要电还是要水?2022年底即将开工的黑山峡水电站对中国的意义超过三峡水电站,要电,让黄河水资源发电,然后流到下游,要水让黄河在中游流入沙漠成为内流河,400亿吨水直接浇灌超过1亿亩耕地,为中国提供广阔发展空间。国力也会大增。采用抽水储能的黑山峡水电站结合沙漠超过1万平方公里的光伏发电得到稳定电力也超过三峡发电量,至少1500亿度。

黑山峡多年径流量为338亿立方米,最大径流量为529亿立方米,最小年径流量为223亿立方米。这数百亿吨水将会被截流在黄河上游。

如何改变?截流的400~500亿吨水将会在黄河中游创造出一个媲美华北平原的新发展空间。

后期增加抽水储能功能的黑山峡大柳树水电站将是关键的工程,其意义远超三峡水电站。2022年即将开工的传统水电站也不影响其后续升级。

要电还是要水?这是一个很需要智慧的选择题。让我们先看一组数据

2021年,青海省共和县光伏发电站基地的面积已经达到了609平方公里,超过新加坡国土面积,总装机容量达到了9000多兆瓦,年平均发电量也达到了96亿千瓦时。按2022年光伏EPC折算总投资在350亿。

黑山峡大柳树水电站位于宁夏中卫市最大坝高164m,坝顶长710m,总库容110亿立方米,最高水面海拔1380米,年平均发电量 78亿千瓦时,施工工期7.5年,总投资114亿元。

由上面的对比发现,黑山峡要水还是要电是不难做出选择的。

每一个中国人都会选择要水,放弃发电。因为水资源创造的价格更高。

或者说黑山峡水电应该放弃传统的水电站模式,要建成一个抽水储能型的电站。

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白天使用光伏发电抽水,夜晚使用水力发电。抽水发电不是一次建成,在传统方式大柳树水电站建成之后,水库河道两边建立多个两级抽水蓄能发电站。如图1所示。

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图 1 两级抽水储能电站

两级抽水储能电站,将会得到三个水位用于灌溉分流。坝下水库水位在1220米,会宁夏及黄河中游河谷地区灌溉,坝上水库水位在1380米左右,用于自流去宁夏河谷高海拔地区,毛乌素沙漠和库布齐沙漠。上水库海拔在1550米,用于自流去腾格里、乌兰布和沙漠。

其中自流去腾格里沙漠低于1350米的地区,可以利用坝上水库1380米水位自流。

当前规划的大柳树水电站,并没有将抽水储能作为一个最重要的手段,发电之后水位下降到1220米,并不能覆盖中游严重缺水地区。

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引水水位1350米可以覆盖黄河北岸,超过1亿亩的沙漠地区,该区域也是光照条件最好的地方,将会是光伏发展的主力地区。调水线路如浅绿色所示,取水点是1350米,受水区域出水口是1300米,调水线路长度在70公里以内,55公里是明渠,15公里是直径16米浅隧洞,年调水200亿吨以内。

来源微信公众号:大国科技学苑。 编辑:李小侠 微信号:kejigujin。

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引水水位在1350米,黄河水自流覆盖大部分宁夏河谷地区,也可以调到黄土高原。但成本仍偏高,调了水去灌溉就不能发电。而抽水储能加灌溉的方式可以解决储能,并能将水在高位引出灌溉,最重要是发电一吨水160米的落差其理论电能只有0.5度。发电收益最多只有0.15元。光伏发电已经度电成本可以低至0.15元。考虑储能需求,将水反复抽储,其收益仍来自电费。如果高位1350米的黄河水能够卖到0.5元一吨,那么收益将是直接发电的三四倍之多,也可以大幅降低抽储成本。这种灌溉加储能的工程是能源科技发展的重要力量。

