能源与水的连接:一项全球挑战

水和能源是现代世界最关键的相互依存关系之一。 从提取燃料到发电的每一个能源生产阶段都需要水,而水系统则依赖于水泵、处理和分配的能源。 这种双向关系通常被称为水与能源关系,它处于政策辩论、基础设施规划和气候复原力战略的核心。 一个部门的决定直接连成另一部分,使综合治理不仅有益,而且至关重要。

全球对水和能源的需求继续上升。 国际能源机构(IEA)预测,在2040年,即便水压力在许多地区恶化的情况下,能源生产用水量也可以增加20%。 了解水政策如何影响能源生产 — — 反之亦然 — — 对建设可持续系统至关重要,这些系统既能支持不断增长的人口和经济,又能保护自然生态系统。

水如何用于能源生产

水是一种冷却剂、工作液体、动力来源和跨越各种能源技术的运输媒介。 水消耗量因方法、燃料类型和技术选择而大不相同。

热电厂:冷却难题

常规热电厂——煤、天然气、核电和一些生物物质——通过加热水产生蒸汽来产生旋转涡轮的蒸汽,冷却蒸汽后需要大量水。

  • 冷却后: 水是从一个源头抽取的,经过工厂的冷凝器,然后在更高的温度下返回。 这种方法可以提取大量(每千瓦时150升)但作为蒸发消耗相对较少(约1-3 % ) 。 然而,热排放会损害水生生物。
  • 水在冷却塔内再利用,只有2–5%的蒸发损失。 退水量要低得多,但每单位用电量却要高得多(每千瓦时约2–4升 ) 。 水在冷却塔内再利用。 水的循环(FLT:0 ) , 冷却(FLT:1 ) , 冷却塔内部的循环循环(闭合) , 冷却塔内部的循环(FLT:1 ) , 水的蒸发损失只有2– 5%。

在缺水地区,干冷却(空气冷凝剂)可以减少90%以上的水消耗,尽管其资本成本和效率惩罚较高。 美国环境保护局[ 规定,冷却技术的选择可以改变发电厂的水足迹,使其成为一个重要的政策杠杆。

水电:直接依赖流量

水力发电依赖于流水到旋转涡轮机的动力学能。 虽然在发电过程中没有耗水,但水库[ 蒸发损失可能很大,特别是在热带和干旱气候中。 2021年的一项研究( ) 中发现,全球水库蒸发约占人类淡水总消耗的1.3%,暖地区的大坝损失的水量比其他用途的减少更多。 此外,水力发电产出直接与降水模式有关,因此易受气候变化驱动的干旱影响。

生物能源和生物燃料:隐藏的水成本

种植生物质和生物燃料的原料需要灌溉用水,将这些原料加工成可用的能源需要消耗更多的水。 比如,玉米乙醇在包括灌溉时的水密度约为每升3,000-4000升,而雨水浇灌的甘蔗或纤维素来源则可能要低得多。 因此,关于生物燃料任务的政策决定对供水有重大影响。

其他能源也以较小但重要的方式使用水:石油和天然气提炼[(特别是液压断裂)注入地下水;太阳能热能[使用水冷却和水镜洗;甚至碳捕获和储存系统需要水来进行某些捕获过程。

能源部门的水事政策挑战

随着对淡水的竞争加剧,能源部门面临越来越多的政策和业务挑战,这些不仅仅是技术问题,而是跨越管辖区的治理难题,需要协调一致的对策。

缺水和竞争

2023年世界资源研究所的分析显示,全球发电有三分之二以上发生在水紧张地区。 当干旱减少河流流量或地下水水平时,发电厂可能被迫减少产出甚至关闭。 2022年,欧洲核电厂和水电厂因河流低位和创记录的热量而减少,导致非洲大陆能源危机。 随着气候变化加剧干旱和热浪,这种风险将升级。

城市供水、农业和生态系统需求已经与能源争夺同样的有限资源。 迫切需要制定综合的水分配政策,优先安排最有利的用途,同时在关键时期保持电厂的在线运行。

环境和生态系统影响

用于能源生产的抽水可以以以下几种方式损害淡水生态系统:

  • 热污染: 一旦通过冷却系统,就会提高水温,减少溶解氧,并伤害鱼类和无脊椎动物.
  • 训练和冲击:水生生物(包括幼鱼和幼鱼)被困在屏幕上或被拉过冷却系统.
  • 浮变:大型水电大坝改变自然流量制度,影响沉积物的迁移、鱼类迁移和洪水平原的健康。
  • 勘测:[ 石油和天然气开采或煤矿开采中使用的水,如果不妥善管理,可以引入污染物.

联合国环境规划署(环境署)警告说,[]能源生产水质退化是这一关联中被忽视的一个方面,许多国家的监管差距使累积影响不受限制。

气候变化反馈循环

气候变化既重水又重水,破坏能源生产。 空气和水温升高降低了热电厂的效率(因为冷却系统运作效率较低 ) 。 降水模式的变化改变了水力发电输出,并可以减少冷却所需的河流流量。 相反,能源部门是主要的温室气体排放者 — — 创造了一个反馈循环,能源选择加剧了威胁水可靠性的气候条件。

决策者在制定能源和水目标时必须对这些非线性互动负责。 传统的“孤立”规划是不够的。

水能Nexus:综合办法和个案研究

有效管理水-能源关系需要超越单个部门,找出协同效应和权衡,一些创新的政策框架和现实世界的例子说明了一体化如何能够产生更好的结果。

水能Nexus规划

国家水计划涉及协调机构任务、在水和能源机构之间共享数据以及利用跨部门模式评估政策选择。 比如,在决定新的发电厂许可时,水管理者可以评估当地供水是否能够在不影响现有用户或生态系统的情况下处理更多的取水。 能源规划者反过来可以考虑降低水脆弱性的节水技术和可再生能源选择。

