可靠及可持續(xù)的現(xiàn)代化能源。目標7包括4個子目標，即到2030年，確保人人享有能源，提高可再生能源在全球能源結構中的比例，提高能效，擴建基礎設施和技術升級以提供現(xiàn)代化的可持續(xù)能源[3–5]。

2. 電力能源與氣候變化

人類活動導致的溫室氣體排放正改變著全球能源和氣候模式。主要的溫室氣體為CO2，占總排放量的76 %。這些排放導致CO2濃度從1750年的277 ppm上升到2014年的397 ppm，增長43 %。2015年3月和12月，CO2峰值濃度有幾次超過400 ppm。從經(jīng)濟活動來看，用于發(fā)電和供暖的煤炭、天然氣和石油的燃燒是最大的全球溫室氣體排放來源。

國際社會對全球溫室氣體排放和氣候變化的政策響應始于1992年提出的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)，其為穩(wěn)定大氣溫室氣體濃度、避免氣候系統(tǒng)受到危險的人為干擾提供了法律框架。在多次年會后，UNFCCC第21次締約方會議(COP 21)于2015年11月29日至12月31日在法國巴黎召開。此次巴黎氣候變化大會是一場全球領導人盛會，150多個國家元首和政府首腦出席會議，表達通過全球氣候變化新協(xié)議的政治意愿。此次會議匯聚了36 000多位參與者，包括近23 100位政府官員，9400位聯(lián)合國機構、政府間組織和公民社會組織的代表及3700位媒體代表。

在巴黎氣候變化大會上，各方同意確保全球平均氣溫升幅不超過工業(yè)化前2℃，并繼續(xù)努力，爭取把溫度升幅限定在1.5℃之內，以大幅減少氣候變化的風險和影響。各方應編制、溝通和連續(xù)保持《國家自主貢獻預案》(INDCs)。各國必須自愿保證，而非強制性地逐步減排溫室氣體。這是世界各國減緩氣候變化的首份全球協(xié)議，也是減緩氣候變化的關鍵第一步[6]。然而，全球大多數(shù)國家日前提交的《國家自主貢獻預案》僅生效到2030年，屆時的氣溫升幅或達3～3.5℃，遠遠高于承諾的2℃升幅及CO2濃度450 ppm，為此，有必要提出2030年以后的減排承諾及減排行動 [7]。

UNFCCC目前正力求達成全球溫室氣體減排協(xié)議。此外，各方就電力減排的重要方面達成了普遍共識，如可再生能源的重大發(fā)展：太陽能、風能、地熱能和生物能(綠色電力)、水電(藍色電力)，提高供電和配電效率，煤改氣，核電，熱電聯(lián)產(chǎn)，CO2捕獲的先期應用。與此同時，第21次締約方會議上通過的《巴黎協(xié)定》承認，有必要通過加強推廣可再生能源，促進其在發(fā)展中國家，尤其是非洲國家的廣泛應用。

3. 水電能源與氣候變化

水電是一種清潔且對環(huán)境友好的可再生能源。全球年平均水力發(fā)電量達到3930 TW·h，占全球總發(fā)電量的16 %，占可再生能源發(fā)電量的78 %(2015年)。圖1中，水電容量為1100 GW(主要在亞洲和拉丁美洲)，過去五年水電的復合年增長率約為3.5 %， 約有160 GW的在建水電項目及1000 MW的規(guī)劃水電項目。

目前，全球約有1200座在建大壩，其中347座為高達60 m以上的大壩，分布在49個國家，主要在亞洲。在這些大壩中，有202座大壩(58 %)主要用于水力發(fā)電，而50 %以上的大壩為多目標開發(fā)項目[8]。

水電在發(fā)達國家已經(jīng)得到廣泛的開發(fā)，技術可行的水電資源的開發(fā)程度超過50 %。新興經(jīng)濟體開發(fā)了20 %～30 %的水電資源，但發(fā)展中國家仍有很大的水電資源待開發(fā)。如圖2所示，非洲是一個極端情況，具有經(jīng)濟可行性的水電資源開發(fā)程度僅為8 %。整體而言，發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)了大部分的水電資源，而新興國家和發(fā)展中國家仍有很長的路要走[1]。

