风、光、水多能互补是我国“碳中和”的必由之路

杨永江，王立涛，孙 卓

（中国水力发电工程学会，北京市 100048）

1 我国风、光、水互补开发得天独厚

我国风、光、水能资源同宗同源。青藏高原海拔高、面积大，素有地球“第三极”之称，平均海拔超过4000m、面积约250万km2，下垫面光照条件好、感热加热能力强，在夏季形成了明显的高原“热岛效应”和“烟囱效应”，加强了南亚季风、东亚季风，将印度洋、太平洋的大量水汽抽吸上青藏高原，形成了“亚洲水塔”，孕育了黄河、长江、澜沧江（湄公河）、怒江（萨尔温江）、雅鲁藏布江（恒河）、印度河等大江大河，因此，青藏高原集“光塔”“风塔”“水塔”于一身，蕴藏了丰富的太阳能、风能、水能资源。我国这种独特的自然地理环境为风、光、水能互补开发创造了得天独厚的地利条件。

我国风、光、水能资源具有天然的互补性。青藏高原对行星风系的阻隔和热力作用，成为亚洲季风气候发动机的机理。青藏高原独特的“光—风—水”循环规律，导致我国夏季风小、光差、水多，冬季风大、光好、水少，河川径流量60%～80%集中在夏季，因此，我国风、光、水能资源在季节分布上存在着天然的互补性。

我国水能资源丰富，随着资源普查的深入和开发技术的进步，水能资源的理论蕴藏量和技术可开发量逐步增加。1950年第一次公布的全国水力资源，理论蕴藏量1.49亿kW，年发电量1.3万亿kW·h。其中，西南地区为9724.7万kW，中南地区为1846.08万kW，西北地区为1747.6万kW，其他三个地区都在5%以下；1954～1955年全国进行了一次比较全面、正规的水力资源量统计估算，公布的计算结果中，全国水力资源理论蕴藏量5.44亿kW，年发电量4.76万亿kW·h；1958年水力资源普查修正成果：全国水力资源理论蕴藏量5.83亿kW，年发电量5.11万亿kW·h；1980年水力资源普查成果：全国水力资源理论蕴藏量6.76亿kW、年发电量5.92万亿kW·h，技术可开发量3.7亿kW、年发电量1.75万亿kW·h；2003年水力资源复查成果：全国水力资源理论蕴藏量6.94亿kW、年发电量6.08万亿kW·h，技术可开发量5.4亿kW、年发电量2.47万亿kW·h[1]。如表1所示为2003年全国水能资源复查成果汇总表（分流域）。

比尔•盖茨在他的专著《气候经济与人类未来——比尔·盖茨给世界的解决方案》中写道：“凭借太阳能、风能、水能，以及其他一些工具，我们足以应对气候变化”[3]。从理论上讲，水能资源蕴藏量比较容易普查，技术成熟；而风、光资源较难普查，技术进步空间还很大。相对来看：水能资源是有限的，风、光资源是无限的。

2 风、光、水互补开发，加快实现电力“碳中和”

截至目前，我国流域水电基地基本形成，并在规划设计、建设运营、投融资等全产业链都在世界上遥遥领先。新中国成立之后，我国充分发挥集中力量办大事的制度优势，集中开发和治理了黄河、长江、海河等大江大河。例如：黄河水电梯级开发形成了600亿m3的总库容、水电装机容量2000万kW，使“三年两决口，百年一改道”的黄河安澜了70年，泥沙减少到2亿t以下，2000年后再没出现断流现象，用占全国2%的水资源量，承载了15%的耕地和12%的人口，并形成了5000万kW的清洁能源基地。截至2020年底，我国水电装机容量37016万kW（含抽水蓄能3149万kW）、年发电量13552亿kW·h。基本形成了沅水、清江、红水河、乌江、澜沧江、雅砻江、大渡河、黄河等流域水电基地。

风、光、水互补开发加快实现电力清洁化。我国水电、风电、光电持续高速增长，也带来了弃水、弃风、弃光以及水电投资越来越大等问题，电能“质量约束”和“成本约束”已成为制约可再生能源发展的瓶颈。经过多年的研究、探索和实践，从国情出发，提出以水电为先导带动风、光、水互补开发，来突破制约风电、光电、水电各自“单打独斗”发展的“瓶颈”，推动风、光、水电力多、快、好、省地健康发展。风、光、水能互补是一种集成融合技术，将风电、光电、水电各类电源组合起来，形成一个电源组，实现优势互补，为电网提供质优、价廉、清洁、可再生的电力。水电具有运行灵活和储能等优点，一般汛期多、枯水期少；风电和光电具有波动大、随机性、离散性等弱点，一般汛期少、枯水期多；风电、光电、水电在资源和运行上具有天然的互补性；水电造价越来越高并且工期长，风电、光电造价越来越低并且短平快，因此，风电、光电、水电存在投资上的互补性。水电可将风电和光电这种“垃圾电”加工成“优质电”，风电和光电可弥补水电枯水期出力不足和投资大的弱点。风、光、水互补开发，破解了水电、风电和光电开发中的“质量约束”和“成本约束”。

