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庞名立 的个人博客

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2017年全球电力报告

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现代地球人跟电力戚戚相关。停一会电,好像整个地球不运转了,经济发展也停止。显然,电力是现代社会生产和生活的重要物质基础。随着各国工业化的发展,人类对电力的需求年年增长。能否提供大量廉价而优质、可靠的电力,直接关系国家经济发展的进程。

电能不能大量储存,因此电能生产的特点是生产与消费具有同时性。为了保证供电的连续性与可靠性,电力总是集中地进行生产,并通过输变电系统在广阔的地域内把众多的发电厂和各类用户连接成电力系统,以加强相互调节。

不能笼统地把电力视为清洁能源,要看其来源。电力来自一次能源如水力发电、核能发电和再生能源发电,这种电力属于一次能源,是绿色能源,即清洁能源;现代电力多数仍然从化石燃料生产,如燃煤发电、燃油发电和燃气发电,这种电力属于二次能源。这种电力在使用时很清洁,但是在生产过程仍然大量排放二氧化碳,会增强全球大气暖化,并大量排放污染物,造成大气雾霾,这种二次电力仍然不是清洁的。

世界上最大的电站是水力发电站,其次是核电站;而燃煤和燃气电站生产的电力远不如水力发电。中国水力发电在电力供应中最为突出,居世界领先地位。水力发电和核能发电均属清洁能源发电,而燃气和燃煤等化石燃料发电,属于火力发电。

电力的来源是多元(种类)化和多源(渠道)化的,以保障国家能源供应安全。电力除了水力发电以外,可以在任何地方生产,因此,电力的国家之间的贸易只有1~2%之间,远低于石油和天然气贸易。另外,尽管光伏发展很快,全球光伏发电也仅占发电总量的1.5%;我国光伏居全球首位,但由于占地面积大,光伏发电占再生能源发电的3.3%,而约占我国发电总量的0.8%。

本报告收集了最新数据来描述全球电力发展的概貌,但要注意,这类数据比现实要慢些,甚至慢得多,但本报告仍然是最新最及时的了。

本报告常出现的电力单位换算为:

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

世界各国电力消费

2016年全球经济依旧疲软,一次能源消费增幅仅为1%,必定影响电力生产。根据《BP世界能源统计年鉴2017年6月》的报告,2016年电力产量仅比去年增加2.2%,远比往年6~8%低。中国是世界上电力生产最多的国家,占世界总量的24.8%,2016年增幅为5.4%,但比去年增幅2.9%有所增加;而美国经济不景气,减低了0.2%。

2012~2016年主要国家的电力生产量(单位:TWh)

人均能源消费和电力消费

人均能源消费量和人均耗电量在一定程度上反映一个国家或地区经济发展水平和人民生活水平。本数据来自维基百科,人均能源消费量和人均耗电量最多的国家是冰岛和列支敦士登。虽然中国电力产量居世界首位,但人均量居世界第64位。

人均能源和电力消费量


全球电力生产结构

电力生产结构是指电力来自一次能源的比例,以%表示。根据《REN21再生能源全球状态报告》2015~2017年的报告汇集成表。全球总发电量数据来自《BP 世界能源统计年鉴2017年6月》。

截止2016年全球再生能源发电占电力总量的24.5%,其中水力发电最高,占16.6%,其次是风电场占4.0%、生物质发电占2.0%和光伏发电占1.5%。

2009~2016年全球电力生产结构

世界上最大的20座发电站

世界上最大的电站是水力发电站,占据主导地位,中国溪洛渡大坝和糯扎渡大坝已经冲入圈内。其次是核电站;燃煤和燃气为最次。中国水力发电在电力供应中最为突出,居世界领先地位。水力发电和核能发电均属清洁能源发电,而天然气和煤等化石燃料发电,属于火力发电。

