电力
水力发电
水电 - 清洁能源的沉睡巨人
水能为整座城市供电吗?水电已有数千年历史,如今主要有三种形式:水库大坝、径流式系统和抽水蓄能。我们来看看它们各自如何运作,以及抽水蓄能如何与风能和太阳能配合,像一块巨型水电池,还会介绍更好的规划和设计如何减少对人类和生态系统的影响。
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解决方案评分
- 影响4 / 5如今规模最大的可再生能源,还有更大潜力。它还能提供关键的储能。
- 速度2 / 5大型水坝的审批和建设都要花很多年。
- 成本3 / 5前期投入巨大,之后几十年都能用上便宜电力。
- 成熟度5 / 5历史最悠久的大规模可再生能源,全球都在使用。
- 自然影响2 / 5水坝会阻断河流、淹没栖息地,还可能迫使社区搬迁。
指南
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测验
第 1 题,共 10 题
古希腊人用水车做什么?
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旁白稿
只靠水,就能给整座城市供电吗?
有一种可再生能源,比其他所有可再生能源都更强大,发电量远超风能和太阳能[1,2,3]。它叫水力发电,利用水的流动来产生巨大的能量。
随着能源转型全面展开,水电潜力巨大[3,4,5]。风能和太阳能快速发展,要在2050年前实现净零排放,水电发展也得同样加速[5-9]。
那么,这项技术最近有哪些进展,又该怎样释放它真正的力量?
自文明诞生以来,人类就明白水就是力量。回到2,000年前的古希腊,你会发现,在美丽的群山和阳光明媚的草原之间,希腊人已经在用水轮把小麦磨成面粉[10,11,12]。
后来,罗马人把这个过程工业化了,在法国南部的Barbegal建起了一座惊人的生产工厂[13-18]。考古学家认为,那里用16座水力磨坊每天最多能磨出25公吨[16,17]面粉,足够养活附近阿尔勒市的所有居民[11,16,18]。
几个世纪以来,人类不断找到利用水力的新方法。如今,水电供应了全球约14%的发电量[1,2],仅次于煤炭和化石燃气。
但它是怎么运作的?水电站主要有三种类型[19]:
类型1:水库。
最常见的一种是在河上修建大型水坝,形成一个比河流其他部分更高的水库。每当需要能源时,上方水库的水就会被放出,向下游流去。借助高度差,流动的水会带动一系列位于较低处、并连接着发电机的水轮机旋转[19]。瞧,发电机就发电了。
不过,建设水库是个大工程,会淹没土地,也会切断河流的自然流动[20]。但还有另一种选择…
类型2:径流式。
这种简单的系统在全球广泛使用,有没有水坝都能运行。基本上,当河流自然向下流时,你可以做一个小型分流 - 这样一来,一部分河水就会被引进渠道。接着,渠道里的水流过管道,带动水轮机转动,成了:有电了![19,20]
但附近没有河流,水电还有可能吗?当然可以…
类型3:抽水蓄能。
这里有两个水库,一个在低处,一个在高处。它可以和另一种可再生能源结合,比如太阳能。
白天阳光充足时,太阳能板可能会发出过多的电。通常这些多余的电会被浪费掉,但如果把它用来驱动水泵,就能把水抽上坡,送进高处的水库[19-23]。
夜晚没有阳光时,用电需求通常更高,高处水库的水就可以放下来带动水轮机,按需发电。
它就像一块巨型可充电水电池。事实上,这些抽水蓄能系统占全球长期储能的90%以上[5,22]。
水电系统不一定需要大规模建设。它们可以小得多,甚至能装进你的后院。你只需要有高度差,并能获得足够的下落水流[24]。而且别被它的体积骗了!一个小小的本地系统,就能为一个小村庄提供足够的电力[19,25,26]。
那么,水电能帮助引领我们走向净零排放吗?
