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受水資源和碳中和雙重約束 黃河流域煤電選擇艱難

  來源:國際煤炭網 有335人瀏覽 日期:2021-01-12放大字體  縮小字體

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        黃河是我們的母親河。只是,隨著人類索取的越來越多,母親河也不堪重負。

2020年12月,水利部印發《關于黃河流域水資源超載地區暫停新增取水許可的通知》,確定黃河流域水資源超載地區包括干支流地表水超載的13個地市(涉及6個省區)、地下水超載的62個縣(涉及4個省區17個地市)。

流經內蒙古、陜西、山西等八個主要省份的黃河,不僅是我國最重要的生態區域之一,也是最重要的能源基地、煤化工基地之一。

全球性的環保組織--綠色和平的研究發現,受限于水資源約束,黃河流域的煤電廠要同時滿足水資源保護和實現2060年前碳中和的雙重目標,面臨著兩難的境地。

煤電發展導致水資源過度開發

作為中國最重要的能源基地之一,黃河流域的煤炭儲備量占全國總量的50% 以上。中國目前產煤規模最大的三個省份(內蒙古、山西和陜西)皆位于該流域內。為了節省煤炭運輸成本,流域內大量煤電廠都選擇靠近煤炭資源建廠。

熱力電廠發電的原理是通過燃燒一次能源,例如煤炭,將煤炭中的能量通過鍋爐中水蒸氣轉動渦輪從而轉化為電能。但煤電的轉化效率一般不超過40%,多余的熱量則需要被其他介質帶走。這種介質通常就是水或者空氣。

中國農業大學國際學院副教授柴利介紹,火電產業的全產業鏈條對水資源的影響很大,火電企業在運轉過程中需要冷卻,火電廠的上游——煤炭的選洗、運輸、煙氣脫硫等也需要大量的水,造成水污染。

北京大學深圳研究生院環境與能源學院博士后研究員廖夏偉介紹,目前,應用最廣的冷卻系統主要有三種:閉式冷卻(又稱冷卻塔)、開式冷卻(又稱直流式冷卻)和空氣冷卻。在閉式冷卻塔中,冷卻水通過和空氣接觸,通過蒸發將多余的能量帶走。冷凝后的冷卻水可以被重復使用。直流式冷卻系統則直接從河流等水體中取水,用作一次性冷卻用水后即排出。空氣冷卻系統,即采用空氣進行冷卻,對于水資源的消耗和依賴最小。

“據美國新能源研究國家實驗室統計,從2000到2015年間,美國發生了43起由于河流水溫過高或者水量過少導致的火電廠冷卻水匱乏從而減產或停產的事件。”廖夏偉介紹。

廖夏偉介紹,如果用水來冷卻,對區域的水資源枯竭會造成很嚴重的壓力;冷卻之后,冷卻水大量排放到水體當中,排放的冷卻水溫度相對比較高,所以會造成河流排放口周邊的河流溫度上升。水溫上升之后,水體中的溶解氧下降,直接影響到水中很多需要靠溶解氧生存的生物。所以往往火電站造成的污染,會對當地的水生生態系統造成一些嚴重的影響。

黃河流域是中國水資源最為稀缺的地區之一。綠色和平近日發布的報告《黃河流域電力部門虛擬水轉移及2030年電源結構優化研究》(下稱《研究》)顯示,從2010至2015年,黃河流域內八大省份火電行業的用水總量和耗水總量分別從92.65億立方米和89.95億立方米增至133.13億立方米和132.27億立方米,增幅超過四成;八省總水資源使用量中有6.1%被用于火電部門做冷卻環節。其中山東省、內蒙古自治區和河南省的火力發電總取水量最大。

《研究》指出,2015年,黃河流域八省通過電力傳輸向中國其他省份輸送了共計5.63億立方米的虛擬水資源,凈流出1.19億立方米的虛擬水。由此可見,煤電資源的開發和輸出進一步加重了黃河流域水資源稀缺和地下水超采等問題。2019年《黃河水資源公報》顯示,黃河全流域已形成6個淺層地下水降落漏斗、18個淺層地下水超采區。