风、光、水互补将水电基地变成清洁能源基地。我国水能资源80%以上分布在西部地区，充分利用风、光、水能资源同宗同源的优势，依托黄河上游、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江等水电基地，根据市场需求短、平、快开发风电、光电，“插接”到水电基地所形成的送出系统中并网，从而形成风、光、水互补开发的清洁能源基地。

笔者以雅砻江水电基地为例进行了系统的研究。雅砻江水电基地规划装机容量3000万kW、年发电量1500亿kW·h，配套建设的送出工程容量为3000万kW、利用小时数为5000h。通过风、光、水互补开发将形成的清洁能源基地：总装机容量13500万kW、年发电量3200亿kW·h，其中，水电装机容量4500万kW（扩机1500万kW）、年发电量1500亿kW·h，送出容量4500万kW、风电装机容量3000万kW、年发电量700亿kW·h，光电装机容量6000万kW、年发电量1000亿kW·h；配套建设送出工程的容量为3000万kW、利用小时数为7111h，提高送出线路的利用率为42.2%；水电利用小时数从5000h下降到3333h，因此，风、光、水互补开发充分发挥了水电的储能和调节作用，更好地实现了水电的容量效益。

上述成果，是基于雅砻江水电基地已规划的梯级水电站的发电量、装机容量、水库调节库容进行扩机计算的。如果以雅砻江梯级水电站的电量、容量、库容为基础，再利用有利地形、地质条件建设抽水蓄能电站，将使雅砻江清洁能源基地有更大的发展空间。以客观条件而论，雅砻江可利用的水能资源是有限的，而随着技术的进步，流域面积12.86万km2内，可利用的风能、太阳能资源是相对无限的。充分利用雅砻江流域风、光、水能资源同宗同源的优势，以及水电基地所形成的外送通道和水库储能等基础设施，根据电力市场需求，短、平、快建设风电、光电“插接”到水电基地，在源头将风电、光电加工成“优质电”打捆送出，提高电能质量、降低系统成本，是我国清洁能源市场化、集约化、规模化高质量可持续发展的重要选项。

青藏高原风、光、水互补开发，可加快实现电力的“碳中和”。我国黄河上游、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等水电基地均环绕在青藏高原边缘，规划水电装机总容量约3.2亿kW、年发电量约1.5万亿kW·h，已开发约1亿kW、年发电量约0.5万亿kW·h。如果未来10年将这些水电基地建设成清洁能源基地，可新增水电装机容量约3.8亿kW，年发电量1亿kW·h，可新增风电和光电约10亿kW、年发电量约2万亿kW·h，合计新增发电量约3万亿kW·h，基本可以满足全国未来10年对电力增长的需求。从理论上分析，通过风、光、水能互补开发，我国电力马上就可以实现“碳达峰”。

特高压输电技术使“西电东送”的输电成本越来越低，每千瓦时只需0.05元左右的成本，就可将青藏高原的电送到东部沿海地区。根据国家能源局2019年4月发布的“国家出台政策降低跨省跨区专项工程输电价格”显示，“西电东送”几条主要输送水电的特高压±800kV线路，送电成本分别为：向家坝—上海输电价格0.051元/（kW·h）、锦屏—苏州输电价格0.057元/（kW·h）、溪洛渡—金华输电价格0.045元/（kW·h），输电线路利用小时数为4262～5083h，如果提高到7000h，输电成本还会下降约40%。

（4）强化创新人才培养，鼓励创新人才在华发展。美国一直以来十分重视人才培养和人才引进，对基础科学研究给予大力支持，同时为在美国的高素质留学生创造较为便利的科研或创业条件，高度重视高校在科技创新发展中的推动作用。我国无疑是拥有最多从事科技创新研究和工作人群的国家，在基数优势的前提下，我国应更加关注创新人才的素质和能力，加强海外高水平创新团队的引进，并引导各类创新型企业和科研机构聘用实力过硬的高层次人才，提高专业素质和创新能力的评判标准。■

