美国水电蕴藏量与研发需求评估

［美国］ M.巴勒达等

美国水电蕴藏量与研发需求评估

［美国］ M.巴勒达等

研发利用水电技术有助于提高美国短、中及长期可再生能源的供应能力，目前美国电力科学研究院正在不断更新水电技术并对其在这方面的作用进行了评估。这些技术涉及传统的水电站、抽水蓄能、河流水能、人工运河(水动力学)、海洋技术、波浪发电、潮流及潮汐动力发电。对各种技术的作用、投入实际运用所需要的研究，以及刺激新技术应用的经济激励措施进行了评估分析。

水电资源;开发规划;水电蕴藏量;评估分析;美国

据保守估计，到2025年，美国现有装机容量将可能增加40 000 MW。其中13 750 MW来自传统的水电站，10 000 MW来自抽水蓄能工程，3 000 MW来自新的流体动力技术，还有13 000 MW来自潮汐和海洋波能发电技术。为此需要开展以下工作。

(1)增加美国能源署水能项目拨款。到2015年，可为项目提供研发指导资金3亿美元的支持。提供的研发资金可以促进通过流体动力资源和海洋波能发电的水电技术的发展和产业化，同时使传统的水电在短期内获益。

(2)继续实行美国产品税收信贷(PTC)和清洁可再生能源债券(CREB)计划。这些经济措施将鼓励对基础水电设施现代化及新建设施的投资。

(3)大力推行已经提出的加快批准试点项目和解决海洋能开发许可路径的监管程序。

2007年，美国电力科学研究院公布了“水电蕴藏量与研发需求评估”报告。根据现有资料和对科技发展的深刻见解，加上可行的激励措施和额外的研究和制度支持，美国电力科学研究院对到2025年可开发的水电量进行了预测。可供开发的水电涵盖对现有电站的有效利用以及传统和新兴技术的使用。美国电力科学研究院对开发这些发电量和装机容量所需要进行的研究和执行的激励措施进行了评估。申请增加研究资金和拓宽增值水电技术和新兴水电技术投资信贷的项目中大量引用了该报告的内容。

其中提及该报告初始版的缺点之一就是对能开发的电能及并网发电的速度的预测非常保守。评估过于保守是因为意识到有一些既有障碍会阻止发电蕴藏量的快速实时开发，具体如下:

(1)缺乏长期的联邦水力发电研究、开发、应用和示范(RDD＆D)方案;

(2)总体上缺乏对可再生能源技术的长期激励措施;

(3)专门针对水电技术的激励措施有限;

(4)技术开发和应用在监管体系上耗时过长。

美国电力科学研究院最新分析的重点在于，纳入了更多最新的可用数据，并进一步探讨了研究、激励措施及监管环境对新的可再生水电商业化所需的时间期限的影响。为试图了解研究投入和激励计划在新开发装机容量方面之间的关系，提出了一系列新的发电方案，并列出了其商业化运营时间表。

1 研究成果

美国现有传统水力发电量占可再生能源发电量的70%(超过248 000 GW·h)，而且其他可再生能源的发电量有可能进一步增加。现有水电站和尚未修建水电站的大坝以及通过新兴水电技术可能增加的装机容量可为美国国内可再生电力供应带来实质性增长。

2007年，美国电力科学研究院保守估计，到2025年，装机容量可增加23 000 MW，并指出，如果加强经济激励措施和加快水力发电产业规范进程，这一装机容量在保守估计的基础上会有显著提高。根据美国能源署、美国电力科学研究院和行业协会进行的资源评估，总资源蕴藏量估计为85 000～95 000 MW，其中不包括抽水蓄能、流体动力、海浪能和热能。所以设想的40 000 MW是很保守的估计。

1.1 进展、规划与效益

2007年发布的报告中，对水电开发的展望发生了重大的变化，这些变化包括:

