楊永江，王立濤，孫 卓

（中國水力發(fā)電工程學會，北京市 100048）

1 我國風、光、水互補開發(fā)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(huán)境為風、光、水能互補開發(fā)創(chuàng)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(fā)動機的機理。青藏高原獨特的“光—風—水”循環(huán)規(guī)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(jié)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(fā)技術的進步，水能資源的理論蘊藏量和技術可開發(fā)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(fā)電量1.3萬億kW·h。其中，西南地區(qū)為9724.7萬kW，中南地區(qū)為1846.08萬kW，西北地區(qū)為1747.6萬kW，其他三個地區(qū)都在5%以下；1954～1955年全國進行了一次比較全面、正規(guī)的水力資源量統(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)電量5.92萬億kW·h，技術可開發(fā)量3.7億kW、年發(fā)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(fā)電量6.08萬億kW·h，技術可開發(fā)量5.4億kW、年發(fā)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(fā)，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(guī)劃設計、建設運營、投融資等全產業(yè)鏈都在世界上遙遙領先。新中國成立之后，我國充分發(fā)揮集中力量辦大事的制度優(yōu)勢，集中開發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)加快實現電力清潔化。我國水電、風電、光電持續(xù)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(fā)展的瓶頸。經過多年的研究、探索和實踐，從國情出發(fā)，提出以水電為先導帶動風、光、水互補開發(fā)，來突破制約風電、光電、水電各自“單打獨斗”發(fā)展的“瓶頸”，推動風、光、水電力多、快、好、省地健康發(fā)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(yōu)勢互補，為電網提供質優(yōu)、價廉、清潔、可再生的電力。水電具有運行靈活和儲能等優(yōu)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(yōu)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(fā)，破解了水電、風電和光電開發(fā)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(qū)，充分利用風、光、水能資源同宗同源的優(yōu)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(fā)風電、光電，“插接”到水電基地所形成的送出系統(tǒng)中并網，從而形成風、光、水互補開發(fā)的清潔能源基地。

筆者以雅礱江水電基地為例進行了系統(tǒng)的研究。雅礱江水電基地規(guī)劃裝機容量3000萬kW、年發(fā)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(fā)將形成的清潔能源基地：總裝機容量13500萬kW、年發(fā)電量3200億kW·h，其中，水電裝機容量4500萬kW（擴機1500萬kW）、年發(fā)電量1500億kW·h，送出容量4500萬kW、風電裝機容量3000萬kW、年發(fā)電量700億kW·h，光電裝機容量6000萬kW、年發(fā)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(fā)充分發(fā)揮了水電的儲能和調節(jié)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(guī)劃的梯級水電站的發(fā)電量、裝機容量、水庫調節(jié)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(fā)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(yōu)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(yōu)質電”打捆送出，提高電能質量、降低系統(tǒng)成本，是我國清潔能源市場化、集約化、規(guī)?；哔|量可持續(xù)發(fā)展的重要選項。

青藏高原風、光、水互補開發(fā)，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(huán)繞在青藏高原邊緣，規(guī)劃水電裝機總容量約3.2億kW、年發(fā)電量約1.5萬億kW·h，已開發(fā)約1億kW、年發(fā)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(fā)電量1億kW·h，可新增風電和光電約10億kW、年發(fā)電量約2萬億kW·h，合計新增發(fā)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(fā)，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(qū)。根據國家能源局2019年4月發(fā)布的“國家出臺政策降低跨省跨區(qū)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(chuàng)新人才培養(yǎng)，鼓勵創(chuàng)新人才在華發(fā)展。美國一直以來十分重視人才培養(yǎng)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(chuàng)造較為便利的科研或創(chuàng)業(yè)條件，高度重視高校在科技創(chuàng)新發(fā)展中的推動作用。我國無疑是擁有最多從事科技創(chuàng)新研究和工作人群的國家，在基數優(yōu)勢的前提下，我國應更加關注創(chuàng)新人才的素質和能力，加強海外高水平創(chuàng)新團隊的引進，并引導各類創(chuàng)新型企業(yè)和科研機構聘用實力過硬的高層次人才，提高專業(yè)素質和創(chuàng)新能力的評判標準?！?/p>