西部地区风、光、水电力上网电价具有竞争力。根据2014年2月1日开始执行的《关于四川电网统调水电站试行临时分类标杆电价的通知》，四川水电上网电价为0.2632～0.39元/（kW·h），按平均上网电价约0.3元/（kW·h）和“西电东送”输电成本0.05元/（kW·h），四川水电送到东部沿海的落地电价为0.35元/（kW·h），低于沿海的山东、江苏、上海、浙江、福建、广东火电的标杆电价为0.39～0.45元/（kW·h）。2021年6月16日，四川甘孜州20万kW光电投标的电价为0.1476～0.3616元/（kW·h），正常情况下预计为0.25元/（kW·h）。如果风电在0.35元/（kW·h）左右，那么，四川省风、光、水互补开发的平均上网电价应为0.3元/（kW·h）左右。青海和云南上网电价还要低于四川。

从上述分析来看，青藏高原风、光、水互补开发潜力巨大，不仅在资源量上可以满足全国需求，而且，随着技术进步和风、光、水互补开发政策的优化，风、光、水电力的上网电价和特高压的输电电价还会进一步下降，使风、光、水电力的竞争力进一步提高。因此，青藏高原是风、光、水资源宝地，取之不尽，用之不竭。

3 中国的“碳中和”之路是能源电力化

我国电力清洁化发展所需的风能、太阳能、水能等可再生能源的资源量是足够的，通过风、光、水互补开发和“西电东送”的成本也是有竞争性的，可以充分发挥市场资源配置当中的决定性作用，加快实现电力清洁化。从经济性考虑，水电在提完折旧和还完贷款之后，经营成本只有0.05元/（kW·h）左右，随着风电和光电价格的进一步降低，清洁电力的成本越来越低。畅销书《第三次工业革命》《零边际成本社会》和《零碳社会》的作者杰里米•里夫金在他的书里也预测：“一旦设施和相关技术建成并投入运行，开发太阳能、风能以及其他可再生能源的边际成本趋近于零”[4]。我国在流域水电梯级开发、西电东送等基础设施和物联网、5G等技术方面国际领先，这为可再生清洁能源发展走向边际成本趋零的时代奠定了基础，使能源电力化成为大势所趋。

能源电力化是我国实现“碳中和”的必由之路。从图1可以看出，2018年我国89%的CO2排放集中在发电供热、工业和交通三大行业，美国、欧洲、日本等也主要集中在这三大行业，占比为77.12%～85.3%。

图1 2018年部分国家和地区二氧化碳排放量对比[5]Figure 1 The emissions comparison of carbon dioxide in some countries and regions in 2018

我国在发电供热领域，2021～2030年力争实现增量电力清洁化，2031～2050年实现清洁电力替代化石电力。利用廉价的清洁电力电解水生产绿氢，形成绿色能源。在工业领域，2017年电气化率仅为27%，通过钢铁行业从高炉转向电炉，水泥生产逐渐使用绿氢和生物质能源等替代燃料，预计2050年工业电气化率可达到52%。在交通领域，依托我国电动汽车的产业和技术优势，加速实现交通电气化。因此，通过电力清洁化和能源电力化，预计到2050年我国CO2排放量可减少80%以上，基本实现“碳中和”。

4 风、光、水互补开发具有重要意义

我国《“十四五”规划和2035远景目标纲要》提出建设金沙江上下游、雅砻江流域、黄河上游等清洁能源基地，并出台“电力源网荷储一体化和多能互补发展”的指导意见，提出以先进技术突破和体制机制创新为支撑，构建以新能源为主体的新型电力系统，因此，充分利用我国风、光、水在资源、电力、投资上的互补性，努力突破风、光、水能互补开发的技术“瓶颈”，将促进清洁可再生能源高质量发展，加快实现“碳达峰”“碳中和”。

我国风电、光电、水电等各行业全产业链世界领先，开发规模均居世界第一。在水资源综合利用领域，我国形成了“自然—社会”二元水循环理论，以及水电“流域、梯级、滚动、综合”开发的广泛实践，流域水电基地基本形成，“西电东送”的特高压电网已经形成。然而，依托正在建设的流域水电基地，基于流域内风、光、水能资源和变化规律，优化开发风电、光电、水电，形成一组优质电源是我国电力清洁化发展的必然选择。

