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受水资源和碳中和双重约束 黄河流域煤电选择艰难

日期:2021-01-08    来源:中国经营报  作者:李艳洁

国际电力网

2021
01/08
09:19
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关键词: 煤炭储备量 火电企业 燃煤电厂

黄河是我们的母亲河。只是,随着人类索取的越来越多,母亲河也不堪重负。

2020年12月,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》,确定黄河流域水资源超载地区包括干支流地表水超载的13个地市(涉及6个省区)、地下水超载的62个县(涉及4个省区17个地市)。

流经内蒙古、陕西、山西等八个主要省份的黄河,不仅是我国最重要的生态区域之一,也是最重要的能源基地、煤化工基地之一。

全球性的环保组织--绿色和平的研究发现,受限于水资源约束,黄河流域的煤电厂要同时满足水资源保护和实现2060年前碳中和的双重目标,面临着两难的境地。

煤电发展导致水资源过度开发

作为中国最重要的能源基地之一,黄河流域的煤炭储备量占全国总量的50% 以上。中国目前产煤规模最大的三个省份(内蒙古、山西和陕西)皆位于该流域内。为了节省煤炭运输成本,流域内大量煤电厂都选择靠近煤炭资源建厂。

热力电厂发电的原理是通过燃烧一次能源,例如煤炭,将煤炭中的能量通过锅炉中水蒸气转动涡轮从而转化为电能。但煤电的转化效率一般不超过40%,多余的热量则需要被其他介质带走。这种介质通常就是水或者空气。

中国农业大学国际学院副教授柴利介绍,火电产业的全产业链条对水资源的影响很大,火电企业在运转过程中需要冷却,火电厂的上游——煤炭的选洗、运输、烟气脱硫等也需要大量的水,造成水污染。

北京大学深圳研究生院环境与能源学院博士后研究员廖夏伟介绍,目前,应用最广的冷却系统主要有三种:闭式冷却(又称冷却塔)、开式冷却(又称直流式冷却)和空气冷却。在闭式冷却塔中,冷却水通过和空气接触,通过蒸发将多余的能量带走。冷凝后的冷却水可以被重复使用。直流式冷却系统则直接从河流等水体中取水,用作一次性冷却用水后即排出。空气冷却系统,即采用空气进行冷却,对于水资源的消耗和依赖最小。

“据美国新能源研究国家实验室统计,从2000到2015年间,美国发生了43起由于河流水温过高或者水量过少导致的火电厂冷却水匮乏从而减产或停产的事件。”廖夏伟介绍。

廖夏伟介绍,如果用水来冷却,对区域的水资源枯竭会造成很严重的压力;冷却之后,冷却水大量排放到水体当中,排放的冷却水温度相对比较高,所以会造成河流排放口周边的河流温度上升。水温上升之后,水体中的溶解氧下降,直接影响到水中很多需要靠溶解氧生存的生物。所以往往火电站造成的污染,会对当地的水生生态系统造成一些严重的影响。

黄河流域是中国水资源最为稀缺的地区之一。绿色和平近日发布的报告《黄河流域电力部门虚拟水转移及2030年电源结构优化研究》(下称《研究》)显示,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》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。

水利部印发的《关于黄河流域水资源超载地区暂停新增取水许可的通知》显示,地表水超载地区涉及甘肃白银,宁夏中卫,内蒙古包头、乌海、阿拉善盟、巴彦淖尔,山西临汾,河南焦作、济源,山东东营、德州、滨州、泰安,共计13个地市。地下水超载区涉及内蒙古呼和浩特、包头、巴彦淖尔,陕西西安、咸阳、渭南,山西太原、晋中、运城、临汾、吕梁、长治、晋城,河南开封、新乡、焦作、濮阳,共计17个地市62个县。

《研究》认为,黄河流域内的火电企业面临严峻的用水短缺风险。由于跨区域和跨流域输电的存在,用水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输送电量省份的电力供给稳定性。

能源结构需调整应对水碳双重约束

2004 年,国家发改委发布《关于燃煤电厂规划建设的要求》,要求缺水地区新建扩建的燃煤电厂采用空冷系统,并鼓励其他地区也采用空冷系统。然而,空气冷却系统占地面积较大、消耗的能耗较多、排放的二氧化碳较高。

经过绿色和平的测算,在水资源约束下最小的碳排放量约为19.60 亿吨,比“碳中和”所要求的16.33 亿吨超出20.05%。中国目前的发电结构建设无法同时满足“碳中和”约束和水资源约束。

要想同时在水资源约束条件下实现2030年前碳达峰和2060年前碳中和,能源结构调整势在必行。

《研究》显示,2015 年,黄河流域八个省的非化石能源发电量占比为6.34%,在2030 年“碳达峰”、碳交易和水资源约束情景下,非化石能源的占比需达到12.68%,在满足水资源约束前提且达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,发电技术进一步向清洁高效的方向倾斜(包括超临界、超临界+CCS(碳捕获与封存)、整体煤气化联合循环(IGCC)、IGCC+CCS、核电、风电、太阳能发电、生物质能发电)。超临界煤电直流水冷、IGCC 和天然气联合循环(NGCC)直流水冷发电量分别从2015 年的1,042 亿千瓦时、110亿千瓦时和46 亿千瓦时,上升至2030 年的1,941 亿千瓦时、3,900 亿千瓦时和946 亿千瓦时。此外,太阳能、风能发电量相比2015 年基准情景也有较大增长,分别从2015 年的251 亿千瓦时和881 亿千瓦时增长到2030 年的2,908 亿千瓦时和2,681 亿千瓦时。

2019 年9 月18 日,黄河流域生态保护和高质量发展座谈会在郑州召开。在会议上,习近平总书记将黄河流域生态保护和高质量发展作为重大国家战略提出,要求把水资源作为黄河流域发展的刚性约束,以水定城,以水定地,以水定人,以水定产。

“黄河流域大部分为中国北方干旱、半干旱地区,黄河流经的大部分生态功能区都是国家主体功能区中的生态脆弱区,这些区域对于黄河流域的生态保护乃至全国的生态安全有着不可替代的重要作用。一旦当地的化石能源发展不能得到合理的规划和限制,不仅会使水资源- 能源矛盾进一步尖锐,更会影响到国家整体生态系统的稳定和安全。”廖夏伟表示。

《研究》建议,黄河流域内各省需要在推进可再生技术发展和储能技术改进的同时,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。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。


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