世界上最大的20个电站

化石燃料生产电力

化石燃料生产电力的数据来自国际能源署《IEA 关键能源数据统计》报告的数据。虽然数据报道截止到2014年,看似较迟缓,实际是《IEA 关键能源数据统计2016》及2012~2015年报告的数据,已经够新的了。

化石燃料发电以燃煤发电为主,其次是燃气发电。2010年化石燃料发电占全球发电总量的67.4%,到2014年仍然保持在66.7%,但有所回落;而清洁能源发电逐年上升。

全球电力生产汇总


燃煤发电一直居高位,2010年占全球发电总量的8698/21431= 40.6%,到2014年不见回落,仍然保持在9707/23816= 40.8%。2014年最大的燃煤发电生产国是中国,占燃煤发电总量的4115/9707= 42.4%,其次是美国,占总量的1713/9707= 17.6%。

燃煤发电(单位:TWh)


燃油发电占化石燃料发电份额较少,2014年仅占全球发电总量的1204/23816= 5.1%。燃油发电最多的国家是沙特阿拉伯,占燃油发电总量的152/1023= 14.9%,其次是日本,占116/1023= 11.3%。

燃油发电(单位:TWh)


燃气发电发展较快,主要是美国。有篇文章“11张图解释美国能源体系(11maps that explain the US energy system)”,说明美国页岩油气井达63000口以上。美国页岩气开发成功,助长了燃气发电的增长。2016年美国天然气产量有60%来自页岩气。美国燃气发电占全球燃气发电总量的1161/5155=22.5%,占全球发电总量的1161/23816=4.9%。

俄罗斯本身具有丰富的天然气资源,适合于燃气发电,但居第二位。日本利用进口的液化天然气助力燃气发电的增长,燃气发电的增长又刺激了全球天然气液化工业的增长,居第三位。

燃气发电(单位:TWh)


世界上最大的燃煤电站

燃煤发电占全球电力生产的主导地位,主要生产国是中国,居第一位是中国台湾台中发电厂。另外一种燃煤发电是泥炭发电,所占比例较小。泥炭是煤的前身,是煤化程度最低的煤。泥炭是由动植物遗骸,主要是植物残体,受到微生物和介质作用,经过分解和合成的变化而形成的一种有机物质。泥炭发电主要在俄罗斯、芬兰、爱尔兰等国家。

世界上最大的燃煤电站

世界上最大的燃油电站

燃油发电可分为燃料油电站和页岩油电站两种,但其总体规模比燃煤电站小。世界上最大的燃料油电站是在沙特阿拉伯的舒艾拜发电及海水淡化厂。

页岩油与致密油的概念不要混淆。媒体上经常出现页岩油字样,不是从油页岩提炼的,而是从页岩层经过分段水力压裂开采出来的轻质原油,在学术上称为致密油。

油页岩(oil shale) 或称干酪根页岩(kerogen shale),是一种富含有机质、具有微细层理、可以燃烧的细粒沉积岩。油页岩中绝大部分有机质是不溶于普通有机溶剂的成油物质,俗称“油母”。因此,又称为“油母页岩”。油页岩的含油量一般为4~20%,有的高达30%,可以直接提炼石油。    

表中油页岩电站所使用的燃料不是页岩油,而是油页岩。

世界上最大的燃油电站

世界上最大的燃气电站

天然气发电是指利用天然气产生电力。燃烧天然气把水变成蒸汽,再用蒸汽推动汽轮机带动发电机运转而发电,属于一般的火力发电,其效率较低。天然气联合循环发电则是将天然气燃烧时产生的高温烟气,推动燃气轮机,进行一级发电,然后再利用燃气轮机排出的高温烟气加热水,产生蒸汽推动汽轮机,进行二级发电。这就是联合循环发电,效率较高。