(1)美国能源署提交了一份新的水能倡议书，在倡议书中指出，2008年和2009年共投入300多亿美元以鼓励增加短期水力发电量，同时强调，要开发河流、潮流和海洋波能发电的水电技术，并使其商业化。

(2)对产品税收信贷和清洁可再生能源债券项目的定义进行了扩展和补充。这些经济激励措施将继续鼓励对基础水电设施现代化及新建设施进行投资。

(3)为水动力技术颁发了新的商务试用许可证，这些许可证可以加强监管程序的实施。

根据倡议书中的这些激励措施，美国电力科学研究院研究探讨了加强投入和提高影响力以增加水力发电的选择方案，同时对并网的新增装机容量的附加效益进行了评估，这些效益包括:①减少碳排放量;②减少油耗;③增加工程、建筑和制造业的就业机会。

研究报告还涉及如何将水电技术纳入碳的总量管制和交易计划及其可能对鼓励水力发电产生的影响。

由于水电行业完成了许多工程项目建设，因此，有些数据必须更新，涉及由美国能源署资助的研发项目、新的产品税收信贷的经济刺激措施、哥伦比亚等35个州和地区的可再生能源投资组合标准、为满足系统要求而针对传统水电和抽水蓄能开发的新技术、应对研发与简化的监管程序的新型水动力和海洋能产业所采取的措施。

1.2 现状调查

美国能源署能源信息管理局2009年公布的《2008年能源展望年报》对2006年和2007年可再生能源发电量进行了初步估计，如表1所示。从表1中可以看出，由于受降雪、降雨及随之而来的供水问题的影响，2007年水力发电量显著减少，但它仍然占可再生能源发电总量的71%。令人可喜的是，风电的装机容量增加到约16 000 MW，占可再生能源总发电量的9%。据预测，2007～2030年可再生能源的发电量将有所增加，而据美国能源信息管理局的预测，传统水电装机容量仅增加850 MW，而风电装机容量达31 000 MW。

表1 2006～2007年美国可再生能源发电量及装机容量

2008年5月，美国能源署风电管理局的风电产业报告引起轰动，报告中指出，到2030年，风力发电将占全国电力供应的20%，风电的装机容量将超过300 000 MW。该报告指出，要实现这一目标，风电业还面临着巨大的挑战，这包括许多与风能技术无关的问题:

(1)区域输电运营商;

(2)从资源转变成负荷所必需的输电线路和基础的传输设施;

(3)制造业、建筑业、运行和管理部门所需的熟练工、技术员、工程师。

报告对风力发电站选址(包括输电线路)和开发300 000 MW风电装机对环境的不利影响未予重视，只着重强调了如下几个优势:

(1)到2030年，因发电产生的二氧化碳排放量降低25%;

(2)天然气使用量减少11%;

(3)发电耗水量减少152亿m3;

(4)每年可使地方财政收入提高15亿美元以上;

(5)可提供50万个就业机会，在风力发电产业可直接提供15万个岗位。

要实现风力发电占总能源供应20%的目标，还存在大量的不确定性外部因素。根据2008年美国能源署信息管理局对可再生能源发电的预测，到2030年，其装机容量将降到31 000 MW。可再生能源发电与其他能源发电之间的平衡由外部因素驱动，而外部因素则通过资源蕴藏量、容量系数、环境影响，以及最重要的经济效益等因素保持平衡。

1.3 开发前景

不需要投资兴建大量的输电设施，只利用现有的技术(通过研发得到增强)就可使水电装机增加一半以上。发电效益的增大通过对新型水电技术的研发、激励措施以及采用流线型监管程序来实现，与在过去30 a风力产业在政府研发和激励政策的支持下达到的25 170 MW装机容量相类似。

通过比较，美国能源署近期关于风电总结报告《风能对美国供电日益增长的贡献:到2030年比例为20%》预计，相对于目前的25 170 MW风电装机容量，2030年实现300 000 MW，在技术上是可以实现的。

在水电开发方面，已经具备如下条件:

