水力发电：水电站原理、类型与成本

水力发电做的事情很简单：把从高处落下的水所带的势能变成电。它是人类最早利用的可再生电源，到今天也仍是规模最大的一种。2025 年，全球水电发电量约 4,400 TWh，约占世界总发电量的 14%，比核电、风电或光伏里任何一种单独拿出来都多。按国际水电协会（International Hydropower Association，IHA）的统计，把抽水蓄能也算进去，全球水电装机容量约为 1,400 GW。水电还能提供风电和光伏自己给不了的东西：大规模、长时间的储能，以及几分钟之内就能跟上负荷变化的可调度出力。正因为有这份灵活性，水电成了挪威、巴西和加拿大电网的骨干；在其他国家，它也越来越成为风电、光伏这类波动性可再生能源的重要搭档。

水力发电的原理

蓄在高处的水具有势能。水沿着一根叫作压力管道的管子往下流，越往底部，压力越高。随后水流穿过水轮机，水轮机的转轮把水的压力和流速转换成旋转运动。装在水轮机主轴上的同步发电机发出与电网同频率的交流电，再经过变压器升高电压，送上输电线路。

一座电站能发多少电，只取决于厂址的两个变量：一是流量，二是水头，也就是水下落的垂直高度。

功率和流量成正比，和水头也成正比。所以，山里一条水量不大、落差却有 600 m 的小溪，发出的电可以和平原上一条水量很大、落差只有 6 m 的河流一样多，只不过两者需要完全不同的水轮机。想算一算自家附近的小溪能发多少电，可以用微型水电计算器，它用的就是这个公式。

水轮机类型

• 混流式水轮机（Francis 水轮机）属于反击式水轮机：水经过可调节的导叶沿径向流入转轮，再沿轴向流出。它的适用范围最广，水头从约 10 m 到 700 m 都能用，世界上大多数大型水坝都靠它发电，三峡和伊泰普的 700 MW 机组也是混流式。峰值效率超过 94%。
• 轴流转桨式水轮机（Kaplan 水轮机）是一种桨叶角度可调的螺旋桨型反击式水轮机，专为低水头（约 2–40 m）、大流量的场合设计，大江大河上的径流式电站常用它。灯泡贯流式水轮机是它的变体，发电机密封在过流通道里面，能在极低的水头下工作，潮汐坝用的就是这种机型。
• 冲击式水轮机（Pelton 水轮机）的工作方式不同：喷嘴射出高速水柱，冲击转轮上一圈勺子形状的水斗。它适合水头高（约 200 m 到 1,800 m 以上）、流量中等的场合，阿尔卑斯山区和挪威的电站大量采用这种水轮机。
• 横流式和斜击式水轮机（Crossflow、Turgo）在小水电领域占有一席之地。在那里，造价低、经久耐用比峰值效率更重要。

主要类型

水库式（蓄水式）水电

在河道上筑起大坝，把河流拦成水库，水就能存上几天、一个季节，甚至好几年。运营方挑电价最高的时候放水发电，所以这种电站就像一块巨大的电池，靠降雨和融雪来充电。水库往往还要承担灌溉、防洪和城市供水，这些用途有时会和发电互相冲突。世界上最大的几座水电站全是水库式：中国的三峡（Three Gorges，22.5 GW，正常年份发电约 100 TWh）、白鹤滩（Baihetan，16 GW），巴西与巴拉圭边境的伊泰普（Itaipu，14 GW，创下过年发电量超过 100 TWh 的纪录），中国的溪洛渡（Xiluodu，13.9 GW），巴西的贝罗蒙特（Belo Monte，11.2 GW），以及委内瑞拉的古里（Guri，约 10 GW）。

径流式

径流式电站把河流的一部分天然来水，通过渠道或隧洞引到水轮机；也有的直接建在低矮的拦河堰后面，几乎没有库容（通常最多只能调节几个小时）。所以它的出力完全跟着河水走，在春季融雪或雨季达到高峰。这类电站淹没土地少，移民问题也小得多，但鱼类洄游通道和最小生态流量这两个问题仍然绕不开。欧洲的多瑙河、莱茵河和北美的哥伦比亚河上，有许多大型电站基本上都按径流式方式运行。

抽水蓄能

抽水蓄能电站在一高一低两个水库之间来回调水：电便宜或电量富余时，把水从下水库抽到上水库；电力紧张时，再放水发电。现代可逆式水泵水轮机的往返效率约为 70–85%。全球抽水蓄能装机约 180–190 GW（IHA，2024），按储存的能量算，仍占全球储电总量的 90% 以上；新增装机方面，中国遥遥领先。目前世界上最大的抽水蓄能电站是河北丰宁电站（Fengning），装机容量达到 3.6 GW。还有一种“闭式循环”或离河式方案，完全不占用河道，澳大利亚国立大学（Australian National University）的研究团队已经在全球范围内找出了几十万个潜在的离河站址。你可以用抽水蓄能计算器估算一个项目的规模，也可以到电池储能页面，把它和电池放在一起比较。

