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能源-水的連結:全球性挑戰
水和能源是现代世界中最重要的相互依存因素之一。 能源生产的每一阶段 — — 從提取燃料到发电 — — 都需要水,而水系则依赖于能源的抽水、处理和分配。 这种雙向關係通常被称为水与能源的連結[,它处于政策辯論、基础设施规划和气候抗御力战略的核心。 一個部门所做的決定直接地波及到另一部门,使一体化治理不仅有益,而且至关重要。
全球水和能源需求都在上升。 國際能源局(IEA)預計,在目前政策下,2040年能源生产的取水量可以增加20%,即使水壓在很多地区越來越大。 了解水政策如何塑造能源生产,反之亦然,对于建立可持续系統,既支持人口和經濟,又保护自然生态系统,至关重要。
水如何用于能源生产
水是冷卻劑、工作液、能源、以及不同能源科技的運輸媒介。 水消耗量因方法、燃料型態和技术選擇而大相径庭。
熱力電廠:冷卻困境
传统的熱力電站, 煤、 天然氣、 核電和一些生物质電, 取暖水以產生旋轉輪機的蒸汽, 冷卻蒸汽後需要大量水。 存在兩種主要的冷卻方法:
- 冷卻後: 水從一個源頭抽取,經過工厂的凝固器,在更高的溫度下返回。 这种方法可以抽取大量水量(每千瓦小時150升 ) , 但以蒸發量(约1-3 % ) 的 消耗量相对较少。 然而,放熱會傷害水生生物。
- 水在冷卻塔內重用,只有2–5%的蒸發量被損失。 退水量要低得多,但每单位用水量要高得多(每千瓦赫約2–4升 ) 。 水量在水中排量,而水量在水量中只有2–5 % 。
水災區域, 干冷卻(氣冷凝膠器)可以降低90%以上的水耗, 但資本成本和效率會更高。 美國環保局[ 認為, 冷卻科技的選擇可以改變電廠的水腳印, 使其成為重要的政策杠杆。
水力:直接依赖水流
水力发电依赖于流水到旋轉輪机的動能。 虽然在發電过程中沒有耗水,但水庫的蒸發性損失[可能很大,特别是在热带和干旱气候中。 2021年的一项研究() 自然可持续性[) 發現,全球水库蒸發量约占人类淡水消耗总量的1.3%,暖水區的大水坝损失比其他用途的减少更多。 此外,水力发电量直接与降水模式有关,因此容易受氣候所驱动的干旱。
生物能源和生物燃料:隐藏的水成本
生物质和生物燃料的原料的生长需要灌溉用水,而将这些原料加工成可用的能源需要消耗更多的水。 例如,玉米乙醇在包括灌溉時的水密度约为每升3,000-4000升,而雨水灌溉甘蔗或纤维素源的耗水量可能要低得多。 因此,生物燃料任务的政策决策对供水有重要影响。
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[(特别是液压裂裂)注入地下水; 溶液热力[使用水冷却和水面洗;甚至碳捕获和储存[]系统需要水进行某些捕获过程。
能源领域的水政策挑戰
能源產業正面临政策和運作的挑戰, 不只是技術問題,
缺水和竞争
2023年世界資源研究所的一項分析顯示,全球三分之二以上的電力發生在水紧张的地區。 當旱情減少河流流量或地下水量時,電站可能被迫減少產量甚至停電。 2022年,歐洲核電站和水力發電站因河水位低和高溫而停工,造成大陸能源危機。 随着氣候變遷使旱情和熱波都變本已加剧,此类風險將越來越大。
城市供水、農業和生態系需求已經與能源相爭,
环境及生态系统影响
水的抽取可以以几种方式破坏淡水生态系统:
- 熱污染: 一次經冷卻系統提高水溫,降低溶解氧氣,傷害魚和無脊椎動物.
