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龐名立 的個人博客

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2017年全球電力報告

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現代地球人跟電力戚戚相關。停一會電,好像整個地球不運轉了,經濟發展也停止。顯然,電力是現代社會生產和生活的重要物質基礎。隨著各國工業化的發展,人類對電力的需求年年增長。能否提供大量廉價而優質、可靠的電力,直接關系國家經濟發展的進程。

電能不能大量儲存,因此電能生產的特點是生產與消費具有同時性。為了保證供電的連續性與可靠性,電力總是集中地進行生產,并通過輸變電系統在廣闊的地域內把眾多的發電廠和各類用戶連接成電力系統,以加強相互調節。

不能籠統地把電力視為清潔能源,要看其來源。電力來自一次能源如水力發電、核能發電和再生能源發電,這種電力屬于一次能源,是綠色能源,即清潔能源;現代電力多數仍然從化石燃料生產,如燃煤發電、燃油發電和燃氣發電,這種電力屬于二次能源。這種電力在使用時很清潔,但是在生產過程仍然大量排放二氧化碳,會增強全球大氣暖化,并大量排放污染物,造成大氣霧霾,這種二次電力仍然不是清潔的。

世界上最大的電站是水力發電站,其次是核電站;而燃煤和燃氣電站生產的電力遠不如水力發電。中國水力發電在電力供應中最為突出,居世界領先地位。水力發電和核能發電均屬清潔能源發電,而燃氣和燃煤等化石燃料發電,屬于火力發電。

電力的來源是多元(種類)化和多源(渠道)化的,以保障國家能源供應安全。電力除了水力發電以外,可以在任何地方生產,因此,電力的國家之間的貿易只有1~2%之間,遠低于石油和天然氣貿易。另外,盡管光伏發展很快,全球光伏發電也僅占發電總量的1.5%;我國光伏居全球首位,但由于占地面積大,光伏發電占再生能源發電的3.3%,而約占我國發電總量的0.8%。

本報告收集了最新數據來描述全球電力發展的概貌,但要注意,這類數據比現實要慢些,甚至慢得多,但本報告仍然是最新最及時的了。

本報告常出現的電力單位換算為:

1 TWh(太瓦小時)=1 000 GWh(吉瓦小時)=1 000 000MWh(兆瓦)=1 000 000 000 kWh(千瓦小時)

世界各國電力消費

2016年全球經濟依舊疲軟,一次能源消費增幅僅為1%,必定影響電力生產。根據《BP世界能源統計年鑒2017年6月》的報告,2016年電力產量僅比去年增加2.2%,遠比往年6~8%低。中國是世界上電力生產最多的國家,占世界總量的24.8%,2016年增幅為5.4%,但比去年增幅2.9%有所增加;而美國經濟不景氣,減低了0.2%。

2012~2016年主要國家的電力生產量(單位:TWh)

人均能源消費和電力消費

人均能源消費量和人均耗電量在一定程度上反映一個國家或地區經濟發展水平和人民生活水平。本數據來自維基百科,人均能源消費量和人均耗電量最多的國家是冰島和列支敦士登。雖然中國電力產量居世界首位,但人均量居世界第64位。

人均能源和電力消費量


全球電力生產結構

電力生產結構是指電力來自一次能源的比例,以%表示。根據《REN21再生能源全球狀態報告》2015~2017年的報告匯集成表。全球總發電量數據來自《BP 世界能源統計年鑒2017年6月》。

截止2016年全球再生能源發電占電力總量的24.5%,其中水力發電最高,占16.6%,其次是風電場占4.0%、生物質發電占2.0%和光伏發電占1.5%。

2009~2016年全球電力生產結構

世界上最大的20座發電站

世界上最大的電站是水力發電站,占據主導地位,中國溪洛渡大壩和糯扎渡大壩已經沖入圈內。其次是核電站;燃煤和燃氣為最次。中國水力發電在電力供應中最為突出,居世界領先地位。水力發電和核能發電均屬清潔能源發電,而天然氣和煤等化石燃料發電,屬于火力發電。

