2021年全球水力发电报告

概 述

　　水力发电(hydropower)是运用水的势能转换成电能的发电方式，其原理是利用水位的落差(势能)在重力作用下流动(动能)，例如从河流或水库等高位水源引水流至较低位处，流动的水流推动轮机使之旋转，带动发电机发电。高位的水来自太阳热力而蒸发的低位的水分，因此可以视为间接地使用太阳能。由于技术成熟，是目前人类社会应用最广泛的可再生能源。

　　请先看两段视频：落后的中国水力发电是怎样快速拔地而起，怎么逛奔到全球前列。

　　根据美国情报署的数据制作的“全球水力发电排行榜”。请点击【http://haokan.hao123.com/v?vid=3710157416485308879】

　　⑵ 世界大坝高度的演变【https://new.qq.com/omn/20210108/20210108V0EGUE00.html】

　　根据国际大坝委员会(International Commission on Large Dams，ICOLD)对大型水坝的定义：大坝定义为任何高度超过15米(从地基最低点到坝顶)的大坝或高度在10至15米之间的大坝，其至少满足下列条件之一：

　　⑴ 坝顶长度不小于500米；

　　⑵ 大坝所形成的水库容量不少于100万立方米；

　　⑶ 大坝处理的最大洪水流量不少于2000立方米每秒；

　　⑷ 坝基基础问题特别困难；

　　⑸ 这座水坝的设计非同寻常。

　　▲ 根据BP2021年的报告，2020年全球水力发电占全球发电总量的4296.8/26823.2=16.0%，低于燃煤发电(35.1%)和燃气发电(23.4%)，居全球第三位。

　　▲ 2020年水力发电以东亚和太平洋地区最多，占全球总量的1,643/4,370=37.6%。

　　▲ 世界上水力发电量最多的的国家是中国，其次是巴西、美国和俄罗斯。2020年中国水力发电量占中国发电总量的1322.0/7779.1=17.0%。

　　▲ 虽然中国水力发电量居全球首位但在本国的发电结构中并不高。2020年水力发电占本国发电总量最高的国家是巴西(396.8/620.1=64.0%)、加拿大(384.7/643.9=60.0%)。

　　▲ 2020年中国发电以燃煤发电为主(占63.2%)，其次是水力发电居第二位(占17.0%)，中国水力发电占全球水力发电总量的1322.0/4296.8=30.8%。尽管中国水力发电达到世界第一，但是没有达到顶峰，根据世界能源理事会发布的《World Energy Resources 2016》报告，中国尚有47%的水力资源没有开发。

2020年水力发电前4个国家的电力结构比较

　　▲ 从表中看出，中国水力发电占全球水力发电总量的1322.0/4296.8=30.8%，居世界第一，但占中国发电总量的比例(17%)仅比全球平均水平(16%)高出一点点。

水力发电国际组织

　　▲ 国际大坝委员会International Commission on Large Dams(ICOLD)【http://www.icold-cigb.net】

　　▲ 国际水力发电协会International Hydropower Association(IHA【https://www.hydropower.org】

　　▲ IEA水电技术合作计划(TCP)IEA Technology Collaboration Programme (TCP) on Hydropower

　　【https://www.ieahydro.org】

　　▲ 国际水力发电中心International Centre for Hydropower (ICH)【https://www.ich.no】

　　▲ 国际水力工程和研究协会International Association of Hydraulic Engineering and Research【https://www.iahr.org/】

　　▲ 欧洲河流网European Rivers Network (ERN) 【https://www.ern.org/en】

水力发电国家组织

　　▲ 中国大坝工程学会Chinese National Committee on Large Dams【http://www.chincold.org.cn】

　　▲ 中国长江三峡集团有限公司China Three Gorges Corporation【https://www.ctg.com.cn】

　　▲ 长江电力China yangtze Power Co.,Ltd.【https://www.cypc.com.cn/cypcweb/cypc/index.html】

　　▲ 美国大坝学会United States Society on Dams【https://www.ussdams.org】

　　▲ 美国各州大坝安全官员协会Association of State Dam Safety Officials(ASDSO)【https://www.damsafety.org】

　　▲ 英国大坝学会British Dam Society【https://britishdams.org】

　　▲ 越南国家大坝委员会Vietnam National Committee on Large Dams【http://www.vncold.vn】

　　▲ 韩国国家大坝委员会Korea National Committee on Large Dams(KNCOLD)【http://www.kncold.or.kr】

