14亿人全民通电，中国如何做到的？
截至2018年底
当全世界发电量增速仅为3.7%时
中国却以的迅猛增速领跑全球 全年发电量达到71118亿千瓦时 几乎是以“一己之力” 生产了全球超过1/4的电量 平均每2秒产生的电力 就足以满足一个中国人 一辈子的电力需求 ▼上文中国人的平均寿命按76岁计，人均用电量参考2018年数据；下图为2018年世界各国发电量TOP10，制图@郑伯容/星球研究所 不仅如此 放眼全球233个国家和地区 中国还是第一个 也是唯一的一个 拥有近14亿的超庞大人口 却依然能做到全民通电的国家 ▼上海夜晚卫星图，灯火通明的城市，图片来源@NASA 中国，究竟是如何做到的？ I 70.4% 2018年中国人使用的所有电力中 70.4%来自于火力发电 可谓是全国电力的大半壁江山 ▼2018年中国火力发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所 高耸的烟囱或宏伟的冷水塔 是火力发电厂最常见的特征 ▼随着处理工艺的进步，火电厂的烟囱逐渐与脱硫塔合并；下图为雾气中的冷水塔，电厂中被加热的冷却水在冷水塔中冷却后循环使用，摄影师@孟祥和（请横屏观看） 煤炭、石油、天然气 甚至秸秆、垃圾等等 都是可用于火力发电的燃料 由于燃料易得、技术成熟 火电厂的分布极为广泛 在大江南北遍地开花 ▼内蒙古霍林郭勒锦联电厂，摄影师@鹿钦平 ▼临水而建的广州市华润热电厂陈国亨 而在中国这个“煤炭大国” 火力发电则又命中注定 将成为燃煤电厂的天下 其装机容量在所有火电厂中 占比几乎接近90% 全国5800多处大小煤矿 年产约36.8亿吨原煤中 超过一半的产量 都将运往这些电厂熊熊燃烧 ▼以上数据来源中电联《2018-2019年度全国电力供需形势分析预测报告》；下图为安徽宿州汇源发电厂，右下角为电厂储备的煤炭，摄影师@尚影 这就意味着 火力发电的版图 必然与煤炭生产的格局息息相关 在煤炭资源相对丰富的北方地区 火电装机容量占比超过70% 是最主要的电力来源 ▼以上“北方地区”包括东北、西北(除青海省外)和华北地区，以及山东和河南两省；下图为2018年全国各地区发电类型及装机容量占比，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 然而“出人意料”的是 山东、江苏、内蒙、广东、河南 山西、浙江、安徽、新疆、河北 以上火电装机容量排名的前十位中 多个南方沿海省份同样赫然在列 甚至远超诸多煤炭大省 这些“特殊”的地区 往往人口密集、经济发达 对电力的需求格外旺盛和强烈 ▼2018年全国各省、直辖市和自治区用电量对比，制图@郑伯容/星球研究所 在迫切的用电需求下 众多火电厂拔地而起 例如仅在广东一省 2017年的火力发电量 已达到3165亿千瓦时 比产煤大省山西还要高出26% 而要产生如此量级的电力 用于发电的煤炭将以亿吨计算 然而 像广东这样的电力负荷中心 大多并非煤炭产区 距离最近的煤炭基地 也可能相隔千里之遥 如此大量的煤炭该从何而来？ ▼我国使用的煤炭包括自产和进口两部分，但煤炭进口量目前仅为全国煤炭消费量的约1/10，因此下文主要讨论自产煤炭的供应。下图为广东省广州市荔湾火电厂，摄影师@刘文昱 要回答这个问题 不如先将目光转移到 山西大同与河北秦皇岛之间 这里连接着一条声名赫赫的铁路 它以不到全国铁路0.5%的营业里程 完成了全铁路近20%的煤炭运量 相当于每秒就有14吨煤炭 搭载着钢铁轮轨呼啸东去 奔向千里之外的渤海之滨 这就是大秦铁路 这是中国第一条重载铁路 单列列车全长近4000米 相当于10-20列高铁列车相连 煤炭运至秦皇岛港后 便可通过成本更低的海运 运至东部和东南沿海地区 ▼河运运输费用大约为铁路运输的30-60%，海运则更便宜；下图为大秦铁路，注意列车的长度，摄影师@姚金辉（请横屏观看） 