截至2018年底
当全世界发电量增速仅为3.7%时
中国却以8.4%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，摄影师@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。