能源與水的關(guān)系
水是人類必不可少的自然資源，影響著人類生活的各個方面。潔凈、充足的水源對食品生產(chǎn)、公共衛(wèi)生、工業(yè)發(fā)展、能源開發(fā)以及環(huán)境健康都至關(guān)重要。水資源也是能源開采、生產(chǎn)和發(fā)電不可或缺的一部分。它可直接用于水力發(fā)電，并且廣泛用于熱電廠的冷卻和排放控制。水還可用于資源開采，例如應(yīng)用于水力壓裂法開采頁巖氣、生產(chǎn)生物燃料、開采和加工煤礦和鈾礦、精煉石油和天然氣以及運(yùn)輸?shù)确矫妗?br /> 過去，世界各地的能源基礎(chǔ)設(shè)施普遍是在水資源供應(yīng)不受限制的情況下建設(shè)完成的。然而，對水資源無節(jié)制的使用，以及人口和氣候變化對降水、環(huán)境的影響，都在不斷地改變?nèi)�球的水資源供應(yīng)狀況。同時，這些因素也在不斷影響傳統(tǒng)能源與新能源的需求，并改變著它們的時間和空間格局，它們還影響了能源安全性、可靠性和價格穩(wěn)定性等諸多其他風(fēng)險因素。
因此，各國都在努力實現(xiàn)水資源的供需平衡，以支持未來幾十年不斷發(fā)展的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、健康以及生態(tài)需求。很顯然，在維護(hù)各國能源安全、能源利用效率以及可持續(xù)性使用能力等方面，水足跡已成為比碳足跡更重要的因素。
水供應(yīng)和能源開發(fā)之間的沖突
2007 年，美國能源部向國會提交了一份由桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實驗室、國家能源技術(shù)實驗室和美國電力研究院共同編寫的報告。該報告首次提出有限的水資源與持續(xù)增長的能源需求之間的矛盾，并描述了這一矛盾將可能導(dǎo)致的若干種危機(jī)趨勢。此后，全球能源領(lǐng)域以及金融領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者們開始逐漸認(rèn)識到能源發(fā)展將日益受到水資源短缺的制約。已觀察到的危機(jī)趨勢包括：全球很多地區(qū)都面臨水資源供應(yīng)壓力，氣候變化又加劇了這一壓力；工業(yè)發(fā)展和公共衛(wèi)生等方面的用水需求日益增長，將使水資源的競爭更加激烈；應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)容的高水密集型能源技術(shù)帶來更多的水資源需求。這三個趨勢表明，未來幾十年中，可持續(xù)的水資源管理與可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長、公共衛(wèi)生和安全的能源供應(yīng)之間存在沖突。本文將突出強(qiáng)調(diào)水和能源之間相互依賴的問題，并探討如何減少能源的用水需求，以及實現(xiàn)可持續(xù)性的水資源供應(yīng)所需的技術(shù)創(chuàng)新。
能源和水資源所面臨的問題和挑戰(zhàn)
首先需要關(guān)注的問題是生產(chǎn)新能源、利用新能源發(fā)電都不可避免的水資源需求，而可用水資源需求與供給之間的矛盾則對此形成強(qiáng)力挑戰(zhàn)。由于各種用水需求以及對地表水和地下水無節(jié)制的取用，原本已存在淡水資源緊缺的地區(qū)還將面臨全球能源發(fā)展預(yù)期增長和預(yù)期用水量增長的問題。
更令人擔(dān)心的是，由于不斷變化的氣候條件，預(yù)計到本世紀(jì)中葉，很多中緯度地區(qū)的降水量下降會使地表淡水供應(yīng)量減少20%~40%。這表明在不久的將來，許多地區(qū)還會面臨更大的供水壓力。
第二個值得關(guān)注的問題是新能源技術(shù)的用水需求不斷增長。國際能源署在《世界能源展望2012》中發(fā)表的最近一項研究預(yù)測，到2035 年，全球能源需求將增長30%，而生產(chǎn)能源、利用能源發(fā)電所需用水量將增加85%。這表明利用新能源發(fā)電將需要更多的水資源和高耗水能源技術(shù)。