水利部印發的《關于黃河流域水資源超載地區暫停新增取水許可的通知》顯示,地表水超載地區涉及甘肅白銀,寧夏中衛,內蒙古包頭、烏海、阿拉善盟、巴彥淖爾,山西臨汾,河南焦作、濟源,山東東營、德州、濱州、泰安,共計13個地市。地下水超載區涉及內蒙古呼和浩特、包頭、巴彥淖爾,陜西西安、咸陽、渭南,山西太原、晉中、運城、臨汾、呂梁、長治、晉城,河南開封、新鄉、焦作、濮陽,共計17個地市62個縣。

《研究》認為,黃河流域內的火電企業面臨嚴峻的用水短缺風險。由于跨區域和跨流域輸電的存在,用水短缺的風險不僅會影響黃河流域內火電廠的生產,也會沖擊河北、北京和遼寧等接收外省輸送電量省份的電力供給穩定性。

能源結構需調整應對水碳雙重約束

2004 年,國家發改委發布《關于燃煤電廠規劃建設的要求》,要求缺水地區新建擴建的燃煤電廠采用空冷系統,并鼓勵其他地區也采用空冷系統。然而,空氣冷卻系統占地面積較大、消耗的能耗較多、排放的二氧化碳較高。

經過綠色和平的測算,在水資源約束下最小的碳排放量約為19.60 億噸,比“碳中和”所要求的16.33 億噸超出20.05%。中國目前的發電結構建設無法同時滿足“碳中和”約束和水資源約束。

要想同時在水資源約束條件下實現2030年前碳達峰和2060年前碳中和,能源結構調整勢在必行。

《研究》顯示,2015 年,黃河流域八個省的非化石能源發電量占比為6.34%,在2030 年“碳達峰”、碳交易和水資源約束情景下,非化石能源的占比需達到12.68%,在滿足水資源約束前提且達到最小碳排放量情景下,非化石能源占比需上升至19.15%。

《研究》推算,在“碳中和”情景下,發電技術進一步向清潔高效的方向傾斜(包括超臨界、超臨界+CCS(碳捕獲與封存)、整體煤氣化聯合循環(IGCC)、IGCC+CCS、核電、風電、太陽能發電、生物質能發電)。超臨界煤電直流水冷、IGCC 和天然氣聯合循環(NGCC)直流水冷發電量分別從2015 年的1,042 億千瓦時、110億千瓦時和46 億千瓦時,上升至2030 年的1,941 億千瓦時、3,900 億千瓦時和946 億千瓦時。此外,太陽能、風能發電量相比2015 年基準情景也有較大增長,分別從2015 年的251 億千瓦時和881 億千瓦時增長到2030 年的2,908 億千瓦時和2,681 億千瓦時。

2019 年9 月18 日,黃河流域生態保護和高質量發展座談會在鄭州召開。在會議上,習近平總書記將黃河流域生態保護和高質量發展作為重大國家戰略提出,要求把水資源作為黃河流域發展的剛性約束,以水定城,以水定地,以水定人,以水定產。

“黃河流域大部分為中國北方干旱、半干旱地區,黃河流經的大部分生態功能區都是國家主體功能區中的生態脆弱區,這些區域對于黃河流域的生態保護乃至全國的生態安全有著不可替代的重要作用。一旦當地的化石能源發展不能得到合理的規劃和限制,不僅會使水資源- 能源矛盾進一步尖銳,更會影響到國家整體生態系統的穩定和安全。”廖夏偉表示。

《研究》建議,黃河流域內各省需要在推進可再生技術發展和儲能技術改進的同時,加快其電力行業轉型,提高風能、太陽能等能夠同時實現節水減碳效益的可再生能源。同時,需要加快水資源節約型社會的建設,通過水資源高效利用技術、水權市場的建立、水資源費改稅等革新舉措的推進,確保水資源管理制度得到最嚴格的實施。

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