世界上最大的20個電站

化石燃料生產電力

化石燃料生產電力的數據來自國際能源署《IEA 關鍵能源數據統計》報告的數據。雖然數據報道截止到2014年,看似較遲緩,實際是《IEA 關鍵能源數據統計2016》及2012~2015年報告的數據,已經夠新的了。

化石燃料發電以燃煤發電為主,其次是燃氣發電。2010年化石燃料發電占全球發電總量的67.4%,到2014年仍然保持在66.7%,但有所回落;而清潔能源發電逐年上升。

全球電力生產匯總


燃煤發電一直居高位,2010年占全球發電總量的8698/21431= 40.6%,到2014年不見回落,仍然保持在9707/23816= 40.8%。2014年最大的燃煤發電生產國是中國,占燃煤發電總量的4115/9707= 42.4%,其次是美國,占總量的1713/9707= 17.6%。

燃煤發電(單位:TWh)


燃油發電占化石燃料發電份額較少,2014年僅占全球發電總量的1204/23816= 5.1%。燃油發電最多的國家是沙特阿拉伯,占燃油發電總量的152/1023= 14.9%,其次是日本,占116/1023= 11.3%。

燃油發電(單位:TWh)


燃氣發電發展較快,主要是美國。有篇文章“11張圖解釋美國能源體系(11maps that explain the US energy system)”,說明美國頁巖油氣井達63000口以上。美國頁巖氣開發成功,助長了燃氣發電的增長。2016年美國天然氣產量有60%來自頁巖氣。美國燃氣發電占全球燃氣發電總量的1161/5155=22.5%,占全球發電總量的1161/23816=4.9%。

俄羅斯本身具有豐富的天然氣資源,適合于燃氣發電,但居第二位。日本利用進口的液化天然氣助力燃氣發電的增長,燃氣發電的增長又刺激了全球天然氣液化工業的增長,居第三位。

燃氣發電(單位:TWh)


世界上最大的燃煤電站

燃煤發電占全球電力生產的主導地位,主要生產國是中國,居第一位是中國臺灣臺中發電廠。另外一種燃煤發電是泥炭發電,所占比例較小。泥炭是煤的前身,是煤化程度最低的煤。泥炭是由動植物遺骸,主要是植物殘體,受到微生物和介質作用,經過分解和合成的變化而形成的一種有機物質。泥炭發電主要在俄羅斯、芬蘭、愛爾蘭等國家。

世界上最大的燃煤電站

世界上最大的燃油電站

燃油發電可分為燃料油電站和頁巖油電站兩種,但其總體規模比燃煤電站小。世界上最大的燃料油電站是在沙特阿拉伯的舒艾拜發電及海水淡化廠。

頁巖油與致密油的概念不要混淆。媒體上經常出現頁巖油字樣,不是從油頁巖提煉的,而是從頁巖層經過分段水力壓裂開采出來的輕質原油,在學術上稱為致密油。

油頁巖(oil shale) 或稱干酪根頁巖(kerogen shale),是一種富含有機質、具有微細層理、可以燃燒的細粒沉積巖。油頁巖中絕大部分有機質是不溶于普通有機溶劑的成油物質,俗稱“油母”。因此,又稱為“油母頁巖”。油頁巖的含油量一般為4~20%,有的高達30%,可以直接提煉石油。    

表中油頁巖電站所使用的燃料不是頁巖油,而是油頁巖。

世界上最大的燃油電站

世界上最大的燃氣電站

天然氣發電是指利用天然氣產生電力。燃燒天然氣把水變成蒸汽,再用蒸汽推動汽輪機帶動發電機運轉而發電,屬于一般的火力發電,其效率較低。天然氣聯合循環發電則是將天然氣燃燒時產生的高溫煙氣,推動燃氣輪機,進行一級發電,然后再利用燃氣輪機排出的高溫煙氣加熱水,產生蒸汽推動汽輪機,進行二級發電。這就是聯合循環發電,效率較高。