西部地區(qū)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(zhí)行的《關于四川電網統(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)政策的優(yōu)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(fā)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(fā)和“西電東送”的成本也是有競爭性的，可以充分發(fā)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(yè)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(fā)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(fā)、西電東送等基礎設施和物聯(lián)網、5G等技術方面國際領先，這為可再生清潔能源發(fā)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(fā)電供熱、工業(yè)和交通三大行業(yè)，美國、歐洲、日本等也主要集中在這三大行業(yè)，占比為77.12%～85.3%。

圖1 2018年部分國家和地區(qū)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(fā)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(yè)領域，2017年電氣化率僅為27%，通過鋼鐵行業(yè)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(yè)電氣化率可達到52%。在交通領域，依托我國電動汽車的產業(yè)和技術優(yōu)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(fā)具有重要意義

我國《“十四五”規(guī)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(fā)展”的指導意見，提出以先進技術突破和體制機制創(chuàng)新為支撐，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，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(fā)的技術“瓶頸”，將促進清潔可再生能源高質量發(fā)展，加快實現“碳達峰”“碳中和”。

我國風電、光電、水電等各行業(yè)全產業(yè)鏈世界領先，開發(fā)規(guī)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(huán)理論，以及水電“流域、梯級、滾動、綜合”開發(fā)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(guī)律，優(yōu)化開發(fā)風電、光電、水電，形成一組優(yōu)質電源是我國電力清潔化發(fā)展的必然選擇。

依托青藏高原獨特的自然環(huán)境，通過風、光、水互補開發(fā)，加快實現電力清潔化，對于貫徹新發(fā)展理念，以流域水循環(huán)推動雙循環(huán)，構建流域新發(fā)展格局，實現高質量發(fā)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(fā)完成后，形成了約1000億m3的“龍頭水庫”，這是最大規(guī)模的青藏高原水資源綜合開發(fā)工程體系建設，給“亞洲水塔”裝上“開關”調節(jié)徑流的豐枯變化，優(yōu)化水資源配置，滿足生產、生活、生態(tài)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(tài)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(fā)等作用，有利于生態(tài)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(huán)境，而且，在青藏高原梯級水電站形成的“河—湖”系統(tǒng)，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(wěn)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(fā)揮有為政府和高效市場優(yōu)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(tài)補償機制，實現生態(tài)建設的產業(yè)化和產業(yè)發(fā)展的生態(tài)化。因此，加快推動風、光、水能互補開發(fā)，可以筑牢水資源、生態(tài)、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(fā)的體制機制創(chuàng)新。我國發(fā)展風、光、水互補開發(fā)具有天時、地利、人和的優(yōu)勢。新時代、新能源、新動能是我國可再生能源發(fā)展的動力之源；青藏高原是可再生能源發(fā)展的“風光水寶地”，是風、光、水互補開發(fā)的大舞臺；以水電為先導，統(tǒng)一開發(fā)主體、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一開發(fā)、統(tǒng)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(yè)文明，再到工業(yè)文明，最終走向人與自然和諧共生的生態(tài)文明。人類每一次主要能源的改變，都推動著社會發(fā)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(fā)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(tài)文明思想基礎。今天，我們利用青藏高原的地理優(yōu)勢，風、光、水的技術優(yōu)勢，社會主義的制度優(yōu)勢，通過風、光、水互補開發(fā)，將助力我國加快走向生態(tài)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(fā)研究為基礎，論證了以水電開發(fā)為先導，風、光、水電力互補開發(fā)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(fā)構建起環(huán)繞在青藏高原邊緣的生態(tài)屏障，實現生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，保障水、糧食、能源和生態(tài)安全，為加快實現習近平總書記提出的“以產業(yè)生態(tài)化和生態(tài)產業(yè)化為主體的生態(tài)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(fā)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(guī)?；パa開發(fā)與我國倡導的“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)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(yōu)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(yōu)勢，以水電為先導帶動風、光、水互補開發(fā)，可以快速實現電力生產的清潔化、生態(tài)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。