(1)将开发一`批装机容量大于30 MW的大型水电项目。修建这些工程的原因在于，始于2008年8月的对一些装机超过5 400 MW的大型工程进行的研究表明，很多工程都具有供水等多种功能。计划修建的项目可用来满足基础供水设施的紧急需求，同时具有水力发电的效益。

(2)小型和低发电功率项目的开发将会加速，因为有生产激励措施的推动，以及国家可再生能源配比系统的要求，美国联邦能源管制委员会(FERC)也提到，申请这些项目的数量有所增加。

(3)现有水电站(由联邦能源管制委员会许可的)的发电量将继续增加，因为产品税收信贷政策期限将延长并被授权成为《突发事件经济稳定法规定》(2008年)的一部分，联邦政府还将完成水电设施的增容改造计划，以便为各地运营的大坝提供更有效的服务。

(4)将在现有的大坝上配套修建新水电站，联邦大坝研究报告中没有考虑还未评估的79 000座已建大坝的发电量。因为这些大坝最初目的是供水和其他用途，这些大坝可以在供水和能源供应方面都发挥重要作用。

(5)由于人们认识到蓄能在电力供应的稳定性和可再生能源的一体化中的重大作用，抽水蓄能在近两年已经复苏。

(6)联邦能源管制委员会制定的试点许可政策加快了水动力学技术的开发。2008年已颁发了120多项许可。该类技术尚在开发中，如果要实现产业化，则还需要大量的研发支持。

(7)对于潮汐能源，开发的时间进程仍是未知数。潮汐能源具有开发潜力，但仍需要研发的投入，来解决一些已知的技术问题从而使其切实可行。同时，具有一个切实可行的监管体系也将是一个关键因素。

2 水力发电产生的其他效益

据乐观估计，水电开发方案实施后(以评估量39 750MW的装机容量计)可带来如下效益:

(1)减少碳排放量。增加的水电装机容量估计每年可减少碳排放量1.74万t。

(2)降低耗油量。增加的水电装机容量估计每年可节省耗油量5 570万桶。

(3)增加工程、建筑和制造业的就业机会并刺激经济的发展。根据美国能源署就业与经济发展影响模型进行的粗略预测，39 750 MW的水电装机容量可带来以下效益:①为建筑业提供68.6万个就业岗位，主要是针对大型抽水蓄能和新技术制造业;②1.15万个运行和维护岗位(目前该行业已就业的员工约1.9万人);③在施工期间，能产生950亿美元的经济效益;④每年直接、间接或连带的经济产出为17亿美元。

这些估值是根据目前的风电开发模型得出的近似值。提议经济模型的开发应针对传统和新兴水力发电技术的具体的特性，作为开发商、投资者和监管机构更好评估未来水电开发项目经济影响的一套工具。

3 能源研发的需求

如上所述，研发是开发可再生能源的重要手段之一。水电开发中有技术和环境问题需要解决。而且风电模型也显示，研发也是实现风电装机容量增大的关键因素，在2008年年底的国会上重点强调了这一情况。2008年9月10日，在向美国众议院能源独立和全球变暖特别委员会的陈述中，麻省理工学院校长S.霍克菲尔德(Hockfield)博士提出了她对国家能源研发政策和开支的看法。在题为《未来的投资:研发需要面对美国的能源和气候挑战》的发言中，她就达成能源改革所需要的研究经费提出了几个关键问题:

(1)在过去的几十年中，联邦投入到能源研究的资金逐年减少，变得微乎其微。1980年，联邦政府研究经费的10%用于能源研发。如今，研究经费却只占2%。

(2)自1980年以来，美国能源公司研究投资的下降幅度，与公共研究的下降幅度相当。到2004年，企业能源研发仅相当于今天的12亿美元。这个水平可能适合一个符合成本效益，且技术成熟的基于化石燃料的能源产业。然而，这不适用于任何一个以创新为主导的行业。制药公司的研发投资占收益的18%。半导体公司的投资占其收益的16%。即便是汽车行业，投资也有3.3%。然而，美国能源公司投入的研发资金却不足其收入的0.25%。