由于燃烧天然气热效率高,排放的污染物又较其它燃料少,因此被认为是化石燃料中最清洁的发电燃料。目前天然气联合循环发电的技术已相当成熟。已进入商业运作,且规模很大。

天然气发电厂运行灵活,机组启动快,既可基荷发电,也可以调峰发电,便于接近负荷中心,提高供电可靠性,并减少送变电工程量;但是天然气发电项目承担的经济风险要高于燃煤发电厂项目,特别是液化天然气发电成本高,一般要大大高于燃煤电站,因而天然气发电厂多用于调峰。

天然气在电力生产中的利用起步较晚,而且在20世纪90年代前,工业发达国家如美国和欧洲共同体一直把天然气视为珍贵能源,限制天然气用于发电,因此天然气在发电业中的比例并不大。随着天然气可采储量快速增长,来源可靠,这些国家纷纷解除限制天然气发电的禁令,特别是联合循环发电和热电联产技术的进步,既给公用事业公司提供大型天然气发电设备,又给分散式发电系统提供高效、紧凑、规模广泛和环境相容好的发电技术与设备。预计世界电力生产中的天然气消费量将逐年上升。根据美国能源情报署的估计见表。

世界发电燃料的预测 (%)


燃气发电最多的国家是日本,但最大的燃气电站是俄罗斯苏尔古特-2电站,装机容量达5597MW。

全球十大燃气电站

核能发电

核能发电是用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动汽轮机带动发电机一起旋转而发电,并通过电网输送给消费者。

根据《BP世界能源统计年2017年6月》的报告,全球核能发电在逐步增长,2016年增长了1.3%,其中中国排序为全球第三,次于美国和法国,但是发展最快,2016年增长24.5%。德国逐年减少,2016年减少了8%,尽管日本核能发电有所抬头,但力道很小,仅占全球总量的0.7%。

再生能源发电

中国是再生能源发电的大国。从2013年再生能源发电总量的1053.0 TWh发展到2014年的1300.0 TWh,增幅为23%。根据维基百科的统计,再生能源发电最多的国家是中国,高于美国一倍多。

再生能源发电前十位国家  (单位:TWh/a)

水力发电

水力发电是利用工程措施将天然水能转换为电能的过程。是水能利用的基本方式。优点是不消耗燃料,不污染环境,水能可由降水不断补充,机电设备简单,操作灵活方便。但一般投资大,施工期长,有时还会造成一定的淹没损失。水力发电常与防洪、灌溉、航运等相结合,进行综合利用。

世界上最大的水力发电站是在中国的三峡大坝。

根据2014~2017年《REN21再生能源全球状态报告》的统计,2017年全球水力发电装机容量达到1096GW,水力发电最多的国家是中国,占全球总量的28%,其次是巴西、美国、加拿大、俄罗斯和印度。估计2016年全球水力发电量为4022.9 TWh,比2015年增加了3.2%。全球抽水蓄能估计为150 GW,约增幅为6.4GW。

根据《BP世界能源统计年鉴2017年6月》的报告,2016年全球水力发电增长了2.8%,其中最多的国家是中国,增幅达4.0%,占世界总量的28.9%;其次是加拿大和巴西。

风电场发电

风电场,又称“风力发电场”。由一批风力发电机组或风力发电机组群组成的电站。通常按照风电场址的主导风向和地形,将机组排成阵列,尽量减少相互间的尾流影响。风电场可以安装在陆地上,也可以安装在海洋上。

海上风电场多指将风力发电机组安装在水深约10m的近海的风电场。与陆地风电场比较,具有不占用土地,海上风能资源更大,对环境影响较少,且风电机组单机容量更大,年利用小时数更高等优点,可以增加年发电量和机组寿命。

风力发电的成本接近天然气发电,是目前较经济的再生能源之一。海上风能比陆上多40%的产能,但装置成本比陆地高60%,并且风险高。尽管如此,与成本昂贵的光伏发电比较,发电量大的离岸风力发电显示出优越性:

⑴ 风速通常比陆上约高出20%,攫取风能可增加72%,且塔架高度不必增高;

⑵ 气流较陆上稳定,风机疲劳载荷较小,寿命比陆上提高25%;