由此可見，諸如碳捕集、核能、聚光型太陽能熱發(fā)電和生物燃料等許多用于減少溫室氣體排放的新能源技術(shù)，其用水量都是它們正在取代的傳統(tǒng)能源技術(shù)的二至四倍，而有些則屬于高水密集型技術(shù)，其中包括灌溉生產(chǎn)型生物燃料，其耗水量達(dá)到傳統(tǒng)石油燃料生產(chǎn)的2000 倍。還有些可再生能源技術(shù)——比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電，干式熱電冷卻技術(shù)，它們雖然只需要極少量的水，但卻存在技術(shù)可靠性以及使用可持續(xù)性等問題。這說明主要能源政策需要從系統(tǒng)層面來考慮對自然資源的影響，以便更好地支持未來在水、能源和其他自然資源的可持續(xù)發(fā)展。
第三個值得關(guān)注的問題是為支持人口和經(jīng)濟(jì)增長而不斷增長的用水需求和為支持改善公共健康及衛(wèi)生而增加的生活用水供給需求。尤其是在亞洲、南美和非洲等發(fā)展中地區(qū)，預(yù)計到2035 年，這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用水需求將增長10%~20%，生活供水領(lǐng)域的用水需求將增長30%~40%。
世界發(fā)達(dá)地區(qū)和發(fā)展中地區(qū)各領(lǐng)域的相對用水量情況顯示，發(fā)展中國家若要趕上發(fā)達(dá)國家目前的能源基礎(chǔ)設(shè)施水平，可能需要將分配在能源發(fā)展領(lǐng)域的用水量增加3 至4 倍，2009 年世界經(jīng)濟(jì)論壇的一份報告也做過相同的預(yù)測。在許多水資源已然十分有限的國家及地區(qū)，這將使得能源領(lǐng)域與其他領(lǐng)域之間的競爭愈發(fā)激烈。世界能源委員會在2010 年的《水和能源》報告中也強(qiáng)調(diào)全球目前水資源供應(yīng)情況不能滿足擬議能源發(fā)展計劃中的幾個地區(qū)。對于許多國家，尤其是許多發(fā)展中國家而言，要建立未來幾十年可持續(xù)的能源和水資源發(fā)展戰(zhàn)略，將面臨多個領(lǐng)域為滿足不斷增長的用水需求而展開水資源競爭所帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
水資源對電力行業(yè)的影響示例
美國能源部曾以我們的研究成果為基礎(chǔ)，向美國國會提交了一份闡述能源與水資源之間依賴性的報告。在研究報告形成過程中，我們重點(diǎn)探討了美國自2004 年至2007 年期間，很多電廠或生物燃料精煉廠因該地區(qū)水供應(yīng)不足而不能獲得生產(chǎn)許可證的實例。此后，我們還見證了得克薩斯州和美國西南、東南和東北地區(qū)出現(xiàn)的旱情，導(dǎo)致大量的燃煤發(fā)電廠和核電站因供水不足或水溫過高導(dǎo)致冷卻能力下降而減產(chǎn)或停產(chǎn)的事例。自2005 年以來，由于供水不足和熱浪導(dǎo)致的高水溫，法國已被迫在三個不同年份中分別將核電站和水電站的發(fā)電量削減了20%。2013 年2 月，印度一家裝機(jī)容量為1130 MW 的熱電廠因馬拉特瓦達(dá)地區(qū)嚴(yán)重缺水而關(guān)閉。在過去幾十年里，南非已有許多電廠為應(yīng)對水供應(yīng)不足問題而轉(zhuǎn)為干式冷卻。同時，經(jīng)常性和長期的干旱也在威脅著許多國家的水電裝機(jī)容量，例如斯里蘭卡、中國和巴西。在未來40 年中，隨著一些新興經(jīng)濟(jì)體面臨能源需求翻倍，這些問題將更加嚴(yán)重。
推動能源和水資源邁向可持續(xù)發(fā)展的未來