2008年春节期间 南方地区雨雪冰冻肆虐 大量输电、运输线路受损 近17个省被迫拉闸限电 而就是在这个时期 大秦铁路单日运量首次突破100万吨 并持续了整整20天 大量煤炭燃料源源不断地送往南方 可谓是真正的“雪中送炭” ▼秦皇岛港口堆放的煤炭，图片来源@VCG 而大秦铁路也仅仅是 中国煤运铁路网络的冰山一角 预计到2019年10月 又一条重载线路蒙华铁路建成 内蒙古、山西、陕西等地的煤炭 将由此直抵华中地区 这条铁路全程跨越7个省份 一次建成里程超过1800余千米 堪称世界之最 ▼陇海铁路郑州段旁的火电厂，摄影师@焦潇翔 届时 以多条重点线路为核心 山西、陕西、内蒙古、新疆 以及沿海、沿江等六大区域 将通过纵横交错的铁路连成一片 而这个庞大的运输网络 如同一条条钢铁动脉 将全国75%的煤炭送往四面八方 ▼其他煤炭运输方式包括公路运输、航运等，目前中国煤运通道网络共“九纵六横”，下图为其中部分重点线路，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 然而 随着用电需求高速增长 浩浩荡荡的“西煤东运”“北煤南运” 仍然不是一劳永逸的办法 在主要的电力负荷中心周边 往往以中小型火电厂居多 这些电厂建设成本低、建站速度快 但在生产等量电力时 耗煤量却比大型电厂高出30-50% ▼位于城市中的西安灞桥热电厂，目前总装机容量24.9万千瓦，摄影师@李顺武 不但如此 在技术和经济尚不发达的年代 这些中小型火电厂产生的烟尘 二氧化硫、氮氧化物等空气污染物 也难以得到统一和高效的处理 于是自20世纪60年代起 在煤炭矿口、中转港口附近 众多大型火电厂开始崛起 ▼山西古交发电厂，邻近煤炭矿口，也称坑口电站，摄影师@陈剑峰 ▼浙江台州第二发电厂，邻近港口，也称港口电站，摄影师@汪开敏 例如位于内蒙古呼和浩特的托克托电厂 距离准格尔大型煤田仅50km 装机容量达到672万千瓦 位列世界燃煤电厂第一位 大型坑口、港口电厂的建设 能大大减轻煤炭运输的压力 提升燃煤效率、统一控制排放 但是电厂与负荷中心之间 有时相隔达到数千千米 这又该如何解决？ 答案其实很简单 就是输电 但要实现起来却并非易事 毕竟在如此遥远的输电距离下 线路的阻抗已然无法忽略 人们只能尽量降低传输电流 才能最大程度地减少线路损耗 这就意味着 传输功率一定的情况下 在保证经济性的同时 必须尽可能提升输电电压 ▼传输中的损耗Q可以通过公式Q=I²Rt计算，当电阻R无法忽略时，电流I越小，则损耗越小；而输电功率计算公式为P=I×U，因此当功率P额定时，为了降低电流I，则必须提升电压U；下图为康定折多山云海中的线塔，摄影师@李珩 1954年时 我国自行设计施工了第一条 220千伏的高压输电线路 传输距离369千米 但已落后世界大概30年 65年过去 从高压到超高压 从超高压到特高压 远距离输电技术突飞猛进 目前最高电压等级已达到 交流1000千伏和直流±1100千伏 单条线路的输电距离 更是突破3000千米 相当于乌鲁木齐到南京的直线距离 在全世界首屈一指 ▼对于交流输电，35-220千伏称高压，330-1000千伏为超高压，1000千伏及以上为特高压；对于直流输电，±400-±660千伏为超高压，±800千伏及以上则为特高压。