⑶ 远离陆地,景观、噪音和光影问题小,可自由提高转速以增加效率;

⑷ 场址用地取得比陆上简单,不易发生抗争,且塔底形成鱼礁可引来鱼群,增加捕渔收获量;

⑸ 静风期少,每年满载小时比陆上长久,有利扩大发电量;

⑹ 未来风机可更大型化,容易达到经济规模,可缩短回收期。

根据欧洲风能协会(EWEA)的报告,欧洲海上风电场发展速度很快,2014年装机容量达8 045.3MW,主要增加在大西洋。

根据《REN21再生能源全球状态报告》报告,2016年底有90个国家有风电场商业活动,其中有29个国家风电场装机容量超过1GW。


根据《BP世界能源统计年鉴2017年6月》的报告,2016年全球风电场年增长15.6%,发电量为959.5 TWh,其中发电量最多的国家是中国,中国于2016年超过美国,中国年增长39.4%,发电量为241.0 TWh,占全球总量的25.1%。

太阳能发电

太阳能发电是将太阳能转换成电能。其基本途径有两种:

⑴ 光发电,即光伏发电。将太阳能电池组合在一起,大小规模根据需要而定,可独立发电,也可并网发电。使用较广的一种装置是“太阳电池板”(由很多光电池串联、并联而组成的阵列),可产生若干瓦以至千瓦级的功率。

⑵ 热发电,即太阳能热发电。主要是把太阳的能量聚集在一起,产生高温来驱动汽轮机发电。热发电的方法较多。有用反射镜群把太阳能聚集到离地面数米或更高处的锅炉上,产生蒸汽驱动汽轮机发电的;有利用海面被太阳晒热,水温升高,而深海数十米或百米处的海水温度低,以液氨为工质组成热力系统发电的,称为“太阳能海水温差发电”。

太阳能热发电所占份额很小,光伏是太阳能发电主要形式。光伏指射线能量的直接转换。在实际应用中通常指太阳能向电能的转换,即太阳能光伏。

根据2017年《REN21再生能源全球状态报告》的统计,2016年全球光伏装机容量增加了75GW,相当于安装了31000光伏板每小时。

2016年光伏发电仅占全球总发电量的1.5%。根据《BP世界能源统计年鉴2017年6月》的报告,全球光伏发电总量为333.1 TWh,年增长29.6%,其中中国占全球总量的19.9%,美国仅占第二位,为17.1%。

中国光伏工业发展是世界上最快的,腾格里沙漠太阳能公园和大同光伏领跑者已经冲过龙羊峡水光互补光伏电站居世界第一。

电力的国际贸易

电力和天然气的供应具有能源网络输送的特性。与煤和石油的供应有很大区别,电力和天然气可以用类似的方法管理,但是也有不同之处:

⑴ 天然气只能在发现地生产,而电力除了水力发电以外,可以在任何地方生产;

⑵ 天然气能够被其它燃料所替代,而电力则不能。根据2012~2016年《IEA 关键能源数据统计》的电力产量统计如表。

电力的生产特点是除了水力发电以外,可以在任何地方生产。相比于石油国际贸易来说,电力国际贸易量少得多。2014年电力出口量占生产总量的328/23816=1.4%,远低于石油和天然气。

根据国际能源署《IEA 关键能源数据统计》,电力净进口国家主要是意大利、美国和巴西。电力净出口国主要是加拿大、法国和巴拉圭。

度电成本价格

度电成本价格指生产1kWh(度)需要多少费用。由于生产地区不同以及生产方式不同,其价格相差很大。

英国商业、能源和工业战略部并随后与能源和气候变化部验证,对2015年英国不同来源的发电成本估计如下。

根据美国能源情报署(EIA)的资料整理此表。从表中可以看出,天然气发电采用常规燃气轮机在电力市场的竞争能力很弱势,甚至不如光伏发电,可是通过技术进步采用先进的联合循环,电力成本降低一半。