　　▲ 澳大利亚大坝国家委员会Australian National Committee on Large Dams Incorporated (ANCOLD Inc) 【http://www.ancold.org.au】

　　▲ 加拿大水力发电协会Canadian Hydropower Association(CHA)【https://waterpowercanada.ca/#content】

水力发电期刊

　　▲ 《国际水力发电和大坝建造》杂志International Water Power and Dam Construction magazine (IWP&DC) 【https://www.waterpowermagazine.com】

　　▲《国际水力发电和大坝杂志》International Journal on Hydropower & Dams双月刊，致力于传播水力发电和大坝行业及相关领域的信息。【https://www.hydropower-dams.com】

　　水力发电有四种形式：大坝式水力发电、抽水蓄能式水力发电、川流式水力发电和潮汐发电。

大坝式水力发电

　　大坝式水力发电(Conventional Hydroelectricity)，又称水库式水力发电。是以堤坝储水形成水库，其最大输出功率由水库容积及出水位置与水面高度差距决定。此高度差称为扬程又叫落差或水头，而水的势能与扬程成正比。

　　▲ 1770年代中期，法国工程师伯纳德·福里斯特·德贝利多(Bernard Forest de Bélidor)出版了《建筑液压》，描述了垂直轴和水平轴液压机。1771年，理查德·阿克赖特(Richard Arkwright)将水力，水框架和连续生产相结合，在建筑中发挥了重要作用。发展工厂制度，并采用现代雇佣做法。在1840年代，开发了水力发电网络以发电并将水力发电传输给最终用户。到19世纪末，发电机已经开发出来，现在可以与液压系统耦合。

　　▲ 世界上第一个水电项目是1878年英格兰诺森伯兰郡拉格塞德(Cragside)乡村酒店用于点灯照明。四年后，美国威斯康星州开设了第一家私营发电站，随后有数百家水力发电站投入运行，供当地照明。

　　▲ 石龙坝水电站是中国第一座水电站，位于云南省昆明市郊螳螂川上。1910年(庚戌年)7月开工，1912年5月28日发电，最初装机容量为480 kW。2006年05月25日，石龙坝水电站被国务院批准列入第六批全国重点文物保护单位名单。

　　▲ 根据REN21的2021年的报告，2020年全球水力发电装机容量为1170GW，其中中国增加了12.6GW,占全球总量的28%，高于巴西(9%)、美国(7%)、和加拿大(9.0%)。

　　▲ 根据BP2021年的统计，2020年全球水力发电量为4296.8TWh，其中中国水力发电量为1322.0TWh，占全球总量的30.1%。

　　▲ 水力发电是全球电力生产的主要来源之一，也是再生能源发电的主导能源。根据BP2021年的统计，2020年全球电力生产量为26823.2 TWh，其中水力发电量为4222.2 TWh，占全球发电总量的4222.2/26823.2=15.7%。

　　▲ 本数据来自国际大坝委员会(ICOLD)的统计，根据2020年4月的登记注册，全球现有大坝数量为58 713座水坝，其中中国占全球总量的23841/58713=40.6%。

　　▲ 根据BP 2021年的统计，2020年中国水力发电占中国再生能源电力的1322.0/2236.7=59%，占据再生能源发电的主导地位。

　　▲ 根据国际水力发电协会(International Hydropower Association，iha)〖2021年水力发电状态报告〗，2020年世界上水力发电总量达4370TWh，其中水力发电量最多的国家依次是中国(占全球总量的31%)、巴西(9.4%)、加拿大(8.8%)、美国(6.7%)、俄罗斯(4.5%)、印度(3.5%)、挪威(3.2%)、土耳其(1.8%)、日本(2.0%)、法国(1.5%)等等。

　　2020年世界上水力发电最多的地区是东亚和太平洋地区，占全球总量的1,643/4,370=37.6%;而其中中国尤为突出，占全球总量的31%，占本地区的1,355.20/1,643=82.5%。

　　▲ 水力发电量是随着总装机容量和抽水蓄能装机容量成正比例的。中国的水力发电量居世界之首，当然装机容量和抽水蓄能装机容量也居世界第一。根据国际水力发电协会(International Hydropower Association，iha)〖2021年水力发电状态报告〗，2020年中国水力发电装机容量(含抽水蓄能)达370160MW，占全球总量370160/1330106=27.8%，居世界第一。

