2025年10月1日星期三

發電能力與科技發展

 現在的科技離不開電,18世紀的工業革命,靠的是蒸汽機,用的是煤炭。現在不管食衣住行,靠的幾乎都是電。特別是近年來的無線通訊,高速計算,交通運輸,全都靠電。現在的半導體技術,人工智慧,更是非電不行。我們可以毫不誇張的說,未來的科技發展完全看發電的能力有多強。


我最近查詢了一下各國發電的能力,很驚訝的發現,中國現在的每年發電量,居然佔了全世界的三分之一。他的量大約相當於美國,歐盟,印度,俄羅斯,的總和。不僅如此,他成長的速度更是驚人,遠遠超過世界上其他國家。從這裡不難看出,中國的未來科技將領先全世界。


中國在電力方面的發展,可謂一日千里。我在1990年第一次去大陸,從羅湖過了海關,幾乎一片的漆黑,到了上海,黃浦江對岸也是一片漆黑,啥也沒有。到了我的老家,在長江三角洲最精華的地段,我哥哥的家只有一盞經常不亮的電燈。可是30幾年後的今天,那裡城市的夜景大概是世界上最漂亮的,光彩奪目五顏六色的照明絕對是世界第一。在2024年他們全年的發電量已經高達10,000TWh 是1990年的16倍。圖一顯示出中國和美國是1990到目前發電量的比較,


圖一,從1990到目前,中國與美國發電量的比較。

在2010年以前,美國的發電量大於中國,但在此之後,中國的發電量就遠遠超過美國。在1990年,美國的發電量是中國的五倍,但到2024年,中國的發電量是美國的2.3倍。在這三十幾年間,美國的發電量增加了大約35%,但中國卻足足增加了16倍。





目前中國每年發電量,遙遙領先世界各大經濟體。圖二是中國,美國,歐盟,印度,俄羅斯這幾大國家及經濟體發電量的比較。中國的發電量甚至比這些主要國家的總和還要多。因為中國的人口多,所以人均發電量比不上美國,但是中國的電主要用於工業發展及基礎建設,所以中國所發的電推動了國家快速的現代化

圖二,中國的發電量與美國,歐盟,印度,俄國這幾個經濟體的比較。中國的發電能力約等於這四個區域的總和。


中國的用電主要在工業上,這當然與它是世界工廠有關,但還有一個重要原因是他們的基礎建設及高科技的發展。發電量快速的上升,正好反映在國家的現代化上。我曾在1990年訪問北京,那時只有兩條地鐵線,但現在有29條。中國自 2003年開始有高鐵以來,目前營運的里程數已經高達4.8萬公里,足足可以繞地球一圈有餘。而這些都是電氣化的。全國的鐵路運輸, 70%以上都已電氣化。美國在這些方面遠遠落後,不僅一條高鐵都沒有,鐵路電氣化的比例不到1%。中國電動車的數量也是世界第一。所以電力系統的發展促成了中國的交通運輸的進展,並且帶動偏遠地區的開發建設。中國的電動車也十分普及,據統計大約有三千七百萬輛汽車是電動車,在美國這個數字還不到中國的十分之一。電動車的大眾化也反應了供電的普及。


一個國家所有的能源消耗,遠大於所發的電。在中國每年所發的電大概占所有能源的24.6%。在美國這個值卻只有15.8%。換句話說,中國每年所消耗的能量有將近四分之一是電的形式,而美國卻遠小於這個數字。換言之美國還有很多能源屬於化石燃料。這背後的原因有:一,美國的交通運輸多半仍使用傳統燃料,如汽油,柴油等。而中國卻大量使用電器化的鐵路。二,美國工業化比較早,傳統產業的動力來源, 可能並沒有電氣化。三,美國的化石燃料資源豐富,在使用上的效率可能沒有優化。中國的工業起步較晚,使用的技術可能較為先進,自動化的程度也比較高,所以動力來源自然會選擇效率較高的電力。


