2019考研：同濟(jì)經(jīng)管青年教授張超在國際頂尖期刊《Nature Energy》發(fā)表研究成果

張 超

同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 副教授

公共管理系 副系主任

· 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院 工學(xué)學(xué)士—博士

· 哈佛大學(xué)肯尼迪政府學(xué)院 博士后

從事能源與環(huán)境系統(tǒng)分析、

產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)(Industrial Ecology)、

生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)(Ecological Economics)等領(lǐng)域的研究

近年來，圍繞水資源-能源耦合系統(tǒng)的可持續(xù)性評估與協(xié)同管理、環(huán)境足跡分析、社會代謝視角下的資源效率評價(jià)等議題開展了大量研究，成果主要發(fā)表于Environmental Science & Technology, Applied Energy, Journal of Cleaner Production, Ecological Economics等國際高水平學(xué)術(shù)期刊。

我國西北缺水地區(qū)火力發(fā)電帶來的水資源壓力顯著上升，這些地區(qū)煤電基地開發(fā)應(yīng)實(shí)行“取水總量控制”措施。9月10日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature Energy》以封面文章的形式在線發(fā)表了同濟(jì)經(jīng)管與世界資源研究所的合作研究成果“Decoupling between water use and thermoelectric power generation growth in China” (中文：中國實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電增長與用水脫鉤)。該文首次建立了我國長時(shí)間序列高分辨率火力發(fā)電用水地理信息數(shù)據(jù)庫，揭示了2000至2015年間火電取水、耗水及其水資源壓力的時(shí)空格局演變過程，并定量評估了多種影響因素對火力發(fā)電水資源利用效率提升的貢獻(xiàn)。該研究對我國制定合理的水資源管理政策和電力工業(yè)發(fā)展政策均具有重要的借鑒意義。

圖：火電取水導(dǎo)致的水資源壓力空間分布演變

無論是全球范圍還是在中國，火電都是繼農(nóng)業(yè)灌溉之后的第二大用水部門。不斷增長的電力需求持續(xù)刺激和推動火電工業(yè)的產(chǎn)能擴(kuò)張，也造成了水資源競爭日益加劇。目前，水資源風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為影響全球可持續(xù)發(fā)展的重大風(fēng)險(xiǎn)之一，而水資源也成為繼大氣污染排放、溫室氣體排放之后，電力工業(yè)面臨的又一重要環(huán)境挑戰(zhàn)。以傳統(tǒng)的循環(huán)冷卻燃煤電廠為例，每發(fā)一度電大約需要消耗兩升水，其中80%左右在凝汽器冷卻過程中蒸發(fā)，其余部分主要用于煙氣脫硫、除灰沖渣、鍋爐補(bǔ)水等各個(gè)工藝環(huán)節(jié)。直流冷卻電廠雖然沒有冷卻塔蒸發(fā)耗水，但依賴持續(xù)不斷的貫流式冷卻水源，熱效率較低的中小型機(jī)組每發(fā)一度電取水量可達(dá)100升以上，同時(shí)排放升溫后的溫排水，是主要的水體熱污染源。

我國擁有世界上規(guī)模最大的火力發(fā)電裝機(jī)，2017年總量達(dá)11.4億千瓦(含核電),比美國高約35%。我國火電工業(yè)不僅規(guī)模增長迅速，電力生產(chǎn)的空間布局也發(fā)生著顯著變化。近年來，隨著“西電東輸”工程的推進(jìn)，西北地區(qū)大型煤電基地建設(shè)進(jìn)展迅速，大部分新增火電產(chǎn)能向西北缺水地區(qū)轉(zhuǎn)移。火電產(chǎn)能西移的發(fā)展態(tài)勢對當(dāng)?shù)厮Y源和水環(huán)境的影響，引起了廣泛關(guān)注。

研究首先構(gòu)建了一個(gè)完整的時(shí)間序列發(fā)電機(jī)組地理信息數(shù)據(jù)庫，約涵蓋99%的全國火力發(fā)電裝機(jī)容量，并根據(jù)中國發(fā)電機(jī)組用水樣本數(shù)據(jù)，建立了用水強(qiáng)度多元回歸模型，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了具有詳實(shí)地理信息的火力發(fā)電取水、耗水清單。研究發(fā)現(xiàn)，全國范圍內(nèi)，位于水資源高壓力區(qū)(水資源壓力指數(shù)大于0.4，該指數(shù)反映了流域內(nèi)取水量與可利用水資源量的比值)的火力發(fā)電量從2000年的0.64萬億度(占當(dāng)年全國火力發(fā)電總量58.5%)增長到2015年的2.89萬億度(占66.5%)，增加了3.5倍。在我國十個(gè)水資源一級區(qū)中，覆蓋新疆、內(nèi)蒙古西部等地區(qū)的西北諸河流域增幅近14倍，是新千年以來火電產(chǎn)能擴(kuò)張最快的一級區(qū)。而其中位于以沙漠和戈壁地貌為主的干旱地區(qū)的火力發(fā)電量，則從不到50億度增長到近1000億度。