　　▲ 中国水力发电量最多的是三峡水电站(Three Gogeers)，也是全球最大的水电站，三峡发电站采用了32台混流式水轮机(弗兰西斯水轮机Francis turbines)，每台700MW，另外还有两台50MW涡轮机发电，装机容量共计22500MW，坝高181m，2020年发电量111.8 TWh，建造费用¥2030亿，2008年竣工。

　　▲ 在四川长江-金沙江段修建了四座世界级的水电站：向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德。这四座水电站装机总容量达46508MW，为三峡水电站装机容量22500MW的46508/22500=2.07倍。其年发电量为185.05/101.6=1.82倍。白鹤滩(Baihetan)仅次于三峡水电站成为中国第二大水电站。

　　▲ 就目前而论，中国三峡水电站是世界上最大的发电站。在前12位世界最大的水电站中，中国占有六席。长期居世界第二的伊泰普水坝(Itaipu Dam)被中国白鹤滩(Baihetan Dam)挤到第三位。

2021年世界上最大的常规水力发电站

　　▲ 世界上水电站装机容量在1000MW以上的有198座，其中中国占据了60座，居世界总数的60/198=30%。其次为巴西、加拿大、俄罗斯。

　　▲ 世界上水电站装机容量在1000MW以上的有198座，其中中国占据了60座，居世界总数的60/198=30%。其次为巴西、加拿大、俄罗斯。

　　▲ 中国水电站装机容量在1000MW以上的有60座，主要在长江流域有30座，占据中国装机容量在1000MW以上水电站的一半。

中国投产的装机容量在1000MW以上的水力发电站

　　▲ 从葛洲坝逆行而上，经由三峡大坝过长江支流，这是中国西电东输的主力，也是世界上最大的梯级发电站：长江主流有葛洲坝和三峡两个、乌江有10座、嘉陵江有16座、岷江有17座、大渡河25座、雅砻江有21座、金沙江有27座、木里河5座等约90座水电站。

　　▲ 塔吉克斯坦有世界上最高的天然水坝乌索伊水坝(Usoi Dam)，坝高567m，比现有最高的人造水坝—锦屏一级大坝高出262m。乌索伊水坝是1911年2月18日萨雷兹发生7.4级地震，沿穆尔加布河一个自然的滑坡坝阻塞了河流的流动形成的。它引发了大规模的山体滑坡，阻塞了穆尔加布河并形成了世界上最高的水坝乌索伊大坝，形成了萨雷斯湖。但遗憾的是无水力发电的报告。

　　▲ 2020年世界上最高高度超过135m的水坝有251座。目前最高的水坝是锦屏一级大坝(Jinping-I Dam)，拱形水坝，坝高305m。其次是塔吉克斯坦瓦赫什河上的努列克大坝(Nurek Dam)，300m。

2021年全球最高的大坝

　　▲目前世界上最高的大坝中国锦屏一级大坝(Jinping-I Dam)，坝高305m，但已经有三座正在建造的大坝准备超越了。在建的罗贡大坝(Rogun Dam)将成为世界上最高的大坝，位于塔吉克斯坦南部瓦赫什河(Vakhsh River)，坝高335m，开始施工1976年，估计2019-2029年投产，工程造价2–50亿美元，装机容量600-3600MW，年发电量17TWh。

　　其次是伊朗巴赫蒂亚里河在建的巴赫蒂亚里大坝(Bakhtiari Dam)，坝高325m，1500MW，工程造价20亿美元，年发电量3TWh。排行第三是中国大渡河上的双江口大坝(Shungjiangkou Dam),坝高312m。

正在建造超过305米的大坝

　　▲ 2020年世界上最高的重力坝是瑞士大迪克森斯大坝(Grande Dixence Dam)，坝高285m。

　　▲ 世界上储水量最多的大坝是津巴布韦和赞比西的赞比西河(Zambezi River)上的卡里巴大坝(Kariba Dam)，1959年建成，储水量为180.6km³，其次为俄罗斯安加拉河上的布拉茨克大坝(Bratsk Dam)和加纳沃尔特湖阿科松博坝(Akosombo Dam)，库容169 km³。

世界上最大的水库

　　▲ 中国储水量最多的是三峡大坝(Three Gorges Dam)，位于长江主流上，2008年建成，储水量为39.3km³，居世界第27位。

中国最大的水库

　　▲ 世界上最大的坝体是巴基斯坦塔贝拉大坝(Tarbela Dam)，1976年建成，构筑物高达143米，大坝体积为153百万立方米，装机容量3478MW。

　　▲ 中国最大的坝体是三峡大坝(Three Gorges Dam)2008年建成，构筑物高达181米，大坝体积为27.4百万立方米，装机容量22500MW。世界排名第21位。

