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能源与水的关系
水是人类必不可少的自然资源，影响着人类生活的各个方面。洁净、充足的水源对食品生产、公共卫生、工业发展、能源开发以及环境健康都至关重要。水资源也是能源开采、生产和发电不可或缺的一部分。它可直接用于水力发电，并且广泛用于热电厂的冷却和排放控制。水还可用于资源开采，例如应用于水力压裂法开采页岩气、生产生物燃料、开采和加工煤矿和铀矿、精炼石油和天然气以及运输等方面。
过去，世界各地的能源基础设施普遍是在水资源供应不受限制的情况下建设完成的。然而，对水资源无节制的使用，以及人口和气候变化对降水、环境的影响，都在不断地改变全球的水资源供应状况。同时，这些因素也在不断影响传统能源与新能源的需求，并改变着它们的时间和空间格局，它们还影响了能源安全性、可靠性和价格稳定性等诸多其他风险因素。
因此，各国都在努力实现水资源的供需平衡，以支持未来几十年不断发展的农业、工业、能源、健康以及生态需求。很显然，在维护各国能源安全、能源利用效率以及可持续性使用能力等方面，水足迹已成为比碳足迹更重要的因素。
水供应和能源开发之间的冲突
2007 年，美国能源部向国会提交了一份由桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室、国家能源技术实验室和美国电力研究院共同编写的报告。该报告首次提出有限的水资源与持续增长的能源需求之间的矛盾，并描述了这一矛盾将可能导致的若干种危机趋势。此后，全球能源领域以及金融领域的领导者们开始逐渐认识到能源发展将日益受到水资源短缺的制约。已观察到的危机趋势包括：全球很多地区都面临水资源供应压力，气候变化又加剧了这一压力；工业发展和公共卫生等方面的用水需求日益增长，将使水资源的竞争更加激烈；应用领域不断扩容的高水密集型能源技术带来更多的水资源需求。这三个趋势表明，未来几十年中，可持续的水资源管理与可持续的经济增长、公共卫生和安全的能源供应之间存在冲突。本文将突出强调水和能源之间相互依赖的问题，并探讨如何减少能源的用水需求，以及实现可持续性的水资源供应所需的技术创新。
能源和水资源所面临的问题和挑战
首先需要关注的问题是生产新能源、利用新能源发电都不可避免的水资源需求，而可用水资源需求与供给之间的矛盾则对此形成强力挑战。由于各种用水需求以及对地表水和地下水无节制的取用，原本已存在淡水资源紧缺的地区还将面临全球能源发展预期增长和预期用水量增长的问题。
更令人担心的是，由于不断变化的气候条件，预计到本世纪中叶，很多中纬度地区的降水量下降会使地表淡水供应量减少20%~40%。这表明在不久的将来，许多地区还会面临更大的供水压力。
第二个值得关注的问题是新能源技术的用水需求不断增长。国际能源署在《世界能源展望2012》中发表的最近一项研究预测，到2035 年，全球能源需求将增长30%，而生产能源、利用能源发电所需用水量将增加85%。这表明利用新能源发电将需要更多的水资源和高耗水能源技术。
由此可见，诸如碳捕集、核能、聚光型太阳能热发电和生物燃料等许多用于减少温室气体排放的新能源技术，其用水量都是它们正在取代的传统能源技术的二至四倍，而有些则属于高水密集型技术，其中包括灌溉生产型生物燃料，其耗水量达到传统石油燃料生产的2000 倍。还有些可再生能源技术——比如风力发电、太阳能光伏发电，干式热电冷却技术，它们虽然只需要极少量的水，但却存在技术可靠性以及使用可持续性等问题。这说明主要能源政策需要从系统层面来考虑对自然资源的影响，以便更好地支持未来在水、能源和其他自然资源的可持续发展。
第三个值得关注的问题是为支持人口和经济增长而不断增长的用水需求和为支持改善公共健康及卫生而增加的生活用水供给需求。尤其是在亚洲、南美和非洲等发展中地区，预计到2035 年，这些地区的农业领域用水需求将增长10%~20%，生活供水领域的用水需求将增长30%~40%。
世界发达地区和发展中地区各领域的相对用水量情况显示，发展中国家若要赶上发达国家目前的能源基础设施水平，可能需要将分配在能源发展领域的用水量增加3 至4 倍，2009 年世界经济论坛的一份报告也做过相同的预测。在许多水资源已然十分有限的国家及地区，这将使得能源领域与其他领域之间的竞争愈发激烈。世界能源委员会在2010 年的《水和能源》报告中也强调全球目前水资源供应情况不能满足拟议能源发展计划中的几个地区。对于许多国家，尤其是许多发展中国家而言，要建立未来几十年可持续的能源和水资源发展战略，将面临多个领域为满足不断增长的用水需求而展开水资源竞争所带来的严峻挑战。
