超载2倍！“能源心脏”黄河流域陷入水危机，如何优化电源结构？

限电措施和煤炭短缺的阴影下，一场“保卫黄河”的战役正在打响，至少是在学术层面。

黄河流域在中国能源版图上有着心脏一般的地位，它不仅是中华文明的孕育之地，也是中国最重要的能源基地、煤化工基地之一。这些身份叠加，使得该流域“水-能”规划日程日益严峻。

12月23日，绿色和平与北京大学环境科学与工程学院共同发布了《黄河流域电力部门虚拟水转移及2030年电源结构优化研究》报告（以下简称《黄河流域虚拟水报告》）。

该报告中的“虚拟水”，即商品生产和服务过程中被消耗的“看不见”的水资源量，对能源结构、环保意义重大。黄河流域以火电为主的能源结构，耗水较大，决定了虚拟水的重要决策风向作用。

“超载”的黄河

近年来，中央政府已经将水资源治理提高到更高水平，其中黄河流域治理问题广受关注。

黄河流域以我国河川径流量的2%，匹配全国13%的耕地面积和超过50%的能源储备，成为我国粮食矛盾和工业用水矛盾的聚焦地。黄河流域当前水资源开发利用率高达80%，远超40%的生态警戒线。

煤炭产业的全生命周期，都在加剧黄河流域的水危机。不只是火力发电本身，火电厂上游，包括煤炭的采洗也会造成严重的水污染问题。

12月17日，水利部印发《关于黄河流域水资源超载地区暂停新增取水许可的通知》。《通知》明确，黄河流域中，干支流地表水超载有13个地市(涉及6个省区)、地下水超载62个县(涉及4个省区17个地市)。

《黄河流域虚拟水报告》指出，2015年，黄河流域八省通过电力传输向中国其他省份输送了共计5.63亿立方米的虚拟水资源，净流出1.19亿立方米的虚拟水。由此可见，煤电资源的开发和输出进一步加重了黄河流域水资源稀缺和地下水超采等问题。

2019年《黄河水资源公报》显示，黄河全流域已形成6个浅层地下水降落漏斗、18个浅层地下水超采区。

《黄河流域虚拟水报告》指出：

黄河流域发电用水逐年增加，对流域稀缺水资源的影响日趋严重。

从2010至2015年，黄河流域内八大省份火电行业的用水总量和耗水总量分别从92.65亿立方米和89.95亿立方米，增至133.13亿立方米和132.27亿立方米，增幅超过四成。八省总水资源使用量中有6.1%被用于火电部门做冷却环节。其中山东省、内蒙古自治区和河南省的火力发电总取水量最大。

研究报告撰写者之一，牛津大学博士、北京大学博士后研究员廖夏伟分析指出，黄河流域水能矛盾高度突出，主要有两大深层次原因：

一是黄河流域能源分布与水资源分布严重不匹配，集中了50%的煤炭资源，但是水资源量相对紧缺。上世纪末，黄河流域断流每天高达200多天。黄河流域8大省（除去四川省），人均水资源量相对比较枯竭。

二是资源分配与用电中心地理位置不匹配，我国建立了世界上最大的输电机制，但能源供给大省，如山西、内蒙、陕西、宁夏，恰恰是水资源极度缺乏的地区。山西省是我国第二大产煤大省，人均水资源只有300多立方米/人，为联合国定义下极度缺水地域。很多煤电企业为了减少煤炭运输成本，将电厂就近建在能源基地，加剧了地下水超采枯竭。

另据绿色和平统计，黄河流域重点8省的煤化工项目共计116个，占当下中国煤化工项目总量的67%，而这些项目都是耗水、耗能大户。

耗煤量方面，煤间接制油项目的煤耗量最高，为4830万吨；煤直接制油和煤制气项目煤耗量在千万吨左右，分别为909万吨和1757.4万吨。耗水量方面，煤制烯烃项目的耗水量极为突出，预估约需要消耗47280万吨新鲜水，同时煤制乙二醇项目的耗水量也紧随其后，需要消耗约13620万吨的新鲜水。

“碳中和”与节水难兼顾

“与美国相比，我国人均电力消费量处于相对较低的水平，未来仍会呈现持续性增长，电动车推广也将成为其推动因素。”廖夏伟称。

如今，电力行业已成为经济社会发展必不可少的支柱，这也是一个对水资源高度依赖的行业。

原因在于，90%的煤电厂在冷却中需要用到水。煤电厂转化效率通常在30%-40%左右，多余的热量需要被其他介质带走，最常见的冷却介质就是水和空气。

中国农业大学副教授柴利介绍，火电厂主要有三种冷却方式，第一种是干冷技术，即空气冷却。另一种是湿冷，分闭式循环和开放式循环两种。开放式冷却取水量非常大，每兆瓦时可消耗85立方米的水。

据绿色和平2016年发布的报告，一家装机容量为500兆瓦、采用直流冷却系统的燃煤电厂，每三分钟就能抽干相当于一个奥林匹克竞赛规模泳池的淡水。

黄河流域水资源相对枯竭，因此空冷技术、耗水较少的闭式循环一直被鼓励提倡。但硬币的另一面是，使用空冷的代价是降低热效率，能耗显著增加，同时产生大量的石油类污染物、重金属污染物。

《黄河流域虚拟水报告》指出，黄河流域250多个电厂中，近40%左右每年4月都面临水资源短缺的风险，不仅会影响黄河流域内火电厂的生产，也会冲击河北、北京和辽宁等接收外省的电力供给稳定性。

《黄河流域虚拟水报告》得出的结论显示，“碳中和”和水资源约束“三条红线”的目标难以同时实现，发电结构亟需调整，技术革新势在必行。

在碳排放量达到限额16.33亿吨的同时，经济成本和耗水量也飙升至6.22万亿元和49.16亿吨。

报告指出，在黄河流域八省这样的干旱缺水地区，在碳排放量还有一定上升空间且水资源极度紧张的情况下，采用能耗较高但用水量较低的空气冷却技术，对于黄河地区发电行业的发展十分重要。空气冷却技术可以将整个流域面临缺水风险的发电量降低至23.45%。

报告建议，黄河流域内各省需要积极推进可再生技术发展和储能技术改进，加快其电力行业转型，提高风能、太阳能等能够同时实现节水减碳效益的可再生能源的发电占比。

同时，需要加快水资源节约型社会的建设，通过水资源高效利用技术、水权市场的建立、水资源费改税等革新举措的推进，确保水资源管理制度得到最严格的实施。

由此，综合可再生能源发电技术和空气冷却技术的发展，黄河流域八省能更有效地实现节水与减排共同效益。