小型、迷你和微型水电

这几个概念各国定义不一。小水电通常指装机 10 MW 以下（有些国家把线划在 30 MW 或 50 MW），迷你水电指 1 MW 以下，微型水电指 100 kW 以下。在尼泊尔、秘鲁和东非，很多远离电网的偏远村庄都靠微型水电用上了电。只要附近有一条水流稳定、落差够用的溪流，它往往就是最便宜的离网电力来源。

效率和容量系数

论能量转换效率，没有哪种发电技术比得上水电。维护良好的大型水电站，从水到上网电能的效率能达到 90–95%；相比之下，火电厂只有 35–60%，光伏组件约 20–23%。容量系数却是另一回事：它首先受来水多少的限制，其次还取决于电站是专门顶尖峰负荷，还是按恒定出力运行。

根据国际可再生能源署（IRENA）的成本数据库，近几年新投运水电的全球加权平均容量系数约为 45–55%，各项目之间差别很大。挪威和瑞士的调峰电站，在设计阶段就只打算每年运行较少的小时数；赤道附近来水稳定的河流，电站运行时间就长得多。水电出力还会随降雨逐年起伏。2022 年的欧洲、2022–2023 年中国的四川和云南、2021 年的巴西，都因为干旱导致水电出力大幅下降。对依赖水电的电力系统来说，这是一项正在不断加大的气候风险。

成本

水电是资本密集型产业，每个站址的条件都不一样，但电站一旦建成，就能在几十年里持续发出便宜的电。IRENA 在 Renewable Power Generation Costs in 2023（2024）中给出，2023 年投运水电的全球加权平均平准化度电成本（LCOE）约为每 kWh 0.057 美元。总安装成本平均约为每 kW 2,800 美元，比本十年初有所上升，原因是新站址越来越偏远，工程也越来越复杂。单个项目的成本跨度很大：中国、巴西和非洲的大型电站低于每 kWh 0.03 美元，条件困难的小型或偏远站址则远高于每 kWh 0.15 美元。Lazard 每年发布的 LCOE+ 报告，没有对新建水电做详细分析。美国国家可再生能源实验室（NREL）的 ATB 数据库把美国在未开发河段上新建的水电列为较贵的可再生能源之一，因为美国最好的站址几十年前就已经建了坝；相比之下，改造现有水坝，或者给原本不发电的水坝加装水轮机，往往便宜得多。

有两个因素会让简单的 LCOE 比较失真。第一，土建工程能用上一百年，按 30–40 年折旧完毕的电站，还会以极低的边际成本继续发电；欧洲和北美现役的水电机组，很多是 1980 年以前建成的。第二，成本超支非常普遍。Ansar 等人（2014）分析了全球 245 座大型水坝的数据，发现按实际价值计算，平均超支约 96%，工期平均拖延 44%。抽水蓄能更适合用平准化储能成本（LCOS）来衡量，在八小时及以上的储能时长上，它通常要和电池竞争。

土地、水和材料

大型水库要淹没大片土地。按单位能量计算，不同电站的占地相差好几个数量级：高水头的高山电站，每 MWh/年远低于 1 m²；平原上的浅水库则要几十平方米。巴西的巴尔比纳（Balbina）电站就是一例，为了 250 MW 的装机，淹没了约 2,400 km² 土地。三峡工程淹没约 630 km²，约 130 万人不得不搬迁。世界水坝委员会（World Commission on Dams，2000）估计，全球有 4,000 万到 8,000 万人因建坝失去家园，其中很多人没有得到公平补偿。

水电不像火电那样靠冷却水消耗大量用水，但水库表面会蒸发，在炎热干燥的地区，每发一 MWh 电蒸发掉的水量可能相当可观。大坝把河流截成一段一段，拦下本该流到下游、补充三角洲和农田的泥沙，还会改变水温和水中的溶解氧。水电站用的材料主要是混凝土、堆石和钢材。由于使用寿命极长，摊到全生命周期发出的每 MWh 电上，材料用量非常低。