不幸的是,水电并非一帆风顺:它也面临一些障碍[27,28]。
第一个问题是社会性的:这些建设项目可能导致社区居民搬迁。事实上,对于大型水库大坝,数十万人可能不得不离开家园,搬到别处[29-32]。
第二个问题是环境性的:如果规划不当,大坝可能会对周边环境和栖息其中的野生动物造成巨大破坏[33-36]。
但只要方法得当、不断创新,水电就能在减少CO2排放中发挥关键作用[27,37]。人们正在提出一些解决方案:[38,39]
比如,征询当地社区的意见,让他们能参与决策,从而直接受益于项目[40,41]。
还必须实施环境影响评估,也就是EIA,以尽量减少对周边环境的伤害[42,43,44]。
专家们也在努力开发更好的技术,比如鱼道和对鱼类更安全的水轮机[45,46,47]。
世界似乎已经忘了水电,但它就像一个沉睡的巨人,全球大部分潜力都还没被开发。正好。估计到2050年实现净零排放,需要将全球水电装机容量翻一番[5,6]。
随着风能和太阳能增长,扩大抽水蓄能储能也将至关重要,以支持这些间歇性的能源供应[5,22,23]。
只要以负责任的方式规划,水电就能引领摆脱化石燃料的转型,因为它强大、可靠,而且可以按需供电。
专家顾问
2
我们要感谢
Dr. Sam Williamson
布里斯托大学
电气、电子与机械工程学院
Prof. Peter Meusburger
格拉茨工业大学
流体机械研究所所长
更多视频
17 个链接
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水电的争议 - 影响与解决方案
抽水蓄能水电
延伸阅读
21 个链接
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历史
- 水磨 - Encyclopedia MDPI
- 水车 | 历史、类型与用途 - Britannica
历史 - 巴贝加尔
- 一座大型水力工厂曾帮助为罗马水手生产食物 - New Scientist
- 巴尔贝加尔水磨坊的独特水力系统 - 世界上第一座工业工厂 - ScienceDaily
- 罗马水车 | 我们智慧的引擎 - Cullen College of Engineering
工作原理
- 水电站类型 - Department of Energy
- 抽水蓄能水电:太阳能和风能的水电池 - IHA
- 储能的未来:抽水蓄能如何帮我们实现净零排放目标 - SSE
- 微型水电系统规划 - Department of Energy (archived)
- 水电基础知识 - Renewables First - The Renewable Energy Company
影响
- 探讨水电能源的利与弊 - Earth.Org
- 大坝如何破坏河流 - American Rivers
- 为什么我们不多关注水电? - MIT Climate Portal
- 水力发电对环境的影响 - Union of Concerned Scientists
解决方案 - 鱼道和机制
- 鱼类如何在水电大坝中存活? - Department of Energy
- 水电:改善鱼类生存条件 - Statkraft
- 新一代水电大坝让鱼类直接游过 - Reasons to be cheerful
案例研究
- 中国三峡大坝,数据一览 - National Geographic
超出范围 - 气候变化下的直接风险和应对
- 水电站的适应方案 - Climate Adapt EU
- 水电在气候减缓与适应中的角色演变 - IHA
- 追踪水电的碳足迹 - US Department of Energy
参考资料
58 个链接
这里的所有链接内容都是英文。
- [1] Renewables 2024 - Analysis | IEA(见参考注释*)
- [2] Global Electricity Review 2025 | Ember(载于:水电在发电量中的占比 | Our World in Data)(见参考注释*)
- [3] 水电 | IEA
- [4] 全球水电装机容量未达净零排放目标 | Energy Institute(另见Statistical Review of World Energy 2025 | Energy Institute)
- [5] 2024 World Hydropower Outlook | IHA(新闻稿:Prometheus Institute)
- [6] IEA净零排放报告呼吁到2050年将水电装机容量翻倍(数据来源:Net Zero by 2050 - A Roadmap for the Global Energy Sector | IEA)
- [7] 要实现气候目标,水电和其他可再生能源需要加快审批 | IHA
- [8] 水电不断变化的角色:挑战与机遇 | IRENA
- [9] Bali Statement on Powering Sustainable Growth | World Hydropower Congress
- [10] 能量转换 - 历史、技术、过程 | Britannica
- [11] 水车 | 历史、类型与用途 | Britannica(见参考注释*)
- [12] 水磨坊 | Scholarly Community Encyclopedia(改编自:水磨坊的可持续与再生发展 | Water)
