能源家族揭秘！一起认识非化石能源之“水、氢、核”

  水能是可再次生产的能源。中国水能资源地区分布不均，大多分布在在西部地区；水能资源时间分布不均，河川径流量大多分布在在汛期，需要建设大型水库进行调节。中国河川水能资源无论是理论蕴藏量还是可开发量均居世界第一位。

  现代水能利用主要是发电，即水力发电。19世纪末期，随机械技术、电气技术、输电技术发展，水力发电慢慢的变成为人类利用水能的主要方式。1878年，法国建成世界上第一座水电站。

  水力发电不排放有害化学气体、烟尘、废渣等污染物。常规水电站水能利用效率在85%左右，效率高。水轮发电机组能够灵活地启动、停机，是电力系统理想的调峰、调频和事故备用电源。现代电力系统一般都会采用水电站、火电厂、核电厂联合供电的方式。

  在过去的20年中全球水电总容量增长了70%，目前占全球发电量17%左右。水电是28个新兴和发展中经济体（8亿人口）的主要能源。然而，在一些发达经济体，水电在发电中所占的份额一直在下降，发电厂也在老化。在北美，水电站的平均年限接近50年；在欧洲，水电站平均年限为45年。

  在全球范围内，约有一半的水电资源尚未开发。特别是新兴经济体和发展中经济体的潜力大，未开发的水电资源约为60%。

  到2030年，全球20%以上的水电机组预计将超过55年，届时主要机电设施将要换掉。在北美和欧洲，现有电厂更新改造工程预计将占未来10年水电总投资近90%。

  根据中国水能资源复查成果，并结合水利部小水电调查数据，中国100千瓦及以上的水电站技术可开发装机容量约6亿千瓦，水能资源丰富，技术可开发量占全球的17%，居世界第一。

  中国首座大型水电站是三门峡水电站。此后，我国自行设计、建设了新安江水电站。新安江水电站是我国自行设计、自制设备、自主建设的第一座大型水电站，也是我国第一座百米高的混凝土重力坝。

  长江上葛洲坝水电站的建设，标志着我国的水利水电工程建设达到了一个前所未有的新高度。葛洲坝水电站不仅是当时我国最大的水电站，而且还是在长江干流上的第一座水电站。

  长江三峡水利枢纽（三峡工程）于2003年建成投产。三峡工程由32台单机容量为70万千瓦的机组，以及2台单机容量5万千瓦的自备电厂组成，总装机容量为2250万千瓦，年最大发电量可超过1000亿千瓦时，是中国“西电东送”“南北互供”的骨干电源点，也是世界水电的制高点，是世界第一大水电站。

  世界最大清洁能源走廊的崛起之路，也是水电重大装备从“中国制造”到“中国创造”的自主创新之路。从三峡电站到白鹤滩电站，中国水电实现了水电装备自主设计、自主制造、自主知识产权和重要原材料的全国产化，实现了由“跟跑”“并跑”到“领跑”的跨越。

  抽水蓄能电站是目前公认的最清洁、最经济的大规模储能设施，具有调峰、填谷、调频、调相、储能、事故备用和黑启动等多种功能，是构建清洁低碳、安全可控、灵活高效、开放互动、智能友好的新型电力系统的重要组成部分。

  世界抽水蓄能电站的发展的新趋势为高水头、大容量、高转速。高水头即机组向更高水头发展，大容量是指单机容量不断增大，高转速即机组采用更高的比转速。

  我国抽水蓄能电站投产和在建容量均居世界第一。抽水蓄能是我国当前最具经济性、可靠性的储能技术，在政策推动下未来发展空间广阔。随价格形成机制、中长期发展规划等支持文件出台，我国抽水蓄能容量将持续增长，成为满足新能源高比例大规模发展需求的重要支撑。

  未来抽水蓄能装机的地区分布将更广泛，在各个区域电网中抽水蓄能都将发挥重要调节作用。

  氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，能帮助可再次生产的能源大规模消纳，实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能，加速推进工业、建筑、交通等领域的低碳化。

  2019年3月，氢能首次被写入《政府工作报告》，在公共领域加快充电、加氢等设施建设；

  2020年4月，《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》拟将氢能列入能源范畴；

  2020年9月，财政部、工业与信息化部等五部门联合开展燃料电池汽车示范应用，对合乎条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励；

  2021年10月，中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，统筹推进氢能“制—储—输—用”全链条发展；

  2022年3月，国家发展和改革委员会发布《氢能产业高质量发展中长期规划（2021—2035年）》，氢能被确定为未来国家能源体系的重要组成部分和用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，氢能产业被确定为战略性新兴起的产业和未来产业重点发展方向。