这里所强调的是，工业要发展和实现产业化，只有政府才能为研发提供动力来源。

4 水电研发的需求

2008年10月29～30日，美国电力科学研究院在华盛顿主办了一个题为“水电开发研发需求”的研讨会。这次研讨会的重点是为一个重新调整过的联邦可再生水资源研发项目提供行业扶持资金。这次研讨会汇集了业界代表、监管机构、金融专家、能源技术提供商，以确定和按重点排列出新水电装机开发与应用的研发需求，包括海洋能源、流体动力学、传统水电和抽水蓄能。

研讨会的一个重点议题是讨论该行业的研究、开发、应用以及示范项目的需求现状。几个重点讨论的议题包括:

(1)传统水电，在考虑其技术成熟性的同时，还需进行新的开发研究，这些研究包括简单先进的环境优化及自动发电控制优化;

(2)抽水蓄能也有进一步的研发需求，包括材料和变速机控制;

(3)波浪、潮汐等发电技术还处于研究和早期的示范阶段。

以下是2008年的专题研讨会中，关于水电研发专题的重点议题。

针对传统的水力发电和抽水蓄能:

(1)先进的水轮发电机;

(2)可再生能源整合;

(3)技术开发;

(4)环境问题;

(5)气候和流量模拟。

针对海洋和水动力发电(波浪、潮流、潮汐和水动力等问题):

(1)技术测试(开发，包括通过试点示范进行的实验性开发);

(2)环境测试(以处理系统环境影响);

(3)测试标准。

5 激励措施

5.1 产品税收信贷及上网电价

根据产品税收信贷支持通过开发新兴技术提高装机容量的历史，可以了解其在可再生能源产业中的重要性。研究显示，1999～2006年，在激励政策的支持下，产品税收信贷对风电行业的大力开发产生了重要的影响。

2005年，随着产品税收信贷方案的推广，以及对水电装机容量的激励政策，在现有大坝的基础上，配套新增了27个水力发电项目，可供电力超过41万MW·h(相当于新增120 MW的装机容量)。

阻碍水力发电激励方案的一个因素是，产品税收信贷等水电激励方案只有在可再生能源发电时才适用，并且对于水电项目开发来说，有一个严重的时间滞后问题。与其他可再生能源发电相比，长期可靠的激励政策可使水力发电受益。如果对上网电价等计划及其对就业的影响进行评估，就需要考虑研发可持续性技术并从初始示范阶段发展到大量机组和电站的产业化所需要的时间和经济支撑。

《欧美可再生能源发电的固定价格激励政策之辩论:副作用及未来方向》这一报告中提到，欧盟在可再生能源投资组合标准和固定上网电价方面有着丰富的经验。好几个欧盟成员国已经通过上网电价使可再生能源得到迅猛开发，而可再生能源投资组合标准则未起到作用。上网电价的成功让其他国家受到启发而采用了类似的法律。上网电价目前是世界上各国采用的最广泛的可再生能源政策。

截至2007年，已经有18个欧盟国家采用了固定上网电价，其他采用的国家还有:巴西、印度尼西亚、以色列、韩国、尼加拉瓜、挪威、斯里兰卡、瑞士和土耳其。固定上网电价就是要求电力公司按固定价格购买可再生能源发电量。这些固定价格的构成根据发电成本而形成的长期支付价格(如德国)，或在现货市场价格之外给予固定的补贴(在西班牙)。大多数法律还规定，电力公司需要保证所有合格的可再生能源的电力并网。

最近一项关于固定上网电价的研究表明，成功的固定上网电价应该包括:

(1)确保恰当反映发电成本和利润的长期保证金;

(2)激励强度应随着时间的推移而减少(即补贴价格的逐渐减少);

(3)激励强度应根据可再生能源技术的不同而有所区别(例如光伏、风能、生物质能);