依托青藏高原独特的自然环境，通过风、光、水互补开发，加快实现电力清洁化，对于贯彻新发展理念，以流域水循环推动双循环，构建流域新发展格局，实现高质量发展具有重要意义。

一是建设“亚洲水塔”形成水资源综合利用体系。经初步估算，黄河上游、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等主要流域，在风、光、水能互补开发完成后，形成了约1000亿m3的“龙头水库”，这是最大规模的青藏高原水资源综合开发工程体系建设，给“亚洲水塔”装上“开关”调节径流的丰枯变化，优化水资源配置，满足生产、生活、生态对水资源的综合需求，兴利除害，形成“我在江之头，君在江之尾，共饮一江水”的命运共同体，惠及我国及下游国家约30亿人口。

二是助力青藏高原生态屏障建设。实践和研究表明，风电、光电装置会提高地表粗糙度，降低风速，增强空气的汇聚而形成上升气流，提高降水，促进植被生长，降低地面反射率[6]。因此，风电、光电具有遮阴、降低风速、减少水分蒸发等作用，有利于生态修复。高原湿地保护与修复方略——建设低坝有利于快速修复湿地[7]，水库具有“冷湖效应”、湿地作用，能够增加周边的湿度和降水，改善陆生环境，而且，在青藏高原梯级水电站形成的“河—湖”系统，可改善水生生境，并顺应了河流自然阶梯化过程，起到了与黄土高原“淤地坝”“梯田”保持水土和稳定山体的类似作用。例如：雅砻江二滩水电站建成20年，使植被稀疏的干热河谷变成国家级森林公园，附近的攀枝花市也变成了热带水果王国。

三是加快实现“碳达峰”“碳中和”。我国流域水电基地基本形成，短、平、快建设风电、光电“插接”到水电基地，就形成了风、光、水能互补的清洁能源基地，充分发挥有为政府和高效市场优势，利用电网将清洁电力送到千家万户。同时，通过“西电东送”，市场化构建起黄河、长江流域上下游生态补偿机制，实现生态建设的产业化和产业发展的生态化。因此，加快推动风、光、水能互补开发，可以筑牢水资源、生态、能源安全底线。

我国实现“碳中和”从资源到技术并无多少悬念，关键是实现风、光、水互补开发的体制机制创新。我国发展风、光、水互补开发具有天时、地利、人和的优势。新时代、新能源、新动能是我国可再生能源发展的动力之源；青藏高原是可再生能源发展的“风光水宝地”，是风、光、水互补开发的大舞台；以水电为先导，统一开发主体、统一规划、统一开发、统一市场，加快实现电力清洁化、能源电力化。

人类利用自然界所提供的能源资源，从薪柴时代，到煤炭时代，再到油气时代，最终走向清洁能源的新时代。人类社会也从原始文明到农业文明，再到工业文明，最终走向人与自然和谐共生的生态文明。人类每一次主要能源的改变，都推动着社会发生深刻变革。中华文明从大禹治水开始，兴水利除水患，就是经济社会发展永恒的主题，“水利兴则天下兴”，孕育了“天人合一”的人与自然和谐共生的生态文明思想基础。今天，我们利用青藏高原的地理优势，风、光、水的技术优势，社会主义的制度优势，通过风、光、水互补开发，将助力我国加快走向生态文明的新时代。

5 结论

本文以雅砻江水电基地风、光、水能互补开发研究为基础，论证了以水电开发为先导，风、光、水电力互补开发实现我国“碳中和”之路的可行性和必然性。依托流域水电开发构建起环绕在青藏高原边缘的生态屏障，实现生态优先、绿色发展，保障水、粮食、能源和生态安全，为加快实现习近平总书记提出的“以产业生态化和生态产业化为主体的生态经济体系”建设奠定坚实的物质基础。主要结论如下：

（1）风能、太阳能、水能均是清洁可再生能源，以人类目前的能源获取途径，要实现“碳中和”目标，必须大力发展风能、太阳能、水能资源。

（2）国内外大量的研究表明，推动社会能源使用向电力化转变是实现“碳中和”的重要内容和努力方向。

（3）风、光、水能大规模互补开发与我国倡导的“生态优先、绿色发展”的理念高度契合。

（4）我国风能、太阳能、水能资源极其丰富，并且在时间和空间分布上具有很好的互补性，资源优势得天独厚。加之我国多年来在电力生产、输送、使用方面积累了大量的人才和技术优势，以水电为先导带动风、光、水互补开发，可以快速实现电力生产的清洁化、生态化、低成本化，再用廉价的电力推动能源电力化，从而加速实现碳中和。