水资源对电力行业的影响示例
美国能源部曾以我们的研究成果为基础，向美国国会提交了一份阐述能源与水资源之间依赖性的报告。在研究报告形成过程中，我们重点探讨了美国自2004 年至2007 年期间，很多电厂或生物燃料精炼厂因该地区水供应不足而不能获得生产许可证的实例。此后，我们还见证了得克萨斯州和美国西南、东南和东北地区出现的旱情，导致大量的燃煤发电厂和核电站因供水不足或水温过高导致冷却能力下降而减产或停产的事例。自2005 年以来，由于供水不足和热浪导致的高水温，法国已被迫在三个不同年份中分别将核电站和水电站的发电量削减了20%。2013 年2 月，印度一家装机容量为1130 MW 的热电厂因马拉特瓦达地区严重缺水而关闭。在过去几十年里，南非已有许多电厂为应对水供应不足问题而转为干式冷却。同时，经常性和长期的干旱也在威胁着许多国家的水电装机容量，例如斯里兰卡、中国和巴西。在未来40 年中，随着一些新兴经济体面临能源需求翻倍，这些问题将更加严重。
推动能源和水资源迈向可持续发展的未来
许多机构已经着手研究，并为解决这些日益受到关注的问题而开展富有意义的对话，以避免这些新型能源过于依赖水资源。例如，桑迪亚国家实验室在美国举办了一系列全国讨论会，目的是确定研究领域和创新方案，以减少能源领域的淡水用量和提高水资源的可用性。自此以后，美国国家科学基金会、美国审计总署、美国国家研究委员会、美国电力研究院、美国能源部等其他许多团体，以及约翰逊基金会等非营利机构，均已研究出创新方法来帮助解决这些问题。在国际上，联合国、世界银行、世界可持续发展委员会和加拿大研究所也纷纷开展各项工作，帮助研发和实施能源发展领域创新的低水密集型技术或方法。经过观察，大部分想法可归入以下四大类别。
减少电力和交通运输燃料的淡水用量
现有的许多方法都有助于减少发电所需的淡水用量。但是，像干式冷却和混合式冷却这样的技术，以及用水量低的可再生能源技术等，都还存在必须加以改善的成本或断续问题。由于几乎所有新的替代交通运输燃料都会增加用水量，如果要大规模生产这些燃料，就必须在种植、采矿、加工或精炼过程中采用耗水量更少的技术方法。
开发更易于使用非传统水资源的材料和水处理技术
随着淡水供应日益紧缺，需要进行废水回用和非传统的水资源利用，包括海水、苦咸地下水和采出水。能够以很低的能源投入来满足新兴水质要求的水处理新技术日趋重要。这些新技术能够减少水处理和泵送所需的能源消耗，同时加速在冷却以及液压压裂等能源使用领域对非传统水资源的利用。
改进水质评价及能源和水资源系统分析和决策工具
缺乏耗水量数据也加剧了可用水资源的不确定性。我们需要改进水资源的利用和消耗数据收集，以便更好地进行水资源监控。同时，决策支持工具和系统分析方法也需要加以改进，以便帮助社区和地区更好地理解和配合实施，形成能够最大限度降低淡水需求量和用量的可持续发展解决方案。此外，还需要建立地区气候变化模型，从而更好地预测气候变化在地区或流域层面对降水量和蒸发蒸腾等方面的影响。这些都将有助于我们充分了解水资源的可用性，并为改进水资源管理提供支持。
增加整合能源和水资源基础设施规划的机会
目前，水资源和能源的基础设施往往是分开管理的。将能源和水资源基础设施予以整合或设在同一位置并实施综合规划，可带来潜在的经济效益。此外，还可以更好地利用电厂或精炼厂的余热和水处理厂产生的废水，从而减少能源和淡水资源的使用。
在私营领域，许多企业和社会机构已开始利用自身的人才和资源解决这些问题。例如，美国电力研究协会(EPRI) 及其下属电力公司已着手研究新的低耗水型冷却技术，并帮助美国东南部的一家电厂建立了耗资1600 万美元的大型测试设施，用于测试创新的低耗水型冷却技术。所收集的数据亦与欧洲的电力公司共享。煤炭生产企业也在积极探索替代水源——例如海水淡化，并使用矿井水来减少淡水用量。在石油和天然气领域，加拿大和美国的企业均已开始通过在油砂和液压压裂中使用苦咸水和中水回用的方法，来最大限度减少淡水用量和废水处理。这些努力已在显著减少淡水用量的情况下提高了燃料产量。这些例子进一步有力地说明，我们需要社会各界的的广泛关注，通过综合考虑水足迹等环境指标，实现均衡利用自然资源和财政资源，以帮助推动和实现可持续发展的能源未来。
（来源：《基石》 作者：美国桑迪亚国家实验室杰出研究员 迈克尔•海托华（Michael Hightower））