水電和氣候變化具備雙重關系。一方面，水電作為一種重要的可再生能源，有助于避免溫室氣體排放及減緩全球變暖；另一方面，氣候變化可能改變河道流量，進而影響水的可利用量、規(guī)律性及水力發(fā)電[9]。

圖1.2015年主要發(fā)電來源 (以百分比表示)。

3.1. 水電能源在減緩氣候變化中的作用

水電等可再生能源技術有助于顯著減少溫室氣體排放，保障能源供應安全。與常規(guī)燃煤電廠相比，水電每年可減排3×109t CO2，占全球年CO2排放量的9 %?？傊?，水電是一種產(chǎn)生較少溫室氣體排放的能源。根據(jù)世界能源理事會(WEC)的數(shù)據(jù)，徑流式和水庫式水力發(fā)電每百萬度電，分別產(chǎn)生3～4 t和10～33 t的CO2排放量，比傳統(tǒng)火力發(fā)電的CO2排放量少近100倍[10]。 如圖3所示，政府間氣候變化委員會(IPCC)2011年發(fā)布的可再生能源特別報告表明，大多數(shù)水電站生命周期內的溫室氣體排放量為4～14 g CO2eq·(kW·h)–1。然而，在某些情景下，水電站的溫室氣體排放量明顯高，但依然顯著低于火力發(fā)電的排放量 [11]。在過去的十年間，人們對水庫溫室氣體排放的方法和可靠性一直存有爭議。對水庫溫室氣體排放的長期科學爭論，一些事件的不確定性及夸張的描述不利于水電的發(fā)展，例如， 2000年的研究估計水庫溫室氣體排放占全球總排放量的7 %。為了傳播最新的研究進展，世界銀行2013年4月發(fā)布了《生化過程引起水庫溫室氣體排放的階段性技術文件》。發(fā)布這一技術文件的主要目的是：澄清對水庫溫室氣體排放的混亂認識；提供在環(huán)評過程中研究水庫溫室氣體排放的具體導則。這一階段性技術文件得出的主要結論是：水庫排放大量溫室氣體的觀點主要源于在條件十分惡劣的場址開展的早期研究；絕大多數(shù)水庫的溫室氣體排放相對較少[12]。

圖2.待開發(fā)的具有技術可行性的水電潛能(%)。

圖3.再生資源與不可再生資源發(fā)電技術的生命周期溫室氣體排放情況 [11]。

水電是最廉價的可再生能源，因此在當前能源市場中往往更具價格優(yōu)勢。水電一般需要相對較高的初期投資，但擁有較長的使用周期，且運維成本較低。水電項目發(fā)電成本差異很大，在良好條件下，可能低至3～5美分·(kW·h)–1(2005年)[11]。水電的另一優(yōu)勢是，在所有已知能源中，水電的能源轉換率最高(約為90 %)。與此同時，水電項目的可靠性和靈活性較高，且其規(guī)模種類較多，這使得水電既能滿足大規(guī)模集中的城市和工業(yè)需求，也能滿足分散化的農(nóng)村需求。

在過去的十年間，水電、風電和太陽能發(fā)電得到快速發(fā)展，可再生能源增長迅猛。2004—2013年共新增760 GW可再生能源，其中水電、風電和太陽能光伏分別占37.5 %、35.5 %和18 %，如圖4所示[13]。另一方面，水電為其他可再生能源提供了及時的協(xié)同作用。在未來電力結構下，應綜合規(guī)劃水電、風電和太陽能發(fā)電。水電與風電和太陽能發(fā)電顯示出重要的協(xié)同效益，因為風能和太陽能是間歇性能源，具有很大的波動性，而水電能夠平衡這種波動性，并提供峰值負荷。此外，水電是目前唯一通過抽水蓄能電站有效存儲能源的系統(tǒng)，而全球97.5 % 能源存儲在電力網(wǎng)絡中 [14]。