在清潔能源上,中國的發展非常迅猛,圖三是中國在太陽能,風能,及水力發電與全世界其他國家的比較。其中風能佔了全世界的41%,太陽能佔了全世界的47%,水利發電佔了全世界的30%。這些數字都遠遠超過世界任何其他國家,特別是太陽能發電,快佔了全世界的一半

圖三,中國在風能,太陽能及水力發電上與世界所有其他國家的比較。在這些清潔人員上,中國的能力都領先全球。特別在太陽能方面,他的裝置容量約佔了全世界的一半。


在清潔能源上唯一稍微落後的是核能發電,次於美國與歐洲。目前美國的核能發電容量約為97GW,中國是61 GW。但中國在這方面發展非常迅速,無論在新建機組與技術創新都領先其他國家。根據世界核能協會,中國目前正在興建的核能機組約有30座,佔了全世界新建機組的一半,總裝機容量超過34GW。美國目前只有三座正在興建,這三座都是小型或微型機組,這很可能是未來美國核能發電的趨勢,小型分散式的模組,但每一機組發電容量相對較小,其進度遠不如中國。根據國際能源署(IEA) 估計,中國的核能發電將在2030年超越美國。


發電與輸送電本身就是高科枝,發電廠的建設,特別是清潔能源,受地理環境影響,必須選擇適當的地方。比如說水力發電通常是在山區水力充沛的地方,太陽能要在空曠陽光充足的沙漠地區,而風力電廠則可能在海邊風大的地方。所以長距離輸送電變得非常重要。目前中國在特高壓輸電方面的技術領先全球,所以有能力長距離供電而不致產生太多損耗。中國國土面積很大,偏遠地區所發的電就都能藉著這些傳輸技術送到全國各地。


中國電網建設了大量的 ±800kV 直流輸電線路和 1000kV 交流輸電線路,形成跨省、跨區的能源大動脈。在美國的輸電系統主要由地區性電網組成,缺乏大規模、長距離的跨區域UHV骨幹網。近年來有擴大跨區輸電的討論,但進展緩慢。中國有統一的國家電網,無論在規劃建設或電力調配上都有相當大的彈性。美國的電網則由眾多獨立的公用事業公司和不同的區域傳輸組織運營,缺乏統一的國家級電力規劃。


由於資訊科技,特別是AI,的快速增長,未來的電力需求將遠高於今天。目前美國所有數據中心所耗的電量高達176TWh, 約佔全國用電的4.4%。預計到2030年數據中心的用電量將高達1000TWh, 會佔到全國用電的12%。台灣雖然沒有如此龐大的數據中心,但我們的半導體產業耗電非常大,光是台積電一個公司所用的電就已經佔到全台灣的9%。台積電仍然在不斷擴廠,以因應高階半導體晶片的需求,以後的用電更是可觀。需求那麼高,但我們能發那麼多電嗎?這是一個很大的問題,不管美國或台灣都一樣。中國目前數據中心的耗電量據稱約在100-150TWh 之間,他未來發展的速度勢必很快。但他的優勢在於他的發電能力,如前所述,他的發電送電的質與量都遠勝於其他國家。所以在支援未來科技方面將站在絕對有利的地位。


不管是發電或送電都需要長時間的規劃與建設。許多先進的民主國家,受限於制度,國家的電力基礎設施缺乏長期的規劃。比如說美國,川普上台後退出巴黎氣候協議,鼓吹化石燃料,限制清潔能源的開發。以後如果換了一個政黨或領袖,這些政策也許又會翻轉。又比如台灣的核能政策搖擺不定,端看執政黨的主張。反之在中國這種一黨專政,反而能很有效率的規劃及建設他們的電力設施。


如前所述,科技發展與發電能力息息相關,特別在需要大量電力的半導體與AI產業,目前美國的科技仍居世界第一,但中國發展迅速,大有迎頭趕上之勢,若僅從發電能力及未來發展趨勢來看,中國的科技超越美國應是乎指日可待。