世界上最大的坝体

　　▲ 刚果河流域以刚果民主共和国为主。刚果民主共和国全国可开发装机容量1.2亿千瓦(120000 MW)，年发电量7740亿千瓦时(774TWh)。从海拔270米的金沙萨开始，至马塔迪一段，河床狭窄，两岸陡立，水流湍急，最大水深达150米，落差约280米，且水流变化很有规律，这对开发水电极为有利。共规划了3级大型水电站，第1级为皮奥卡水电站(Pioka dam)，位于刚果民主共和国和刚果共和国边界;第2级大英加(Grand Inga Dam)和第3级马塔迪(Matadi dam)都在刚果民主共和国境内。皮奥卡水电站利用水头80米.计划装机30台，总容量2200万千瓦，年发电量1770亿千瓦时，刚果民主共和国和刚果共和国各得一半。马塔迪水电站利用水头50米，计划装机36台，总容量1200万千瓦，年发电量870亿千瓦时。其中英加急滩段，在25公里内落差100米，是世界上水能资源最集中的河段。

世界上超过三峡大坝尚未建成的水电站

　　▲ 雅鲁藏布江是中国最长的高原河流，位于西藏自治区境内，也是世界上海拔最高的大河之一。理论上雅鲁藏布江水电站建成后，装机容量达50000MW，发电量将是三峡大坝发电量(98.8 TWh)的3倍，达到300TWh，将是世界上发电量最大的发电站。

　　雅鲁藏布江在珞瑜地区出境流入印度后，改称“布拉马普特拉河”，流经孟加拉国后，改称“贾木纳河”，在其境内与恒河相汇后，注入印度洋的孟加拉湾。全长2104千米，西藏境内河长2057千米，总落差5435米，平均坡降位居中国境内各大河流之首。流域呈东西向狭长形，东西最大长度1450余千米，南北最大宽度290千米，平均海拔约4500米。地势西高东低，东南部最低。流域总面积240480平方千米，占西藏所有水系流域总面积的20%，约占西藏外流河水系总面积的40.8%，居中国各河流流域面积第五位。

　　▲ 根据2019年的数据，世界上人均耗电量最多的国家是冰岛(51699kWh/人)、挪威(23210 kWh/人)。冰岛靠地热发电和水力发电;而挪威依靠水力发电使得水力发电占挪威电力生产结构的97%。

　　▲ 紧靠我国西藏的内陆国家尼泊尔和不丹的能源结构不是依靠化石燃料，而是采用本国的丰富水力资源，水力发电不但本国利用，而且还出口。

抽水蓄能式水力发电

　　抽水蓄能式水力发电(Pumped-storage hydroelectricity)是一种储能方式，并不是电力的生产方式。当电力需求低时，多出的电力产能继续发电，推动电泵将水泵至高位储存，到电力需求高时，便以高位的水作发电之用。此法可以改善发电机组的使用率，在商业上非常重要。

　　抽水蓄能是现代和未来清洁能源系统的重要组成部分。风能和太阳能等可再生能源的大量增加，加上它们取代了传统的发电机，给电网带来了越来越大的压力，并强调了抽水蓄能“水电池”的必要性。

　　▲ 水力发电量与抽水蓄能装机容量成正比的，而且跟抽水蓄能数量有关。2020年全球有68座在运行，而且有42座在建。

　　▲ 中国水力发电居世界之首，因此抽水蓄能电站的运行数和在建数均居世界第一。其次是日本和美国。

2020年世界各国抽水蓄能电站装机容量大于1000MW的数量

　　▲ 世界上最大的抽水蓄能电站是美国巴斯县抽水蓄能电站(Bath County Pumped Storage Station)，装机容量达3003MW。

　　▲ 中国最大的抽水蓄能电站是(Huizhou Pumped Storage Power Station)，装机容量为2448MW。

　　▲ 中国第二大的抽水蓄能电站是广东抽水蓄能水电站(Guangdong Pumped Storage Power Station)，装机容量为2400MW。

　　▲ 中国在建的抽水蓄能电站居世界第一。装机容量在1000MW以上有三座：丰宁抽水蓄能电站(Fengning Pumped Storage Power Station，装机容量3600MW，2019-2021年建成)、绩溪抽水蓄能电站( Jixi Pumped Storage Power Station，装机容量1800MW，2018年建成)和荒沟抽水蓄能电站( Huanggou Pumped Storage Power Station，装机容量1200MW，2019年建成)。

