新研究揭示全球火電行業冷卻技術的碳水權衡機制

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/8/506440.shtm

氣候變化和水資源短缺是當前全球面臨的兩大重要挑戰。火電行業作為全球最大的二氧化碳人為排放源，一方面是導致氣候變化的重要原因（人類活動影響自然環境）；另一方面，氣候變化下水文循環的改變（如水資源稀缺、水溫升高）又會嚴重制約火力發電，威脅能源安全（自然環境反饋人類社會）。

  ?

人-地耦合視角下電力部門的水-碳權衡關系示意圖（課題組供圖）

近日，《自然·水》期刊發表北京大學環境科學與工程學院研究員覃櫟為論文第一作者及共同通訊作者的最新成果論文。

覃櫟告訴《中國科學報》，本研究聚焦于氣候變化下廠級冷卻技術部署及其碳-水權衡規律的時空動態演變，在全球尺度上揭示了水資源與碳排放權衡關系的雙向耦合機制和空間分布特點，探究了非常規水源和碳封存技術在全球電廠尺度的靈活應用潛力，為碳中和目標下的電力系統規劃和能源安全提供科學依據。

能源行業冷卻技術的轉型（如采用干式冷卻技術）可緩解火電行業面臨的水資源壓力，但同時存在熱交換效率低、風機耗能高等缺點，且其發電效率和碳排放將進一步隨著氣候變化非線性增長。

與此同時，非常規水資源利用及二氧化碳捕集技術則可能有效緩解諸如干式冷卻技術帶來的碳-水權衡效應。

因此，在人地耦合視角下，綜合冷卻技術轉型、非常規水源利用、以及碳封存等技術，識別電力部門的碳-水雙向耦合機制，是氣候變化及水資源短缺雙重挑戰下電力部門面臨的重要科學瓶頸及現實問題之一。

研究團隊基于全球電廠數據集、氣象水文模擬、非常規水源和碳封存潛力估算，搭建了全球高精度的冷卻技術-非常規水資源-碳封存技術的電力部門碳-水權衡機制綜合評估框架，為電力行業應對人地耦合視角下氣候變化和水資源短缺雙重挑戰提供科學依據。

研究發現，全球主要燃料類型的干式冷卻技術存在明顯的碳-水權衡關系。從空間分布來看，取水量減少較大的電廠主要集中在中國北方、美國西部和非洲南部，二氧化碳排放量大幅增加的機組則集中在印度和中國北方。環境溫度升高會導致更高的背壓，干式冷卻機組的效率損失將非線性增加。在RCP6.0和RCP8.5情景下，環境溫度和效率損失將持續增加，且效率損失的增加速度快于環境溫度的增速。

通過對冷卻技術、非常規水資源和碳封存潛力的耦合評估，研究發現，提高污水回用比例可使非常規水滿足冷卻水需求的火力發電容量從25%增加到85%，而將非常規水收集距離從10km增加到50km，冷卻水滿足率將從15%增加至42%。因此，積極開發非常規水源回收利用和碳封存技術將為解決電力部門的碳-水權衡提供機會。

同時，研究還發現，對于中國東部、印度和泰國等干式冷卻技術-非常規水資源-碳封存技術耦合都難以應對其電力部門碳-水權衡的地區，迫切需要可再生能源轉型等策略來解決碳-水權衡困境，從水資源角度提出了碳中和目標下電力部門低碳轉型的優先布局。

論文共同通訊作者為清華大學深圳國際研究生院的洪朝鵬助理教授。論文其他合作者還包括多個研究機構相關領域知名專家。

該研究工作得到了中國國家自然科學基金委等項目的支持。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s44221-023-00120-6#citeas