  现阶段我国主要以氢燃料电池客车和重卡为主，数量超越6000辆。在相应配套基础设施方面，累计建成加氢站超过250座，约占全球数量的40%，居世界第一。

  根据北京冬奥组委公布的数据，本届冬奥会示范运行超1000辆氢燃料电池汽车，并配备30余个加氢站，是全球规模最大的一次燃料电池汽车示范应用。

  氢能是重要的工业原料。氢气可代替焦炭和天然气作为还原剂，可以消除炼铁和炼钢过程中的绝大部分碳排放。利用可再次生产的能源电力电解水制氢，然后合成氨、甲醇等化工产品，有利于化工领域大幅度降碳减排。

  建筑领域需要消耗大量的电能和热能，已与交通领域、工业领域并列为我国三大“耗能大户”。利用氢燃料电池纯发电效率仅约为50%，而通过热电联产方式的综合效率可达85%。

  因可再次生产的能源具有不稳定性，通过电—氢—电的转化方式，氢能可成为一种新型的储能形式。2019年8月，我国首个兆瓦级氢储能项目在安徽六安落地，并于2022年成功实现并网发电。

  氢能单位体积内的包含的能量高，运行维护成本低，可长时间存储且可实现过程无污染，是少有的能够储存上百吉瓦时以上，且可同时适用于极短或极长时间供电的能量储备。

  氢储能技术即通过电解水制取氢气，将氢气存储或通过管道运输，制取的氢气可用于交通、钢铁、合成氨等领域，也可在有用能需求时通过燃料电池进行热电联供。氢储能技术适用于大规模储能和长周期能量调节，是实现电、气等多类型能源互联的关键。氢储能技术主要包含电解制氢、储氢及燃料电池发电技术，可用于可再次生产的能源消纳、调峰调频辅助服务、削峰填谷、需求侧响应、微电网等场景。

  核能是原子核粒子重新组合和排列时产生的能量，又称原子能。使核能释放开来的方式主要有核裂变反应和核聚变反应两种，一个不稳定的重核分裂成为两个轻核，称为核裂变反应；两个以上轻核聚合一个重核，称为核聚变反应。

  核能发电是利用反应堆中自持链式裂变反应释放的热能发电，是核能和平利用的重要方式。从20世纪50年代初期开始，人类致力于受控核聚变研究，至今，还没有掌握受控核聚变，所有的核能发电都是利用核裂变能。

  反应堆可按用途、中子能量、慢化剂、冷却剂、核燃料等分类。按照使用的慢化剂和冷却剂，反应堆可分为轻水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨沸水堆和液态金属冷却快中子堆。轻水堆是核电厂大范围的应用的堆型，轻水堆包括压水堆和沸水堆，其中，最广泛的应用形式是压水堆。核能发电最广泛的运用形式是压水堆核电厂。

  核能发电在应对世界性能源危机、保护自然环境、促进人类社会和自然界可持续发展方面具有独特作用。

  核电厂运行不排放二氧化碳，也不产生二氧化硫和氮氧化物，有助于减轻温室效应和酸雨、烟尘造成的环境污染。

  一台百万千瓦级核电机组每年换料仅需30吨左右的核燃料，从而可有效缓解电煤运输压力，节省宝贵的化工原料。

  率先实现由二代向自主三代核电技术的全面跨越，先进核能研发技术示范取得重要突破。

  十年来，我国核电发电量持续增长，为保障电力供应安全和推动节能减排作出了重要贡献。此外，国家能源核能供热商用示范工程二期项目和我国南方地区首个核能供热项目于2021年分别在山东海阳和浙江海盐正式投运。

  应对气候平均状态随时间的变化已成为全世界最紧迫的议题，统筹气候与发展双重目标，实现经济社会绿色低碳转型发展已变成全球各国的广泛共识，具有清洁低碳、稳定高效优势的核能重新受到重视。

  世界核协会在2021年9月发布的一项报告中指出：核能是推动全球清洁转型发展、构建现代能源体系的关键驱动力。

  核电有助于增强电网运行的稳定性，推进风电、太阳能发电等新能源部署。除供电外，核能还可用于区域供暖、工业供热、海水淡化、制氢、合成燃料等。

  核能多用途利用将步入提档加速期。核能多用途利用将为我国能源体系的清洁低碳转型提供关键驱动力。在山东海阳与浙江海盐两个核能供暖项目正式投运、辽宁红沿河核能供暖项目进入实质性推进阶段的基础上，预计从2022年开始将有更多的核电站开展核能供暖应用。

  未来我国将充分的发挥模块化小型堆、高温气冷堆、低温供热堆、海上浮动堆等各自优势，建立集发电、供热（供冷）、制氢、海水淡化等为一体的多能互补、多能联供的区域综合能源系统，实现对石化、钢铁等高耗能、高碳排行业的清洁供能。

  素材来源《亮报》、光明网、全球能源互联网研究院、国网浙江电科院、《国家电网报》、中国核能行业协会网站、《中国核能发展与展望（2022）》、《中国电力百科全书》