圖4.新增可再生能源的發(fā)電容量(2004—2013年) [13]。

3.2. 水電蓄水在適應氣候變化中發(fā)揮的作用

氣候變化將導致全球變暖、海平面上升、積雪消融。氣候變化引起的全球增溫與水文循環(huán)相互作用，進而導致降水、蒸發(fā)、土壤濕度變化、冰川和冰蓋融化及河流流量變化，對水資源和供水、洪水和干旱及水力發(fā)電產(chǎn)生影響。IPCC第五次評估報告對水資源變化的預測結果表明，高緯度地區(qū)、非洲東部熱帶地區(qū)及東南亞的水資源將增加，而許多半干旱和干旱地區(qū)(如地中海盆地、美國西部、非洲南部、巴西東北部)的水資源將減少，歐洲南部的徑流量將顯著減少[15]。預測表明，氣候變化對水資源的影響可能呈現(xiàn)時間不規(guī)律和地域分布不均勻的情況，冰川和積雪融水補給的河流的徑流量將出現(xiàn)季節(jié)性變化。于是，水資源可利用量減少，可能會導致全球缺水國家面臨重大水資源短缺問題。在這種情況下，有必要注意到，從蓄水(大壩和水庫)和水資源可利用量來看，對調控流域水資源開展的氣候變化敏感性分析表明，擁有大調控庫容的流域更能適應水資源變化，較少受到氣候變化的影響，蓄水有助于減緩氣候變化影響[3]。在氣候變化及世界不斷變化的背景下，需要負責任地發(fā)展，增加蓄水能力是非常必要的。在適應氣候變化方面的投資應包括增加蓄水量[4]。面臨的挑戰(zhàn)之一是，促進修建多功能大壩，更好地規(guī)劃綜合水利工程。在水資源綜合管理的框架下，水力發(fā)電的蓄水可確保灌溉、飲用水、防洪和通航用水。多功能大壩的蓄水有助于確保水資源適應氣候變化。此外，除了對電力部門的貢獻，多功能水電項目還可作為多功能水庫的融資工具[11, 16]。

3.3. 氣候變化對水力發(fā)電的影響

氣候變化可能導致河流流量變化，進而影響水力發(fā)電。一般而言，氣候變化對水力發(fā)電的影響變化差別很大，并隨地域而異，取決于流態(tài)變化及冰川和積雪融化的影響。以歐洲為例，到2070年，預計整個歐洲的水電資源將下降6 %，北歐和東歐的水電資源將增長15 %～30 %，歐洲西部和中部將保持穩(wěn)定，而地中海地區(qū)的水電資源將下降20 %～50 % [17]。根據(jù)IPCC可再生能源特別報告，從全球層面來看，氣候變化對現(xiàn)有全球水力發(fā)電的整體影響可能較小，甚至可能產(chǎn)生一些積極影響。然而，相關結果也表明，世界不同地區(qū)甚至各國內部可能存在很大差異，如表1所示[11]。

然而有必要指出的是，這些預測存在很大的不確定性。社會經(jīng)濟情景、模型預測等級的不確定性表明，對一些地區(qū)的預測存在明顯的矛盾。未來水文狀況的不確定性，對水資源和水電管理人員對氣候變化的認識是一個挑戰(zhàn)。盡管這些預測無法為決策者提供未來變化的準確信息，但可以提供十分有用的信息，供初期評估使用。未來應密切監(jiān)測和分析水力發(fā)電數(shù)據(jù)、趨勢和預測，并依據(jù)充分的信息實施適應性管理[1]。

4. 水電能源發(fā)展趨勢

21世紀以來，水力發(fā)電的演化呈現(xiàn)出一種增長態(tài)勢，如圖5所示[18]。

與此同時，預測未來幾十年內，水電仍將呈顯著發(fā)展趨勢。預測結果表明，到2030年，全球102個國家共有3700個裝機容量達1 MW以上的水電項目，包括629個在建項目(17 %)及3071個規(guī)劃項目(83 %)。這些項目主要位于發(fā)展中國家和新興經(jīng)濟體，包括亞洲、南美洲、歐洲(巴爾干半島、安納托利亞和高加索地區(qū))和非洲(見圖6)，預估投資額將達到2萬億美元[19]。