- 水生生物(包括幼魚和幼魚)被困在屏幕上或被拖過冷卻系統。
- 大型水力大坝改變自然流動系統、影響沉淀物運輸、魚群迁移、以及洪水平原健康。
- 采油或采煤用水如不妥善管理,可引入污染物。
聯合國環保署警告, 能源生产水质退化[ 是關聯的一個被忽略的方面,
氣候變化回應圈
氣候變遷既重視水資源,也重視能源生产。 氣溫和水溫升高降低了熱力電站的效率(因为冷卻系統效果不高 ) 。 降水模式的改變改變了水力輸出,可以降低冷卻所需的河流流量。 相反,能源是主要的温室气体排放者 — — 形成了一個回應圈,能源選擇會加剧危及水可靠性的气候条件。
政策制定者在设定能源和水的目標時必須為這些非線性的互动作個解釋。 传统的「集中」計劃不足。 人們的觀察者們都對此感到很失望。 人們的觀察者們都對此感到很失望。
水能Nexus:综合办法和个案研究
水能源聯系的有效管理要求超越单个的單一單位,找出协同和权衡。 一些创新的政策框架和現實世界的范例说明了一体化如何能取得更好的成果。 水能源聯系的建立需要更好的管理。
水能Nexus 规划
國家計劃涉及协调机构任務、分享水和能源机构的数据、使用跨部门模型來評估政策方案。 例如,在決定新的電站許可時, 水管理者可以估量當地供水能否在不傷害现有使用者或生态系统的情况下處理更多取水。 能源规划者可以考慮降低水害的高效技术和可再生能源方案。
包括摩洛哥和菲律賓, 水能优化聯合研究已找出能省水能的投资。 該估計的主要建議包括調整稅金结构, 以阻止浪费用水, 以及奖励高效的发电。
案例研究:科羅拉多河流域
美國西南部的科羅拉多河流域就是水和能源緊張的典型。 河流向4000萬人提供了市水和農用水,同时也支持格倫峡谷和胡佛大坝的水电站。 流域承受了数十年的大旱,水庫水位下降至低谷,威胁到水力发电,迫使水分配被削减。 2023年, 美國垦荒局宣布了一個24个月 的緊急行动计划,如果水位进一步下降,可以减少格倫峡谷大坝的排水量,使七州580萬個客戶的電源有危險。這個例子凸显了水政策決定如何直接影响到能源的可靠性。
案例研究:印度的熱力危機
印度75%的電源来自燃煤热工厂,但遭遇了多次與水相關的停電。 世界資源研究所(WRI)2021年的一项研究發現,印度40%的熱力電廠面临高水壓,在2019年夏季的干旱中,有几家工厂被迫把產量削减了50 % 。 印度的[国家水政策[ 中現在包含了河水流最小量的规定,以及新工厂使用高效冷卻技术的要求。 然而,执法仍然很薄弱,很多老工厂仍然依靠一次冷卻。 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統过渡需要跨過科技、政策及金融等一系列的行動。 以下是全球部署的关键策略。
技术革新
水的利用:
- 透過水分冷卻系統: 混合冷卻(湿干)根据環境条件調整, 在冷卻期省水, 在最有效率時使用湿冷。 干燥冷卻不消耗水, 對許多燃氣的植物和干旱地區的集中太陽電力是可行的。
- 處理及再利用工業废水、城市污水或冷卻塔的爆破能將淡水抽取量減少30-50%。
- 使用二氧化碳而不是水做工作流, 提供更高的效率, 完全消除某些用途的用水冷卻需求。
- 這種技術在運作中需要微乎其微的水, 風几乎不用, 而光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光電光光電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
政府可通过下列几种机制鼓励明智的能源選擇:
- 新的发电厂的用水效率标准(例如,在水压盆地中强制实行封闭式冷却)。
- 水價和分配改革[,
- 水和能源公用设施的综合資源规划,共享水的提供和电力需求資料庫。
- 規定最低河流水位, 保護水系、維持下游用水,
- 以太陽、風和其他低水科技為主的可更新的組合標準。
歐盟的《水框架指令》和美國的《清洁水法案》都涉及到能源部门的用水,但明确的連結政策仍然很少。 少数國家 — — 如南非和澳大利亞 — — 制定了水能聯結战略,制定了降低电力部门的水密度的共同目標。
可再生能源的作用与碳化
向低碳能源系統过渡不仅是气候的必然要求,也是水的保温機會。 太阳能光伏和風力涡轮需要每单位電量比化石燃料或核電站少95-99 % , 而前者需要一次冷卻。 即便和天然气混合循环工厂(后者使用较少的水冷卻 ) , 太阳能和風也仍然會出現。
國際可再生能源机构(IRENA)估計,到2030年可再生能源在全球所占的份额翻一番,可以比一切照常做降低25-30%的能源取水量。 然而,有些微小的:用湿冷冷卻集中太阳能可以用水量;生物质量依赖于灌溉;水力发电的蒸發损失必须与其低效用水量相抵。 因此,决策者在设计可再生能源激励措施时必须避免粗略的假設,并考虑具体地点的水足跡。
展望和建议
水能關係將更加尖锐,
- 許多國家缺乏能追蹤電站取水量及預測供水量變化如何影響電网可靠性的集成監控系統。
- 化石燃料的补贴常常扭曲水和能源市場。 重新定向支持低水可再生科技和高效水工流程可以同步達到多重目的。
- 加强治理。 跨部门协调机构——在国家、河流流域和地區各级——可以分拆分仓。UN-Water综合监测倡议[提供了一个框架,以追蹤水能SDG目標的進步。
- 新的能源基础设施必須設計在更熱、更干燥的条件下運作, 其中包括選擇用水效率高的冷卻, 設置在水供应穩定的地區,
- 影響能源生产的水政策決定不能孤立地做出。 原住民、下游用水者、保育組織必須在議席上坐一席,
水政策和能源生产的交集已不再是一項專業性議題,而這也是全球各国政府、公用事业和工業的第一線挑戰。 人性把水和能源當做同樣資源硬幣的兩面,可以建立可靠和可持续的系統,即使是在氣候變遷和需求增加的壓力下。 前进的道路要求的不只是技術革新,而且包括政治革新、跨界合作,以及珍視我們光線安全和河流健康的長期觀點。