Nature Water: 南科大曾振中团队定量评估全球经济可开发的水能潜力

Nature Water | Analysis

近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授曾振中团队在Nature Water发表题为“A global-scale framework for hydropower development incorporating strict environmental constraints”的论文。这也是Nature Water自今年初创刊以来收录的首期论文之一。

该研究构建了严格环境约束条件下的定量评估框架，对全球289万条河流的水电开发经济潜力进行了全面评估，发现全球未使用的经济可开发水能潜力为5.27万亿度每年，而中国的经济水能潜力为2.25万亿度每年。

通过合理的水电开发，全球水电装机容量仍可翻一番，水电在促进达成“碳中和”目标中可发挥更大的作用。

水能作为可再生能源的重要组成部分，凭借其可靠、稳定、绿色、量大等特点，成为火力发电最为可靠的替代方式。目前水力发电量占世界电力总量的17%，占可再生电力总量的69%。

然而水电站的建设可能会造成许多负面的环境社会影响，包括破坏河流生态、阻碍鱼类洄游、释放水库温室气体、水库移民和国际地缘政治等问题。未来全球水电是否值得继续开发存在很大争议。

研究团队使用了全球高分辨率流量数据集，该数据集使用VIC水文模型和RAPID汇流模型模拟全球289万条河流径流量，并使用1.4万个水文站点对模型进行率定，是目前模拟精度最高的全球流量数据集。

团队沿全球289万条河流进行虚拟水电站点采样（总计414万个点），构建了严格环境约束条件下的定量评估框架，对每个虚拟水电站分别计算不同坝高的水库型水电站和不同进水口的引水式水电站的平准化度电成本（LCOE）。

研究显示，全球仍有124761个未开发的潜在水电站建设位置，其中4644个水电站的建设位置具有很强的经济开发价值，其LCOE小于0.1美元/度。

全球尚未开发的水能经济潜力为5.27万亿度/年。亚洲尚未开发的水能经济潜力（3.90万亿度/年）是先前估计的3倍，且在喜马拉雅区域的未开发水电站的LCOE远低于世界其他地区；非洲尚未开发的水能经济潜力为0.60万亿度/年（图1）。

图1 | 全球和大陆尺度未开发水能经济潜力的空间分布和成本供给曲线。A, 未开发水能经济潜力的空间分布。每个国家的水能经济潜力是根据水电站位置进行评估；B, 各大洲的理论、可行和经济潜力的比例；C, 各大洲的水能成本供给曲线。

亚洲和非洲尚未开发的水能经济潜力占全球85%，未开发的水电站位置主要分布在中国、缅甸、印度、巴基斯坦、尼泊尔和非洲的刚果民主共和国、埃塞俄比亚和赞比亚等。

其中，2021年中国水电发电量1.3万亿度，同时中国也拥有世界上最大的未开发水能经济潜力（表1）。未开发的水电站位置主要集中在西藏、四川、云南和贵州等多山省份（图1）。中国未使用的水能经济潜力（2.25万亿度/年）可以满足目前30%的全国电力需求。

表1 | 全球主要水电国家的理论水能潜力、未开发可行、未开发经济潜力和国家未开发水能经济潜力占国家总发电量的比值(P/T)。P/T比值大于1，表明国家未使用的水能经济潜力发电完全可以满足该国家总电力需求。水能潜力的单位为TWh yr-1。

亚洲和非洲的许多国家仍有非常大的水电发展潜力，喜马拉雅山脉区域具有最大的水电发展潜力，目前该区域有很多水电站已经在建设中。但由于该地区国际地缘政治环境复杂，中国、印度、不丹和孟加拉国需要加强在水电开发和国际流域管理方面的合作。

同时，非洲是世界上人口自然增长率最高的大洲，而水电站在非洲尚未被大规模开发，大规模开发水力资源可以很好地提升非洲的粮食安全、能源安全、水资源安全水平。

南方科技大学研究助理教授徐荣嵘为论文第一作者，曾振中为通讯作者，南科大是论文第一单位。合作作者包括南科大环境科学与工程学院讲席教授郑春苗、刘俊国，助理教授叶斌，研究助理教授王大山，博士生何心悦、邹俊宇，加州大学圣迭戈分校助理教授潘铭，博士后杨媛，梅州大学教授Alan D. Ziegler，北京大学助理教授林佩蓉，利兹大学教授Joseph Holden、Dominick V. Spracklen、Lee E. Brown，哥德堡大学教授陈德亮，浙江大学副教授徐海巍，穆尔西亚大学助理教授Sonia Jerez，得克萨斯大学奥斯汀分校教授杨宗良，新加坡国立大学研究员李东锋，三峡集团教授级高工黄俊灵，弗吉尼亚大学教授Venkataraman Lakshmi与普林斯顿大学教授Eric. F. Wood。

该成果得到了国家自然科学基金、玛丽居里创新项目、Euro-FLOW项目等的大力支持。