這些水電項目的總裝機容量將達到700 GW，其中76 %以上的水電項目為中小型水電項目(1～100 MW)，但812個大型水電項目(＞100 MW)的裝機容量占比達到92 %，如圖7所示。

表1.005年發(fā)電量及2050年預估氣候變化(TW·h·a–1，SRES A1B[11])

水電發(fā)展在未來的氣候變化減緩中扮演著重要的角色。國際能源署(IEA)提出的峰值排放量450 ppm (最大增溫為2 ℃)是被普遍認可的，在這一條件下，2030年的水電裝機容量將增長70 %，2050年的水電裝機容量將翻一番[20]。近期，國際可再生能源署(IRENA)的2030年可再生能源發(fā)展路線圖[符合聯(lián)合國秘書長發(fā)起的“人人享有可持續(xù)能源(SE4ALL)”倡議]提出，將全球可再生能源的占比翻一番，實現(xiàn)這一目標需要總水電裝機容量達到2200 GW，這表示需要在IEA預測結果基礎上，新增500 GW的水電裝機容量[21]。

5. 結語

水電是一種清潔可再生，且對環(huán)境友好的能源。全球年水力發(fā)電量占全球總發(fā)電量的16 %，占可再生能源發(fā)電量的78 %(2015年)。水電有助于顯著減少溫室氣體排放、確保能源供應安全。與常規(guī)燃煤電廠相比，水電每年減排3×109t 的CO2排放，占全球CO2排放量的9 %。因此，水電是一種產(chǎn)生較少溫室氣體排放的能源。

圖5.1980年以來全球水力發(fā)電量的演化 [18]。

圖6. 2030年在建、規(guī)劃水電站位置圖 [19]。

圖7.未來水電站數(shù)量及裝機容量分布。

水電的其他優(yōu)勢包括：是最廉價的可再生能源，因此在當前能源市場中往往更具價格優(yōu)勢。水電一般需要相對較高的初期投資，但其擁有較長的使用周期，且運行和維護成本較低。在所有已知能源中，水電的能源轉換率最高(約為90 %)。與此同時，水電項目的可靠性、靈活性較高，且其規(guī)模種類較多，這使得水電既能滿足大規(guī)模集中城市和工業(yè)的需求，也能滿足分散化的農(nóng)村需求。

水電、風電和太陽能發(fā)電將產(chǎn)生重要的協(xié)同效益，因為風能和太陽能是間歇性能源，具有很大的波動性，而水電能夠平衡這種波動性，并提供峰值負荷。此外，水電是目前唯一通過抽水蓄能電站有效存儲能源的系統(tǒng)，而全球97.5 %的能源儲存在電力網(wǎng)中。

21世紀初以來，水力發(fā)電呈現(xiàn)出一種增長態(tài)勢。與此同時，預測未來幾十年內，水電將繼續(xù)呈現(xiàn)巨大發(fā)展，尤其是在發(fā)展中國家和新興經(jīng)濟體。水電發(fā)展在未來的氣候變化中將扮演重要的角色。最新的國際可再生能源署2030年可再生能源發(fā)展路線圖報告提出將全球可再生能源比例翻一番的目標，實現(xiàn)這一目標，全球的水電裝機容量需要達到2200 GW。

總之，水電作為一種廉價、成熟的技術，將有助于顯著減緩氣候變暖，且可以在氣候變化適應水資源可用性中發(fā)揮重要作用。然而，有必要關注并減輕巨大的環(huán)境和社會成本。在未來幾十年內，預計可能新增1000 GW的水電裝機容量。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 313—318

Luis Berga. The Role of Hydropower in Climate Change Mitigation and Adaptation: A Review. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.004

水電

減緩氣候變化

氣候變化影響