由于燃燒天然氣熱效率高,排放的污染物又較其它燃料少,因此被認為是化石燃料中最清潔的發電燃料。目前天然氣聯合循環發電的技術已相當成熟。已進入商業運作,且規模很大。

天然氣發電廠運行靈活,機組啟動快,既可基荷發電,也可以調峰發電,便于接近負荷中心,提高供電可靠性,并減少送變電工程量;但是天然氣發電項目承擔的經濟風險要高于燃煤發電廠項目,特別是液化天然氣發電成本高,一般要大大高于燃煤電站,因而天然氣發電廠多用于調峰。

天然氣在電力生產中的利用起步較晚,而且在20世紀90年代前,工業發達國家如美國和歐洲共同體一直把天然氣視為珍貴能源,限制天然氣用于發電,因此天然氣在發電業中的比例并不大。隨著天然氣可采儲量快速增長,來源可靠,這些國家紛紛解除限制天然氣發電的禁令,特別是聯合循環發電和熱電聯產技術的進步,既給公用事業公司提供大型天然氣發電設備,又給分散式發電系統提供高效、緊湊、規模廣泛和環境相容好的發電技術與設備。預計世界電力生產中的天然氣消費量將逐年上升。根據美國能源情報署的估計見表。

世界發電燃料的預測 (%)


燃氣發電最多的國家是日本,但最大的燃氣電站是俄羅斯蘇爾古特-2電站,裝機容量達5597MW。

全球十大燃氣電站

核能發電

核能發電是用鈾制成的核燃料在“反應堆”的設備內發生裂變而產生大量熱能,再用處于高壓力下的水把熱能帶出,在蒸汽發生器內產生蒸汽,蒸汽推動汽輪機帶動發電機一起旋轉而發電,并通過電網輸送給消費者。

根據《BP世界能源統計年2017年6月》的報告,全球核能發電在逐步增長,2016年增長了1.3%,其中中國排序為全球第三,次于美國和法國,但是發展最快,2016年增長24.5%。德國逐年減少,2016年減少了8%,盡管日本核能發電有所抬頭,但力道很小,僅占全球總量的0.7%。

再生能源發電

中國是再生能源發電的大國。從2013年再生能源發電總量的1053.0 TWh發展到2014年的1300.0 TWh,增幅為23%。根據維基百科的統計,再生能源發電最多的國家是中國,高于美國一倍多。

再生能源發電前十位國家  (單位:TWh/a)

水力發電

水力發電是利用工程措施將天然水能轉換為電能的過程。是水能利用的基本方式。優點是不消耗燃料,不污染環境,水能可由降水不斷補充,機電設備簡單,操作靈活方便。但一般投資大,施工期長,有時還會造成一定的淹沒損失。水力發電常與防洪、灌溉、航運等相結合,進行綜合利用。

世界上最大的水力發電站是在中國的三峽大壩。

根據2014~2017年《REN21再生能源全球狀態報告》的統計,2017年全球水力發電裝機容量達到1096GW,水力發電最多的國家是中國,占全球總量的28%,其次是巴西、美國、加拿大、俄羅斯和印度。估計2016年全球水力發電量為4022.9 TWh,比2015年增加了3.2%。全球抽水蓄能估計為150 GW,約增幅為6.4GW。

根據《BP世界能源統計年鑒2017年6月》的報告,2016年全球水力發電增長了2.8%,其中最多的國家是中國,增幅達4.0%,占世界總量的28.9%;其次是加拿大和巴西。

風電場發電

風電場,又稱“風力發電場”。由一批風力發電機組或風力發電機組群組成的電站。通常按照風電場址的主導風向和地形,將機組排成陣列,盡量減少相互間的尾流影響。風電場可以安裝在陸地上,也可以安裝在海洋上。

海上風電場多指將風力發電機組安裝在水深約10m的近海的風電場。與陸地風電場比較,具有不占用土地,海上風能資源更大,對環境影響較少,且風電機組單機容量更大,年利用小時數更高等優點,可以增加年發電量和機組壽命。

風力發電的成本接近天然氣發電,是目前較經濟的再生能源之一。海上風能比陸上多40%的產能,但裝置成本比陸地高60%,并且風險高。盡管如此,與成本昂貴的光伏發電比較,發電量大的離岸風力發電顯示出優越性:

⑴ 風速通常比陸上約高出20%,攫取風能可增加72%,且塔架高度不必增高;