- [13] 法国:Barbegal水磨坊 - 罗马的革命性动力 | World Archaeology
- [14] 重建世界首个工业综合体-公元2世纪法国Barbegal水磨坊的水力系统 | Scientific Reports(新闻稿:Barbegal水磨坊独特的水力系统,世界首座工业工厂 | ScienceDaily)
- [15] Barbegal磨坊综合体的运行与衰落:古代最大的工业综合体 | Geoarchaeology(新闻稿:碳酸盐层揭示Barbegal的运行与衰落:最大的古罗马水磨坊综合体 | Archaeology News Online Magazine)
- [16] 公元2世纪Barbegal罗马水磨坊:揭开最早工业综合体之一的谜团 | Science Advances(载于:一座巨大的水力驱动工厂帮助为罗马水手制作食物 | New Scientist)(见参考注释*)
- [17] Barbegal:碳酸盐印记让欧洲首个工业综合体开口说话 | Journal of Archaeological Science
- [18] 一座罗马工厂 | Scientific American(载于:罗马水车 | The Engines of Our Ingenuity | Cullen College of Engineering & Barbegal的罗马面粉磨坊 | WaterHistory.org)(见参考注释*)
- [19] 水电站类型 | Department of Energy
- [20] 可持续能源供应背景下的水电:技术与挑战综述 | ISRN Renewable Energy
- [21] 水电能源的优缺点 | Earth.Org
- [22] 抽水蓄能水电:太阳能和风能的水电池 | IHA
- [23] 储能的未来:抽水蓄能如何帮我们实现净零排放目标 | SSE
- [24] 规划微型水电系统 | Department of Energy(存档)
- [25] 水电基础知识 | Renewables First - The Renewable Energy Company
- [26] 微型水电系统在偏远农村电气化中的作用 | Procedia Engineering
- [27] 21世纪的可持续水电 | PNAS
- [28] 为什么我们不多关注水电? | MIT Climate Portal
- [29] 中国三峡大坝:数据一览 | National Geographic
- [30] 水电项目的社会影响与社会风险 | United Nations
- [31] 大坝和水电的社会影响(载于:《社会影响评估与管理手册》) | ElgarOnline)
- [32] 发展中国家大型水电站开发对当地社会经济的影响 | Energy Economics
- [33] 水电的环境影响 | Union of Concerned Scientists
- [34] 水电对河流生物多样性的影响 | Nature Reviews Earth & Environment
- [35] 水电发电的影响以及瑞典河流系统环境流量管理的机会 | Freshwater Biology
- [36] 基于能源网络模型评估水电建设对河流系统的累积环境影响 | Renewable and Sustainable Energy Reviews
- [37] 水电特别市场报告 | IEA
- [38] 如何让水电更环保 | Ensia
- [39] 水电环境缓解技术 - 总结报告 | NHA
- [40] 建立联系:社区参与持续的重要性 | HydroReview(存档)
- [41] 水电利益共享与安置:概念性综述 | Energy Research & Social Science
- [42] 水电 - 环境影响评估(EIA) | Energypedia
- [43] 可持续水电开发的ESIA和SEA | Netherlands Commission for Environmental Assessment
- [44] 水电项目环境影响评估指南 | EU4Environment
- [45] 鱼类如何在水电大坝中存活? | US Department of Energy
- [46] 水电:改善鱼类生存条件 | Statkraft
- [47] 美洲鳗安全通过新型水电涡轮机(载于:新一代水电大坝让鱼直接游过去 | Reasons to be cheerful)
参考注释
2
2024年,风能和太阳能合计发电量占比首次超过水电 [2]。目前,水电仍是遥遥领先的最大可再生能源发电来源,预计到2028年依然如此。不过到2030年,预计太阳能光伏将成为最大的可再生电力来源,其次是风能,两者都将超过水电 [1]。
巴尔贝加尔水力磨坊的用途:据称,巴尔贝加尔水力磨坊磨出的面粉足以养活附近阿尔勒市的全体居民 [11,18]。不过,尽管这一说法可能属实,最新证据表明,这座设施是间歇使用的,每次会中断数月。这座设施更可能主要用于为附近的阿尔勒和福塞马里亚纳港口制作船用面包和耐储存的硬饼干,而不是持续向该市供应面粉 - 这些食品足以供出海数月的水手食用,而非供全体居民食用。





