下图后方为酒泉至湖南±800千伏特高压直流输电线路，摄影师@刘忠文 铁路和输电两张网络纵横交错 让无论是位于负荷中心 还是地处矿口、港口的火电厂 都能共同发力 成为我国电力工业的中流砥柱 然而 尽管火力发电厂的 除尘、脱硫、脱硝技术日益成熟 但化石燃料的消耗、温室气体的排放 让人们不得不继续寻找更为清洁的电力 水电便是其中之一 II 88% 在中国 无论是水力资源的蕴藏总量 还是可开发的装机容量 均稳居世界第一位 如此丰富的水能资源 如此巨大的开发潜力 注定水力发电在我国 将拥有至关重要的地位 其发电量占比达到17.6% 与火力发电一起 供给了全国88%的电力 ▼2018年中国水力发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所 水力发电利用流水势能 持续推动水轮机旋转 继而带动发电机产生电力 全程既不需燃料、也无废气排放 相比火力发电更加清洁 ▼白鹤滩水电站正在修建的水轮机室(也称“蜗壳”)，用于将水流沿圆周方向导向轮机，摄影师@李亚隆 2018年 全国水力发电量达12329亿千瓦时 相当于节约煤炭近4亿吨 此外，水电站经过合理的选址和设计后 还可兼具防洪、航运、供水 ▼长江三峡水利枢纽工程中的五级船闸，上下水位落差可达113米，相当于35层楼的高度，摄影师@李心宽 以及调水、排沙等功能 ▼黄河小浪底水电站，摄影师@邓国晖 又或者在上游库区 形成别具一格的风貌景观 ▼新安江水库，千岛湖，图片来源@VCG（请横屏观看） 然而 我国的水力资源分布同样极不均衡 其中西南地区高山峡谷众多 大江大河穿流其间、奔腾而下 几乎集中了全国超过60%的 可开发水力资源 金沙江、怒江、澜沧江 大渡河、乌江、雅砻江 再加上南盘江和红水河 以及长江上游等 全国十三大水电基地中 西南地区独占8席 ▼长江上游水电基地指长江宜宾到宜昌段；中国大型水电站分布(装机容量大于120万千瓦)，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 和火力发电不同 水电的“原料”无法进行运输 因此若要将电力送往负荷中心 除了依靠输电工程外别无他法 这就意味着 水力发电的崛起和繁荣 必将与远距离输电技术相伴相生 我国第一条万伏级交流输电线路 第一条110和220千伏高压交流线路 第一条330千伏超高压交流线路 以及第一条高压直流输电线路 就此应运而生 ▼甘肃省刘家峡水电站，图片来源@图虫创意 1988年底 著名的葛洲坝水电站落成 它是长江上第一座水电站 人称“万里长江第一坝” 而与之配套建成的 便是我国首个超高压直流输电工程 其电压等级达到±500千伏 以1046千米的输电距离 将华中和华东电网连为一体 让葛洲坝水电站的电力 得以源源不断地送往上海 ▼葛洲坝水电站和湖北宜昌市市区，摄影师@李理（请横屏观看） 世界上规模最大的三峡水电站 装机容量达2250万千瓦 相当于8个葛洲坝水电站 以及3个内蒙古托克托火电厂 （世界第一大燃煤电厂） 2018年三峡水电站的全年发电量 更是首次突破1000亿千瓦时 相当于湖北省全省发电量的40% 创全球水力发电量新高 千里之外的江苏、广东和上海三地 则通过三条±500千伏的直流输电工程 与这个“超级发电机”紧密相连 ▼三峡水电站泄洪，摄影师@黄正平 而随着云南小湾水电站开始发电 全球首个±800千伏特高压直流输电工程 正式登上历史舞台 其输电距离达1438千米 可将电力从云南一路送至广东 曾经落后世界数十年的中国 自此便和全世界一起 迈入了特高压直流输电时代 ▼云南小湾水电站优美的拱坝，摄影师@熊发寿 从此之后 水电的辐射空间大幅增长 众多大型水电站在西南地区拔地而起 将滚滚电力送向遥远的东部和东南部 ▼正在建设的白鹤滩水电站，预计2022年完工，建成后将是世界第三大水电站，装机容量仅次于三峡，摄影师@柴峻峰 位于金沙江下游的向家坝水电站 通过长达1907千米的 ±800千伏直流特高压输电线路 全程跨越8个省份、直辖市 每年向上海输电近300亿千瓦时 相当于上海2018年用电量的20% ▼以上数据为粗略计算，未考虑传输中的损耗等因素；下图为向家坝水电站，摄影师@柴峻峰（请横屏观看） 同样位于金沙江的溪洛渡水电站 则看起来更加宏伟 其拱坝坝高285.5米 