(4)为实现特定的政策目标而专门制定的激励强度。

5.2 健全的法律法规

学者C.克莱恩在美国电力科学研究院研讨会上指出，任何一项资金密集型项目的开发都面临一个已知的障碍，而所有水电开发面临的则是管制周期的不确定性。如果法律法规不健全，投资者就没有足够的信心来确定投资回报的时间，下面的3个关键因素就会受到影响:

(1)不愿提供配套资金来支持私人的研究投资;

(2)难以为新的和资金密集型项目吸引开发资金;

(3)用以支持技术的基础制造设施建设缓慢。

健全的法律法规再加上激励措施可刺激对新的水电项目的投资行动。

5.3 总量管制和交易现状

当前，美国国会正在考虑是否实行总量管制和交易排放政策。对于所有的温室气体(GHG)减排，通用词汇是减碳。在大多数政策讨论中，有专门的公式将甲烷和其他温室气体转换为碳当量。这些计算公式给测量和贸易信贷提供了共同的基础。

在总量管制和交易的情况下，对水力发电和其他形式的可再生能源发电而言，使用非排放性能源供电而降低的二氧化碳当量或配额变得很重要。如果给一些非排放性发电(如核电、水力发电、风电或太阳能)制定温室气体或二氧化碳排放额度，便会提高其发电效益。实施这种碳补偿机制，两个关键因素是必需的:

(1)将可变利率作为公式的参数;

(2)明确可纳入该补偿机制的可再生能源。

6 结语

以下是从美国电力科学研究院正在进行的研究中得出的几个关键初始数据。

(1)2007年，水力发电量占美国电力供应的7.1%，且占所有可再生能源发电的70%以上。

(2)如果研发和激励政策保持一致，到2025年，水电装机容量将会增加到39 750 MW。

(3)开发水能资源可以:①提供短期的和长期的可再生能源电力;②实现可再生能源的电力并网;③保证国内能源安全;④降低发电所需的用水量。

(4)为了实现发电量的有效增长，水电行业需要有可持续的组合激励政策，这些政策包括:①通过清洁可再生能源债券项目和产品税收信贷奖励增加发电量;②通过示范项目投资补贴政策鼓励波浪和潮汐能等新形式的发电项目;③认识到通过可加快投资的投资补贴政策，抽水蓄能发电对其他间歇性可再生能源的作用;④寻找新的较长期的激励政策，如固定上网电价，鼓励可再生能源电力的长期增长。

(5)在美国，水电研发的投资是所有能源行业中最低的。相对来说，适当地增加研发资金，加强对复杂环境和工程问题的了解，会大大改善现有水电产业及新水电技术的性能并提高其成本效益。主要内容包括:①负荷跟踪和资源管理的水资源预测;②部署和开发先进的“亲鱼型”水轮机，改善环境和运行性能;③用先进的变速发电机提高抽水蓄能的功效;④资源评估;⑤对环境系统造成的影响;⑥新工艺的组成和安装标准。

(6)改进下列监管程序可以减少不确定性和加快开发速度:①加强联邦和州之间的协作，以加快联邦强制性检验机构和州40个水质监测机构的审批工作;②简化许可证的发放过程，加快闭环抽水蓄能工程的开发，将对自然河流的影响降到最低;③将政府资助的环境研发用于资源评估和提高科技与环境相互作用的了解，以为监管机构作决策打下基础;④解决美国矿产资源管理局和联邦能源管制委员会之间的管辖问题，以解决监管外大陆架开发中的不确定性。

所有这些因素都会影响新水电开发的速度。2025年新增水电装机容量是23 000 MW还是40 000 MW受支持和鼓励程度大小的影响。从2007年和2008年采取的激励措施的效果和美国能源署新修订的支持计划来看，到2025年，新增水电装机容量很可能达到40 000 MW。

朱 红 摘译自英刊《水电与大坝》2010年第4期

邹瑜校

TV211.14

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1006-0081(2011)09-0009-05

2011-04-20