世界银行在摩洛哥和菲律宾等国推动国家评估,这些国家联合进行的水能优化研究确定了既节省水又节省能源的投资,这些评估的主要建议包括调整关税结构,以阻止浪费使用,奖励节水发电。

案例研究:科罗拉多河流域

美国西南部的科罗拉多河流域是水与能源之间紧张关系的例证。 河流为4000万人提供了市政和农业用水,同时也为格伦峡谷和胡佛水坝的水电站提供了支持。 由于流域经历了数十年的大规模干旱,水库水位下降,记录低,威胁到水力发电,迫使水量分配被削减。 2023年,美国垦荒局[宣布了一个为期24个月的紧急行动计划,该计划如果水位进一步下降,可以减少格伦峡谷大坝的排放量,从而给7个州的580万用户带来电力供应风险。 这一例子突出表明了围绕保护和分配水的政策决定如何直接影响能源的可靠性。

案例研究:印度的热力危机

印度75%的电力来自燃煤热厂,但经历了多次与水有关的停电。 世界资源研究所(WRI)2021年的一项研究发现,40%的印度热电厂面临高水压,在2019年夏季干旱期间,几家工厂被迫削减产出高达50%。 印度的国家水政策 中如今包括了河水流的最小量,并规定新工厂使用高效冷却技术。 然而,执法仍然薄弱,许多老工厂仍然依赖一次冷却。 案例凸显了政策雄心和实地执行之间的差距。

可持续水和能源管理战略

向更可持续的水能系统过渡需要跨技术、政策和财政领域的行动。 以下是世界各地正在部署的关键战略。

技术创新

发电和水处理方面的进展可大大减少用水:

  • 先进冷却系统: 混合冷却(湿干)根据环境条件进行调整,冷却时节节水,最高效时使用湿冷. 干燥冷却不消耗水,对于许多燃气的工厂和干旱地区的集中太阳能发电是可行的.
  • 发电厂的水回收: 处理和再利用工业废水、城市废水或冷却塔的吹气可以减少30-50%的淡水抽取量。
  • 超临界二氧化碳动力循环:[这些气体使用二氧化碳而不是水作为工作液体,为某些用途提供了更高的效率,并完全消除了水冷却需要。
  • 太阳能光伏和风: 这些技术在操作时需要可忽略不计的水——风几乎不用,太阳能光电光电光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光

政策和管制文书

政府可以通过下列几种机制鼓励节水能源选择:

  • 新发电厂的用水效率标准(例如,在水压盆地内规定封闭式冷却)。
  • 水价和分配改革,反映稀缺性和激励保护.
  • 水和能源公用事业之间综合资源规划,共享关于供水和电力需求的数据库。
  • 环境流量条例,规定最低河流水平,以保护生态系统,维持下游水用户,包括水电.
  • 将太阳能、风能和其他低水技术列为优先事项的可续续装组合标准[。

欧盟的《水框架指令》和美国的《清洁水法》都涉及到能源部门用水,但明确的关系政策仍然很少。 少数国家 — — 如南非和澳大利亚 — — 制定了水与能源的关系战略,确定了降低电力部门水密度的共同目标。

可再生能源的作用与去碳化

向低碳能源系统过渡不仅是气候的当务之急,也是节水的机会。 太阳能光伏和风力涡轮机需要每单位电力比化石燃料或核电站少95-99 % , 并且通过一次冷却。 即便与天然气联合循环工厂(后者使用较少的水冷却 ) , 太阳能和风力仍然领先。

国际可再生能源机构(IRENA)估计,到2030年全球可再生能源份额翻一番,与一切照旧相比,可以减少25—30 % 的 能源取水量。 但是,有些细微之处是:用湿冷冷却将太阳能集中起来可能水费高;生物量依赖于灌溉;水力发电的蒸发损失必须与其低效用水量相比。 因此,决策者必须避免采用一揽子假设,并在设计可再生能源奖励时考虑具体地点的水足迹。

未来展望和建议

随着气候变化加剧水文变异性,随着发展中国家扩大电力供应,水与能源之间的关系将变得更加尖锐。

  1. 20世纪80年代,全球水资源供应量的下降是全球能源消费的第一大挑战。 投资和建模。 许多国家缺乏跟踪发电厂取水情况以及预测供水量变化如何影响电网可靠性所需的综合监测系统。 公众可访问的数据库(如美国能源信息管理局的用水数据)应当在全球复制。
  2. 一致的经济激励。 对化石燃料的补贴往往扭曲水和能源市场。 重新支持低水可再生技术和节水工业进程可以同时实现多重目标。
  3. 加强治理。 跨部门协调机构——在国家、河流流域和区域各级——可以分拆各自为政的排泄地。
  4. 增强气候的抗御力。 新能源基础设施的设计必须能够在更热、更干燥的条件下运行。 这包括选择节水冷却、将工厂定位在供水稳定的地区以及使发电组合多样化。
  5. 动员地方社区和生态系统。 影响能源生产的水政策决定不能孤立地作出。 土著群体、下游用水者以及保护组织必须占有席位,以确保公平和生态上良好的结果。

水政策和能源生产之间的交叉已不再是一个独特的学术话题 — — 这是全球各国政府、公用事业和工业面临的一个前沿挑战。 通过将水和能源作为同一资源硬币的两面,人类可以建立可靠和可持续的系统,即使在气候变化和不断增长的需求的压力下也是如此。 前进的道路不仅需要技术创新,还需要政治意愿、跨界合作以及重视我们光线安全和我们河流健康的长期观点。