　　▲ 世界上海拔最高的抽水蓄能电站是羊卓雍湖抽水蓄能电厂(Yamdrok Hydropower Station)，位于中国西藏，海拔4441米。

　川流式水力发电

　　川流式水力发电(Run-of-the-river hydroelectricity，ROR)，也称作径流式水电，为一种虽借由水力但仅需要少量的水或不需储存大量的水来进行发电的水力发电形式。川流式水力发电几乎完全不需要水的储存，或仅需要兴建极小的储水设施，而在兴建小型储水设施时，这种储水设施便被称为调整池或是前池。由于没有大型储水设施的建置，川流式发电对于引用水源的季节性水量变化十分敏感，因此川流式发电厂通常被定义为间歇性的电力(intermittent energy source)来源。而如果川流式发电厂中建置一座可在任何时间调节水流量的调整池，将可作为一座调峰电厂或是基载电厂。

2020年世界各国川流式水力发电站装机容量大于100MW的数量

　　▲ 世界上最大的川流式水力发电站是巴西马德拉河上的杰瑞大坝(Jirau Dam)，坝高63m，坝长1500m，装机容量3075MW，2016年竣工。

　　▲ 世界上第三大的川流式水力发电站是美国哥伦比亚河上的约瑟夫酋长大坝(Chief Joseph Dam)，坝高72m，坝长1817m，装机容量为2620MW，年发电量9780GWh，1979年竣工。

　　▲ 中国最大的的川流式水力发电站是天生桥二级水电站(Tianshengqiao-II Dam)，位于南盘江上，坝高58.7m，坝长471m，大坝体积4800000m³，装机容量为1320MW，1997年竣工。

世界上最大的川流式水力发电站

潮汐发电

　　潮汐发电(Tide power)是以因潮汐引致的海洋水位升降发电。一般都会建水库储内发电，但也有直接利用潮汐产生的水流发电。全球适合潮汐发电的地方并不多，英国有八处地适合，估计其潜能促以满足该国20%的电力需求。

　　▲ 世界上第一座潮汐电站是朗斯潮汐电站(Rance tidal power plant)，位于法国朗斯，从1960年到1966年建造了6年。装机容量240MW。

　　▲ 世界上最大的潮汐电站是韩国华湖潮汐电站(Sihwa Lake Tidal Power Station)，装机容量为254MW，2011年竣工。

　　▲ 北美洲第一座潮汐发电站是安纳波利斯潮汐电站(Annapolis Royal Generating Station)，位于加拿大新斯科舍省安纳波利斯罗亚尔，在芬迪湾的入口处。装机容量20MW，1984年竣工。

　　▲ 中国最大的潮汐电站是江厦潮汐电站(Jiangxia Tidal Power Station )，位于杭州南边，装机容量仅为4.1MW，6台，1985年开始运行。

　　▲ 北美洲岩滩潮汐发电示范工程((Race Rocks Tidal Power Demonstration Project)第一台潮汐流能发电机(in-stream tidal current generator)2006年9月安装在加拿大温哥华岛 (Vancouver Island)瑞斯礁岩(Race Rocks)。

　　▲ 目前世界上最大的潮汐发电项目—— MeyGen(MeyGen tidal energy project)在苏格兰北部彭特兰湾( Pentland Firth)建造，装机容量398MW，预计2021年竣工。

　　▲ 印度古吉拉特邦计划建造南亚第一个商用潮汐发电站。在印度西海岸卡奇湾(Gulf of Kutch)安装装机容量为50MW的电站，2012年初动工。

　　▲ 拟建中的俄罗斯勘察加半岛品仁纳湾潮汐电站( Penzhin Tidal Power Plant Project)，装机容量达87100MW，年发电量可达200TWh，将成为世界上最大的潮汐电站。一旦品仁纳湾潮汐电站建成将是目前三峡发电站的装机容量的四倍。

品仁纳湾潮汐电站位置

单位换算

　　由于国内外的电力单位表述单位不一样，本文的单位换算如下：

　　库 容： 1km³=1000 000 000m³

　　装机容量：1万kw =10MW 1.2亿千瓦 12000万kw 120000 MW

　　发电量： 1亿kWh=0.1TWh

　　 1亿千瓦小时=0.1 billion kWh=0.1 TWh

　　 1 billion kWh=1 TWh

　　 1 million kWh=1GWh=0.001TWh