全生命周期 CO2 排放

在所有可再生能源里，没有哪一种的排放范围像水电这样宽。政府间气候变化专门委员会 IPCC 在 AR5 第三工作组附录 III（2014）中给出的中位数约为 24 gCO2e/kWh，范围从约 1 到 2,200 gCO2e/kWh。高水头的高山电站和北欧电站处在最低一端。极端高值来自少数热带浅水库：库区淹没的植物和随河水流入的有机物，在缺氧条件下腐烂，产生的甲烷会从水库表面、从水轮机和泄洪道（所谓“脱气”）以及更远的下游河段释放出来。联合国欧洲经济委员会（UNECE）在 2021 年的评估中把最极端的水库排除在外，给出代表性电站的范围约为 6 到 150 gCO2e/kWh。

高排放案例主要是甲烷造成的。按 20 年尺度计算，甲烷的全球增温潜势约为 CO2 的 80 倍。水库排放在蓄水后的头十年最高，具体多少取决于气候、水深、每 MW 装机对应的水面面积和有机物负荷。IHA 和联合国教科文组织（UNESCO）联合开发了 G-res 工具，如今这款工具应用很广，用来在水库开工之前估算它建成后的净排放。大多数温带和寒带水电站，以及一般的径流式电站，全生命周期排放和风电、核电差不多。

安全与环境影响

**大坝安全。**按每 TWh 平均，水电造成的死亡人数很少，但它的风险分布有一条很重的“长尾”。1975 年，台风“妮娜”（Typhoon Nina）带来的极端降雨，冲垮了中国河南省的板桥（Banqiao）和石漫滩（Shimantan）两座水库，进而引发下游几十座水坝相继溃决。死亡人数估计从约 26,000 人到超过 170,000 人不等，后者计入了灾后的饥荒和疫病。其他重大溃坝事故还有意大利的瓦依昂（Vajont，1963 年，约 2,000 人死亡，起因是山体滑坡掀起巨浪漫过坝顶）和印度的马丘二号（Machchu-II，1979 年）。现代大坝工程技术、按极端洪水标准设计的泄洪道、日常监测和应急预案，已经让灾难性溃坝变得很少见。不过，水坝日渐老化，气候变化又带来更强的降雨，这方面的担忧正在加重。

**生态影响。**大坝挡住了鲑鱼、鲟鱼和鳗鱼等洄游鱼类往返于上下游之间的去路。鱼道、旁通渠和对鱼类友好的水轮机可以减轻危害，但很少能彻底消除。水流节律改变后，湿地和河漫滩会受到影响；“调峰泄流”（为了跟随用电负荷而突然加大或减小流量）也会伤害下游的河流生物。欧洲和美国已经拆除了一些水坝，比如华盛顿州埃尔瓦河（Elwha River）上的大坝，结果显示鱼类种群能恢复得相当快。

**社会影响。**移民安置、农田和文化遗址的损失，再加上跨境河流引发的纠纷（尼罗河上的埃塞俄比亚复兴大坝（Grand Ethiopian Renaissance Dam）、湄公河、印度河），让大型水电在政治上始终争议不断。为此，IHA 制定了水电可持续性标准（Hydropower Sustainability Standard），对公众协商、移民补偿和生态流量分别设定了评判准则。

以水电为主的电力系统

有几个国家的电力大部分来自水电。挪威近 90% 的电来自水电，它还借助庞大的水库，通过跨国联网线路为北欧和欧洲大陆的电力市场提供调节。巴西历来约 60% 的电力来自水电，主要靠伊泰普、贝罗蒙特和图库鲁伊（Tucuruí）水电群。加拿大约 60% 的电来自水电，主力是魁北克、不列颠哥伦比亚和马尼托巴三省，还向美国大量出口电力。巴拉圭、埃塞俄比亚、尼泊尔和刚果民主共和国，水电占比都超过 90%。想看这些国家具体有哪些电站、分布在哪里，可以打开发电厂地图。

前景

国际能源署（IEA）在 Hydropower Special Market Report（2021）中把水电称为清洁电力里“让人遗忘的巨人”，并预计随着优质站址基本开发完毕，加上社会和环境方面的反对声越来越大，中国以外地区的水电增长会放缓。新增的常规水电装机，大多集中在中国、印度、非洲和东南亚。抽水蓄能的增长速度比常规水电更快，背后的主要动力是平衡风电和光伏的需要；仅中国一国，在建或已获核准的抽水蓄能就远远超过 100 GW。还有几条路能在几乎不增加新影响的前提下拿到可观的收益：对欧洲和北美老旧机组做现代化改造和增容，给现有水坝加装发电机，在水库水面建设漂浮式光伏，以及让水电和光伏联合运行。气候变化对水电的影响有利也有弊：一些高纬度流域的来水会增加，地中海、南部非洲和南美部分地区的来水则会减少。技术对比页面把水电和其他电源放在一起比较；它在海洋中的“近亲”，可以看海洋能。