為了應(yīng)對產(chǎn)能激增和空間布局變化帶來的水資源風(fēng)險(xiǎn)，我國出臺了一系列管理政策，促進(jìn)電力工業(yè)用水效率的提升。例如，北方缺水地區(qū)新建機(jī)組推廣空冷技術(shù)替代水冷、沿海地區(qū)推廣海水冷卻替代淡水、提高準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)機(jī)組大型化、提高火力發(fā)電取水定額標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用、加快淘汰能源和水資源效率較低的老舊機(jī)組等。研究發(fā)現(xiàn)，得益于多種政策的共同作用，我國火力發(fā)電的技術(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，技術(shù)效率得以持續(xù)改進(jìn)。全國火力發(fā)電的淡水取水總量在2011年達(dá)到673億立方米的峰值，約占當(dāng)年全國取水總量的11%，此后持續(xù)下降，實(shí)現(xiàn)了取水總量與火力發(fā)電量增長的“脫鉤”。與此同時(shí)，耗水總量的增幅也明顯放緩。在各類影響因素中，冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)的變化對取水總量“脫鉤”的貢獻(xiàn)在70%以上。這一點(diǎn)在西北諸河流域體現(xiàn)得最為明顯。空冷技術(shù)是2007年以后才開始在西北地區(qū)發(fā)展起來的，到2015年，空冷電廠發(fā)電量已經(jīng)占到西北諸河流域火力發(fā)電總量的69%?？梢哉f，在帶有強(qiáng)制性的技術(shù)政策約束下，西北地區(qū)絕大多數(shù)新建電廠均采用了這一節(jié)水技術(shù)。

雖然總體上我國火電工業(yè)取得了顯著的節(jié)水成效，但由于我國水資源的空間分布極不平均，能源開發(fā)熱點(diǎn)地區(qū)的水資源壓力仍將持續(xù)，潛在水風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。研究發(fā)現(xiàn)，在2000-2015年間，海河流域大部分地區(qū)火電水資源壓力指數(shù)明顯下降，而西北大型煤電基地所處匯水區(qū)則顯著上升，特別是準(zhǔn)東、伊利、哈密等煤電基地增幅最大。個(gè)別匯水區(qū)的火力發(fā)電取水量已經(jīng)超過了當(dāng)?shù)囟嗄昶骄衫玫乇硭Y源量，能源發(fā)展與可持續(xù)水資源利用的矛盾較為突出。促進(jìn)能源與水資源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃與管理是緩解火電水資源壓力的根本途徑。

本文的第一兼通訊作者，同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院副教授、聯(lián)合國環(huán)境署-同濟(jì)大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院跨學(xué)科教授張超表示，未來我國電力工業(yè)的發(fā)展將面臨越來越多的資源環(huán)境約束，目前，大氣污染物排放和碳排放的問題已經(jīng)引起了充分重視，但電力工業(yè)的水資源問題直到近幾年才開始被關(guān)注。國家能源局2018年5月發(fā)布的《2021年煤電規(guī)劃建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警》顯示，新疆、內(nèi)蒙古、寧夏等西北地區(qū)煤電開發(fā)的資源約束情況全部為綠色。雖然文件指出該指標(biāo)考慮了大氣污染物排放、水資源、煤炭消費(fèi)總量等因素，但由于缺乏分要素評價(jià)結(jié)論，無法準(zhǔn)確地反映煤電基地所處地區(qū)的水資源和水環(huán)境承載力信息。另一方面，如果單純從建設(shè)供水工程以保障能源項(xiàng)目用水需求的角度出發(fā)考慮問題，容易陷入部門本位思維。在未來規(guī)劃和管理中，應(yīng)關(guān)注電力工業(yè)發(fā)展對流域及區(qū)域水循環(huán)的整體影響，借助更加完善的用水計(jì)量手段，在極度缺水地區(qū)考慮引入取水總量控制等更加嚴(yán)格的措施，推動水資源管理的精細(xì)化和系統(tǒng)化。

本文共同作者，前世界資源研究所中國水項(xiàng)目主任鐘麗錦博士表示，一直以來能源部門相關(guān)研究和工作人員在面對火電發(fā)展對當(dāng)?shù)厮Y源影響的問題時(shí)，一直期待節(jié)水技術(shù)改造或者空冷技術(shù)革新可以解決當(dāng)?shù)氐挠盟偁巻栴}，雖然我國電力工業(yè)的節(jié)水工作自2000年出臺系列政策之后取得了顯著效果，但是，該研究通過引入更微觀細(xì)致的空間分析方法，發(fā)現(xiàn)我國電力行業(yè)過去的水資源管理中，不僅缺乏系統(tǒng)層面的水資源壓力和水資源風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識，而且也忽視了水資源的空間特性。研究不僅看到微觀尺度的技術(shù)進(jìn)步有可能帶來宏觀尺度的“反彈效應(yīng)”，同時(shí)也揭示了建立能源和水資源管理的跨要素、跨部門協(xié)同機(jī)制的重要性和緊迫性，從而避免規(guī)模增長與布局失當(dāng)造成的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移。

關(guān)于電力工業(yè)水資源影響的未來發(fā)展態(tài)勢，本文的另一位共同作者，世界資源研究所中國水項(xiàng)目研究員王姣博士表示，考慮到煤電裝機(jī)增速放緩、技術(shù)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，以及可再生能源替代效應(yīng)，我國電力工業(yè)取水總量已經(jīng)越過峰值的研究結(jié)論是可靠的。但由于電力裝機(jī)的空間布局變化，重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)地區(qū)的用水量和水資源壓力仍有可能進(jìn)一步增長。從更長遠(yuǎn)的角度來看，低碳電力大規(guī)模發(fā)展對水資源的影響如何，取決于發(fā)展路徑的選擇。風(fēng)電和太陽能光伏發(fā)電具備明顯的節(jié)水協(xié)同效應(yīng)，而太陽能聚光發(fā)電、配備碳捕集與封存設(shè)施(CCS)的化石燃料電廠、內(nèi)陸核電站等低碳電力技術(shù)的用水強(qiáng)度往往高于目前先進(jìn)的燃煤電站。