14亿人全民通电，发电量增速领跑全球，中国是如何做到的？
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。
↑一群国家地理控，专注于探索极致世界
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即将建成
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
注定着水力发电在我国
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