⑵ 氣流較陸上穩定,風機疲勞載荷較小,壽命比陸上提高25%;

⑶ 遠離陸地,景觀、噪音和光影問題小,可自由提高轉速以增加效率;

⑷ 場址用地取得比陸上簡單,不易發生抗爭,且塔底形成魚礁可引來魚群,增加捕漁收獲量;

⑸ 靜風期少,每年滿載小時比陸上長久,有利擴大發電量;

⑹ 未來風機可更大型化,容易達到經濟規模,可縮短回收期。

根據歐洲風能協會(EWEA)的報告,歐洲海上風電場發展速度很快,2014年裝機容量達8 045.3MW,主要增加在大西洋。

根據《REN21再生能源全球狀態報告》報告,2016年底有90個國家有風電場商業活動,其中有29個國家風電場裝機容量超過1GW。


根據《BP世界能源統計年鑒2017年6月》的報告,2016年全球風電場年增長15.6%,發電量為959.5 TWh,其中發電量最多的國家是中國,中國于2016年超過美國,中國年增長39.4%,發電量為241.0 TWh,占全球總量的25.1%。

太陽能發電

太陽能發電是將太陽能轉換成電能。其基本途徑有兩種:

⑴ 光發電,即光伏發電。將太陽能電池組合在一起,大小規模根據需要而定,可獨立發電,也可并網發電。使用較廣的一種裝置是“太陽電池板”(由很多光電池串聯、并聯而組成的陣列),可產生若干瓦以至千瓦級的功率。

⑵ 熱發電,即太陽能熱發電。主要是把太陽的能量聚集在一起,產生高溫來驅動汽輪機發電。熱發電的方法較多。有用反射鏡群把太陽能聚集到離地面數米或更高處的鍋爐上,產生蒸汽驅動汽輪機發電的;有利用海面被太陽曬熱,水溫升高,而深海數十米或百米處的海水溫度低,以液氨為工質組成熱力系統發電的,稱為“太陽能海水溫差發電”。

太陽能熱發電所占份額很小,光伏是太陽能發電主要形式。光伏指射線能量的直接轉換。在實際應用中通常指太陽能向電能的轉換,即太陽能光伏。

根據2017年《REN21再生能源全球狀態報告》的統計,2016年全球光伏裝機容量增加了75GW,相當于安裝了31000光伏板每小時。

2016年光伏發電僅占全球總發電量的1.5%。根據《BP世界能源統計年鑒2017年6月》的報告,全球光伏發電總量為333.1 TWh,年增長29.6%,其中中國占全球總量的19.9%,美國僅占第二位,為17.1%。

中國光伏工業發展是世界上最快的,騰格里沙漠太陽能公園和大同光伏領跑者已經沖過龍羊峽水光互補光伏電站居世界第一。

電力的國際貿易

電力和天然氣的供應具有能源網絡輸送的特性。與煤和石油的供應有很大區別,電力和天然氣可以用類似的方法管理,但是也有不同之處:

⑴ 天然氣只能在發現地生產,而電力除了水力發電以外,可以在任何地方生產;

⑵ 天然氣能夠被其它燃料所替代,而電力則不能。根據2012~2016年《IEA 關鍵能源數據統計》的電力產量統計如表。

電力的生產特點是除了水力發電以外,可以在任何地方生產。相比于石油國際貿易來說,電力國際貿易量少得多。2014年電力出口量占生產總量的328/23816=1.4%,遠低于石油和天然氣。

根據國際能源署《IEA 關鍵能源數據統計》,電力凈進口國家主要是意大利、美國和巴西。電力凈出口國主要是加拿大、法國和巴拉圭。

度電成本價格

度電成本價格指生產1kWh(度)需要多少費用。由于生產地區不同以及生產方式不同,其價格相差很大。

英國商業、能源和工業戰略部并隨后與能源和氣候變化部驗證,對2015年英國不同來源的發電成本估計如下。

根據美國能源情報署(EIA)的資料整理此表。從表中可以看出,天然氣發電采用常規燃氣輪機在電力市場的競爭能力很弱勢,甚至不如光伏發電,可是通過技術進步采用先進的聯合循環,電力成本降低一半。



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