相当于90多层的摩天大楼 装机容量达1386万千瓦 目前为世界第三大水电站 而溪洛渡-浙西±800千伏的输电线路 更以800万千瓦的输电容量 跻身全球容量最大的直流输电工程名录 ▼金沙江溪洛渡水电站，摄影师@柴峻峰 位于四川雅砻江的锦屏一级水电站 则建有世界最高的拱坝 高度达305米 它向苏南地区输电的 ±800千伏直流输电工程 传输距离首次突破2000千米大关 至此 长江中上游、黄河上游的水电 以及众多煤炭基地周边的火电 均能够通过绵延千里的输电工程 向东部地区汇聚 “西电东送” 这一世纪工程的格局就此形成 ▼“西电东送”格局，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 当然 水力资源的开发并不是无限的 上游的淹没、大量的移民 以及对河流生态的影响 一直都是水力发电无法回避的话题 因而水电站的建设往往需要 经过极为严格的评估和论证 人们也需要寻找更多的清洁能源 其中最主要的便是风能和光能 III 95.7% 火力和水力两种发电方式 已为全国人民贡献了88%的电量 若加上风能和太阳能的出力 便能满足中国人95.7%的用电需求 ▼2018年中国风能和太阳能发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所 但风和光的利用却并不容易 在风力发电中 气流推动风机叶片持续旋转 便能带动发电机产生电力 ▼河北省张家口风电场的风机，摄影师@刘高攀 风机叶片的尺寸和重量十分巨大 单叶长度可达数十米以上 对运输和安装都是巨大的挑战 ▼运输中的风机叶片，摄影师@李旭安 而在太阳能光伏发电中 单个太阳能电池的工作电压 一般仅有0.4-0.5伏 工作电流也十分微弱 只有将其不断串联并联 令多个电池拼装成组件 多个组件排列成为阵列 才能达到足够的发电功率 ▼福建松溪光伏发电，摄影师@在远方的阿伦（请横屏观看） 太阳能光热发电也同样如此 只有利用足够多的镜面 才能汇聚足够多的热量 从而产生足够多的蒸汽 推动汽轮机持续旋转 ▼光伏发电和光热发电是太阳能发电的两种主要形式；下图为位于敦煌的光热发电站，中间的高塔顶部用于吸收太阳能，也称塔式光热电站，摄影师@孙志军 总而言之 无论是风能还是太阳能 若要进行大规模发电 往往需要较大的占地面积 从而带来较高的建造成本 尤其在人口密集土地紧张的东部地区 提高土地利用率更为重要 ▼“渔光互补”，在鱼塘上架设光伏发电板，上面发电、下面养鱼，拍摄于浙江省宁海县，摄影师@潘劲草（请横屏观看） 而另一方面 正如水电在丰、枯水期的波动 风能和太阳能同样无法避免 时间、气候等带来的影响 甚至短短一天内的昼夜交替、风云变幻 都会改变发电的连续性和稳定性 因此为了减小对电网的影响 人们开始将风、光、水、火 各种发电方式组合起来、相互调节 从而得到较为稳定的电力输出 ▼风光互补系统，位于内蒙古卓资县，摄影师@焦潇翔 又或者在负荷较小时 将多余的电力转化、储存起来 等到用电紧张时再行释放 以便维持稳定的供电 ▼目前的蓄能方式包括蓄电池、飞轮蓄能、抽水蓄能、电解水蓄能和压缩空气蓄能等；对于抽水蓄能电站，电力富余时可从下水库抽水至更高的上水库，用电时水再从上水库流至下水库，利用水力发电的原理发电；下图为天荒坪抽水蓄能电站，左上为上水库，右下为下水库，摄影师@潘劲草 第三方面 和水能资源类似 我国的风能和太阳能资源 分布同样极不均衡 其中风能资源最为丰富的是 东部和东南沿海地区 全国风速超过7米/秒的地区 绝大多数都集中于此 ▼江苏大丰海上风机，摄影师@朱金华 但由于地形限制 这片区域仅在海岸线和沿岸的山脉间 形成极为狭窄的条带 相较之下 在我国三北地区 风能资源不仅丰富 还能大面积连片分布 ▼三北地区即西北、华北、东北地区，下图为中国风能资源分布，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 内蒙古地区也因此成为 我国最重要的风电基地之一 其2017年风力发电量达到551亿千瓦时 相当于全国风力发电量的近20% ▼内蒙古辉腾锡勒风力发电场，注意风机和高压电塔的高度，摄影师@石耀臣 而我国的太阳能资源 则在西部内陆地区最为丰富 包括青藏高原西部、新疆南部 以及宁夏、甘肃北部等 这些地区的全年日照时间 可达3200-3300小时 相较之下太阳辐射最为薄弱的 四川和贵州等省份 年均日照时间仅有约1100小时 ▼中国太阳能资源分布，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 由此可见 我国西部和西北地区 不但风、光资源丰富 同时人口稀疏、土地广袤 随着技术进步和成本的降低 风电和太阳能发电的规模也越发庞大 ▼位于甘肃金昌的大规模太阳能电场，摄影师@刘忠文（请横屏观看） 然而这些区域人口较少 用电需求也相对平缓 例如2015年 甘肃省发电装机容量达到4531万千瓦 但最大用电负荷仅1300万千瓦 新疆也同样如此 其装机容量超过5000万千瓦 而用电负荷需求仅为2100万千瓦 这就意味着 若仅仅依靠本地用电 将面临大量的能源浪费 更何况火电的调峰和供热作用 无论如何也难以被完全替代 这对于风能和太阳能电力的消纳 可谓是”雪上加霜“ ▼新疆哈密天山脚下的风力发电场，摄影师@常力 于是近年来 “弃风”“弃光”等问题层出不穷 甚至到2017年 整体情况已明显向好时 全国的弃风、弃光率仍为12%和6% 而在甘肃、新疆等地 弃风率甚至高达33%和29% 一面是西北地区 大量的新能源无处安放 一面是东部沿海 大量用电需求嗷嗷待哺 在这种形势下 远距离、跨区域的输电工程 必须再次扛起重任 ▼位于新疆的特高压输电线路，摄影师@刘文昱 2014年和2017年 两条从西北地区向外辐射的 ±800千伏直流输电工程相继完工 第一条从新疆哈密出发 途经六个省份到达河南郑州 全程2210千米 每年可将新疆地区的火电、风电 共计约370亿千瓦时的电量 源源不断送往中原大地 ▼哈密南-郑州±800千伏特高压直流输电工程，是我国首个“疆电外送”特高压工程，摄影师@周修建 第二条则从甘肃酒泉出发 途经5个省份直奔湖南湘潭 全程2383千米 在其每年送出的 约400亿千瓦时的电力中 超过40%均来自西北地区的风电和光电 ▼酒泉-湖南±800千伏特高压直流输电工程，摄影师@陈剑峰 而在2018年 又一条大名鼎鼎的特高压工程正式贯通 其电压等级高达±1100千伏 年均输电量达660亿千瓦时 相当于凭此一条输电线路 便可外送整个青海省全年的发电量 这便是准东-皖南特高压输电工程 （也称昌吉-古泉特高压工程） ▼准东-皖南±1100千伏特高压输电工程，摄影师@宋鹏涛 线路从新疆昌吉自治州出发 途经新疆、甘肃、宁夏、 陕西、河南、安徽6省份 以6079座铁塔 支撑起3324千米的输电线路 沿途接连跨越秦岭和长江天堑 最终抵达安徽宣城市 无论是电压等级、传输容量 还是传输距离、技术难度 均为世界范围内的“开山之作” 是名副其实的“超级工程” 借由这条超级电力走廊 新疆地区520万千瓦的风电 以及250万千瓦的光伏发电 能够被打捆送往长三角地区 ▼建设中的准东-皖南±1100千伏特高压输电工程，摄影师@宋鹏涛 截至目前 我国仍是全球唯一能够建设 ±1100千伏特高压直流输电的国家 也是特高压输电领域的 国际标准制定者之一 这对于中国来说 虽是时代发展的必然之路 也是当前能源格局下的“无奈之举” 让更多人用上更便宜、更清洁的电力 是无数电力工作者孜孜以求的目标 ▼“空中飞人”，拍摄于北京大兴国际机场500千伏输电工程施工现场，摄影师@周治林 IV 100% 风、光、水、火四种方式 