黄河中游有超过2亿亩耕地的受水区域,水资源400亿吨只能浇灌1亿亩,还要分配给上游城市使用。也就是说,黄河上游的水资源仍是严重缺乏的。400~500亿吨水资源将会蒸发,再次变成降雨,大概率会在中国干旱的西北地区降雨,水资源要是一年循环4次,留存75%蒸发量在西北。数年后,黄河上游水资源将会翻倍变成1000亿吨,这么多的水资源足够解决西北和内外蒙的干旱问题。也为中国新增超过2亿亩耕地。

我们回到要水还是要电的选择题,水力发电的70多亿度电能实际已经利用到了。灌溉所用的电能是光伏储能。这种两级抽水储能电站的最小落差超过100米,成熟技术能够做到效率超过75%,较好的情况能达到82%。为什么不去建落差更大的抽水储能电站,这个话题后续文章讨论。

黄河下游华北平原用的水是从三峡水库,汉江上游调来的500亿吨。不存在缺水问题。

因为三个方向的分流,即便发生如海原大地震8.5级,20世纪中国最大的地震。也不会造成溃坝。因为抽水储能电站能将大坝做成堆石坝。不用考虑排泥排沙,坝体厚1公里都是可以的。

塔克拉玛干沙漠,是中国最大的沙漠,也是世界第十大沙漠,同时亦是世界第二大流动沙漠。整个沙漠东西长约1000公里,南北宽约400公里,面积达33万平方公里。平均年降水不超过100毫米,最低只有四五毫米;而平均蒸发量却高达2500~3400毫米。如果要蒸发和降雨平衡,每年需要的水资源至少约8000亿吨。塔里木河年径流量超过400亿,仅为需求1/20。如果蒸发量只有400毫米,就是半湿润地区的标准,那么,每年需要1320亿吨。考虑现有的400亿吨,也就是至少要往塔克拉玛干沙漠调水约1000亿吨每年。然后,任何的工程必须要有消费者,调水工程也是如此。少量调水或许能工程实现。

弱水(甘肃黑河流域)丰年流量最大达到100亿吨(常年在40亿吨以上),其出山口海拔都在1400米以上,可以通过几十公里的隧洞,将弱水(甘肃黑河)上游的所有水源都调配到疏勒河,流入敦豪,罗布泊。在黄河恢复居延海4000平方公里面积之后,弱水(甘肃黑河)流量超过200亿吨呢?考虑塔克拉玛干沙漠周围都是超过3000多米的高山,水资源在区域内循环,若干年后会不会变得湿润?会不会变成草原?

如此庞大的工程需要多少投资呢?能否实现商业化,国家不用投资一分钱通过社会资本建设就能实现新增超过2亿亩耕地,数亿亩草场。。在文章的最后给出初步工程成本概算。

在黄河上游,通过黑山峡,乌海两个抽水储能电站,将黄河上游500亿吨完全截流,留在黄河上中游地区,获得超过2亿亩的新增耕地。这是可以商业化的超级工程。假设从黄河下游购买水权的成本1~1.5元每吨。每年需要成本在500亿~750亿。以小麦的耗水量一般每亩260—400立方米,折算每亩需要成本312~680元。这个成本是目前农业用水能够接受的价格,能够接受调水水权费用提前是地租为零,工业或城市生活用水1.5元每吨的水权价格完全可以接受。

如此,获得至少7500亿初始投资,年化收益4.5%,25年回本,每年还款506亿。

即使用来建设红旗河也能实现六分之一的规模。

更优的工程方案是:从三峡库区调水350亿吨,其中200亿吨到丹江口坝下汉江下游,另外的150亿吨通过丹江口水库到淮河流域,置换500亿吨汉江\淮河水到黄河,海河流域。丹江口水库以北180米上水库全部到黄河北岸。当黄河下游不再缺水,置换黄河上游500亿吨水,在乌海或黑山峡将黄河截流,分流,用于海拔800~1500米以上的平坦高原,增加超过2亿亩的优良耕地,西北生态环境将会得到极大改善,恢复被人类破坏之前的状态。

长江流域每年有超过12000亿吨入海,调走350亿吨占比不到3%,对长江下游完全没有影响。

如何在黄河上游截流?