許多機(jī)構(gòu)已經(jīng)著手研究，并為解決這些日益受到關(guān)注的問題而開展富有意義的對話，以避免這些新型能源過于依賴水資源。例如，桑迪亞國家實驗室在美國舉辦了一系列全國討論會，目的是確定研究領(lǐng)域和創(chuàng)新方案，以減少能源領(lǐng)域的淡水用量和提高水資源的可用性。自此以后，美國國家科學(xué)基金會、美國審計總署、美國國家研究委員會、美國電力研究院、美國能源部等其他許多團(tuán)體，以及約翰遜基金會等非營利機(jī)構(gòu)，均已研究出創(chuàng)新方法來幫助解決這些問題。在國際上，聯(lián)合國、世界銀行、世界可持續(xù)發(fā)展委員會和加拿大研究所也紛紛開展各項工作，幫助研發(fā)和實施能源發(fā)展領(lǐng)域創(chuàng)新的低水密集型技術(shù)或方法。經(jīng)過觀察，大部分想法可歸入以下四大類別。
減少電力和交通運(yùn)輸燃料的淡水用量
現(xiàn)有的許多方法都有助于減少發(fā)電所需的淡水用量。但是，像干式冷卻和混合式冷卻這樣的技術(shù)，以及用水量低的可再生能源技術(shù)等，都還存在必須加以改善的成本或斷續(xù)問題。由于幾乎所有新的替代交通運(yùn)輸燃料都會增加用水量，如果要大規(guī)模生產(chǎn)這些燃料，就必須在種植、采礦、加工或精煉過程中采用耗水量更少的技術(shù)方法。
開發(fā)更易于使用非傳統(tǒng)水資源的材料和水處理技術(shù)
隨著淡水供應(yīng)日益緊缺，需要進(jìn)行廢水回用和非傳統(tǒng)的水資源利用，包括海水、苦咸地下水和采出水。能夠以很低的能源投入來滿足新興水質(zhì)要求的水處理新技術(shù)日趨重要。這些新技術(shù)能夠減少水處理和泵送所需的能源消耗，同時加速在冷卻以及液壓壓裂等能源使用領(lǐng)域?qū)Ψ莻鹘y(tǒng)水資源的利用。
改進(jìn)水質(zhì)評價及能源和水資源系統(tǒng)分析和決策工具
缺乏耗水量數(shù)據(jù)也加劇了可用水資源的不確定性。我們需要改進(jìn)水資源的利用和消耗數(shù)據(jù)收集，以便更好地進(jìn)行水資源監(jiān)控。同時，決策支持工具和系統(tǒng)分析方法也需要加以改進(jìn)，以便幫助社區(qū)和地區(qū)更好地理解和配合實施，形成能夠最大限度降低淡水需求量和用量的可持續(xù)發(fā)展解決方案。此外，還需要建立地區(qū)氣候變化模型，從而更好地預(yù)測氣候變化在地區(qū)或流域?qū)用鎸�降水量和蒸發(fā)蒸騰等方面的影響。這些都將有助于我們充分了解水資源的可用性，并為改進(jìn)水資源管理提供支持。
增加整合能源和水資源基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的機(jī)會
目前，水資源和能源的基礎(chǔ)設(shè)施往往是分開管理的。將能源和水資源基礎(chǔ)設(shè)施予以整合或設(shè)在同一位置并實施綜合規(guī)劃，可帶來潛在的經(jīng)濟(jì)效益。此外，還可以更好地利用電廠或精煉廠的余熱和水處理廠產(chǎn)生的廢水，從而減少能源和淡水資源的使用。
在私營領(lǐng)域，許多企業(yè)和社會機(jī)構(gòu)已開始利用自身的人才和資源解決這些問題。例如，美國電力研究協(xié)會(EPRI) 及其下屬電力公司已著手研究新的低耗水型冷卻技術(shù)，并幫助美國東南部的一家電廠建立了耗資1600 萬美元的大型測試設(shè)施，用于測試創(chuàng)新的低耗水型冷卻技術(shù)。所收集的數(shù)據(jù)亦與歐洲的電力公司共享。煤炭生產(chǎn)企業(yè)也在積極探索替代水源——例如海水淡化，并使用礦井水來減少淡水用量。在石油和天然氣領(lǐng)域，加拿大和美國的企業(yè)均已開始通過在油砂和液壓壓裂中使用苦咸水和中水回用的方法，來最大限度減少淡水用量和廢水處理。這些努力已在顯著減少淡水用量的情況下提高了燃料產(chǎn)量。這些例子進(jìn)一步有力地說明，我們需要社會各界的的廣泛關(guān)注，通過綜合考慮水足跡等環(huán)境指標(biāo)，實現(xiàn)均衡利用自然資源和財政資源，以幫助推動和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源未來。

（來源：《基石》  作者：美國桑迪亞國家實驗室杰出研究員  邁克爾•海托華（Michael Hightower））