已生产了全国95.7%的电量 冲击100%的最后一棒 则属于核电 ▼2018年中国核能发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所 和火力发电类似 核电燃料可以运输 能量产出也较为稳定 基本不受气候、时间的影响 但和火力发电不同的是 装机容量100万千瓦的核电厂 每年仅需核燃料25-30吨 为相同容量火电厂耗煤量的十万分之一 ▼现商用的核电站均为裂变反应，燃料为铀核燃料，下图为浙江台州市三门核电厂，摄影师@李亮杰 这就意味着 核电的燃料运输成本将大大降低 因此我国目前建设的核电站 均远离原料产地 位于用电负荷中心附近 即东部和东南沿海地区 ▼中国核电站分布，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 中国的核电起步较晚 直到1991年 浙江秦山核电站开始发电 才有了第一座自行设计建造的核电站 而当时世界上其他国家 已有420余台核电机组投入运行 提供着全球16%的电力 随后的近30年间 在引进国外先进技术的基础上 中国核电技术逐渐开始自主化 2018年并网发电的广东台山核电站 是全国首次引进第三代核能系统 也是全球首个 具备商用条件的第三代核电站 ▼台山核电站，图片来源@Esri Image Map 截至2018年底 我国核电装机容量达到4466万千瓦 而预计到2020年 全国核电装机容量将达到5800万千瓦 每年将替代1.74亿吨煤炭燃烧 减排约4.3亿吨二氧化碳 然而 核电技术较为复杂 安全标准也极为严格 因此核电厂的建造成本十分高昂 单位造价可高达火电的数倍 加之历史上核电站意外事故的影响 令核电一度在争议中艰难发展 但随着工艺的进步和社会认知的深入 甚至核聚变技术的突破 核电必将在未来成为更加关键的角色 . . . 回首建国前夕 全国发电装机容量仅184.86万千瓦 历经38年的筚路蓝缕 才终于突破1亿千瓦大关 而从1亿到2亿千瓦 再从2亿到3亿千瓦 分别只用了8年和5年 到2009年 中国发电装机容量超越美国 跻身世界第一位 之后更以每年约1亿千瓦的速度 突飞猛进 堪称世界电力史上的奇迹 ▼建设中的乌东德水电站，摄影师@李亚隆 不仅如此 截至2018年底 全国共有220千伏以上输电线路 共计733393千米 足足能绕赤道18圈 ▼新疆伊犁至库车750千伏交流输电工程，摄影师@宋鹏涛（请横屏观看） 其中21条特高压输电线路 在东西南北间交织穿梭 堪称中国大地上又一工程奇迹 ▼中国特高压输电网络，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所 除华北和华东地区之外 全国各区域间均已实现跨区供电 输电线路翻越高山峡谷 ▼跨越天山的高压输电塔，摄影师@刘辰 跨过江河湖海 ▼深圳西湾红树林海上输电塔，摄影师@董立春 即便是高寒的世界屋脊 也能与全国各地连为一体 预计到2020年 全国将有近31%的电力负荷 通过这张大网奔向南北东西 ▼位于拉萨附近的输电工程，摄影师@李珩 尽管到2015年底 我国才终于实现全民通电 人均用电量与世界各国相比 也仅居第63位 未来的路依然十分漫长 ▼川藏联网工程施工现场，摄影师@李维 但是 每当夏天人们打开空调电扇 每当城市在黑夜中灯火通明 我便不由得想起 千里之外发电机隆隆的轰鸣 因为 那就是这个跑步进入现代化的国家中 最波澜壮阔的声音 ▼2018年4月28日，国家电网日照供电公司工人架设叩官镇至两城高铁预留站高压线路，确保两城高铁站投入使用后的电力供应，摄影师@高兴建 来源：星球研究所（ID：xingqiuyanjiusuo）创作团队：编辑：王昆，图片：任炳旭&刘白，设计：郑伯容，地图：巩向杰，审校：云舞空城。 本期编辑：胡程远、赵雅娇