流出黑山峡水电站后水位低于1220米,电站水位最高1380米。如果水位上调到1400~1550米会淹没黄河河谷的白银兰州等地的城市,得不偿失。电站建成之后,采用抽水储能方式将黄河水位抬高到1380~1550米。500亿吨水,160米落差,需要电能250亿度,吨水耗电成本0.1元。调水度电收益高于储能,相当降低了储能成本。

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图 1 黄河北岸调水线路

其中1380米水位可以覆盖阿拉善大片,见图1,图2.调水线路总长340公里,有40公里是埋深80米的隧洞。受水区域面积超过0.3亿亩

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图2阿拉善地区低洼地带受水区域

阿拉善盟面积27万平方公里,黄土高原也有超过30万平方公里。如果黄河有足够的水(超过2000亿吨,至少能开发出超过5亿亩耕地,超过东北平原)

1450米水位可以覆盖腾格里沙漠,巴丹吉林沙漠低海拔地区和民勤绿洲全境,石羊河自流去更高海拔地区。调水线路见下图,全程明渠。也可以通过隧洞达居延海。

1550米取水水位可以全程自流到居延海,调水线路长600公里,全程明渠。黑河(弱水)1450米以上至少有40亿吨,可以自流跨过嘉峪关后去玉门低海拔地区。

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图 3 调水去青土湖线路

上面的调水线路因地图精度问题,不一定可行。调水去青土湖,居延海和阿拉善等地区,受水区域超过2亿亩,需要恢复到秦汉时期的生态,调水需要至少十年,5000亿吨。

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图 4 自流去居延海的线路图

而且这些调水线路,存在一个问题就是抽水去灌溉。即便能源再便宜,500亿这么大的基数,每年耗费在能源上的成本也是极高的。虽然农业灌溉能够消纳这部分成本。但目前看来仍旧不可行,只有将这部分调水作为储能的补充,作为风光电力消纳的主力。

诚然,调水是为了恢复生态,在经济账可行的情况下,多调一些水何尝不可?

工程技术可行,经济可行的工程规划基于下面4个事实:

1:调水水价1.5元/吨(沙漠地区农业灌溉只收水费不收地租),储能度电收益0.08元(大于75%抽发效率)。抽储发电量400亿度以上。调水350亿吨和储能收益年收入超过550亿。在利率4.5%,连本带利25年还清设定下,可以获得初始投资7500亿。这足够实现超级调水工程了。(请注意还有150亿吨水,不收费的)

2:西部光伏电价低于0.15元每度,在储能需求下,当前水电占比14%.而未来抽水储能发电量占25%以上.意味着抽水储能调配的水资源,是当前全国已开发的水力电力资源的两倍.就相当于说把全国在运行的水电站水库里的全部水逆方向抬高两倍.举例说明就是,三峡水库年径流4500亿吨,落差115米.抽水储能需要将这4500亿吨水抬升230米,然后让这些水资源流到合适的地方.解决水资源的问题.比如流到西北新疆.

3:吨水落差160米,理论电能约0.5度,抽水能源成本不到0.1元。要水还是要电?能源发展趋势不会止步于调水工程,未来几十年人们的吃穿住行,社会生产力将会因为0.1元每度电发生翻天覆地的变化,低廉能源加上人工智能彻底解放人类。调水工程,只是牛刀小试小菜一碟。

4:2030年后合成淀粉和糖等技术的突破,中国还要不要这么多的耕地呢?西部地区光照非常充足,未来光伏发电占主力,必须发展抽水储能技术。光伏发电+储能的规模是当前水利规模的2~5倍之多。中国电力消耗量未来50年至少增长到当前200%~300%,为了更稳定和更多的能源。调水能够降低储能成本,这些工程必须去做。

基于上面4个事实,下面开始如何将三峡水库350亿吨水,调配到西北地区。

在上游截流黄河之后,华北平原用水从哪里来呢?