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在中国,燃煤发电的用水量巨大,其水需求仅次于农业位居第二,占当前中国社会各部门总体水需求的8%以上。为实现《巴黎协定》提出的“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2℃之内,并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5℃之内的目标,未来中国煤电的发展将受到制约,进而促使电力部门的水需求总量和空间分布格局发生改变。

20214月,清华大学地球系统科学系蔡闻佳课题组博士生李浩然等在《应用能源》(Applied Energy)杂志发表了题为“2度与1.5度目标下中国煤电转型的流域尺度水压力风险”(Catchment-level water stress risk of coal power transition in China under 2℃/1.5℃ targets)的研究论文。研究指出,在制定了更加严格的气候目标背景下,煤电转型对于降低其导致的水压力风险有显著的协同效益,但煤电分布可能会逐渐向部分省区集中,中国北方一些流域持续面临的水压力问题仍需关注。

1.研究框架


当前,现有关于电力行业水资源影响的研究多采用能源系统技术经济模型或宏观经济模型,在省级或区域尺度进行宏观分析,难以识别自然地理空间差异的影响。也有部分研究使用电厂数据,制定了高空间分辨率的煤电发展路径(及其水需求变化),但并未综合考虑气候、环境、能源等宏观政策以及经济等因素的影响。为了既发挥两类模型方法的优势又弥补研究不足,本研究自行构建了一套带有空间地理及取水信息的中国煤电机组数据集(China Coal-fired Power Units Dataset),并进一步开发了省级尺度的中国电力系统技术经济模型(MESEIC),同时将社会经济共享路径(SSPs)与碳减排目标(参考情景/2/1.5度目标)结合作为发展情景,制定了未来多情景目标下中国省级尺度煤电转型路径(如图1)。

为识别煤电发展在水资源流域尺度的水压力风险,本研究将MESEIC计算出的省级煤电装机容量作为发展路径输入。考虑到煤电厂的运行及退役存在不确定性,本研究采用蒙特卡洛方法,对未来中国煤电的省级发展路径进行降尺度分析,给出了中国煤电厂的地理空间分布概率及其流域(catchment)尺度的水需求情况(如图2)。研究引用风险评估中“超越概率”(Exceedance Probability)的概念作为风险衡量标准,评估典型浓度路径(RCPs)下2050年中国各流域的水资源变化情况,最终提出在2050年多情景下中国煤电面临的水压力风险评估结论。

2. 煤电发展的省级路径与流域空间水资源影响的尺度转换

 

研究结果表明,中国煤电转型仍然存在多种不确定性,其发展趋势与碳捕集与封存(CCS)等技术的进步密切相关。另外,中国煤电发展呈现向部分煤炭资源丰富的省份集中的趋势(如图3所示)。对于煤电的用水需求,不同条件下中国煤电厂的取水存在较大差异。在无碳排放约束的条件下,全国煤电厂的取水总量将达到122-1762亿立方米,而在2度和1.5度目标下,这一总量将分别下降为107亿-592亿立方米和1.1亿-355亿立方米。尽管1.5度目标带来了煤电取水总量的显著下降,但考虑到煤电机组分布的集中效应,部分流域仍然难以免受煤电的水压力影响。2015年煤电水压力的来源主要集中在西北和华北地区,在1.5度目标下,这些地区大部分流域的煤电水压力将得到缓解。但是在内蒙古、新疆等地区的部分流域,煤电引发水压力的风险仍然较高(如图4所示)。

3. 不同气候目标下的2050年煤电装机发展情景


4. 未来多情景目标下流域尺度的煤电水压力概率风险分布(红色即代表其出现水压力的概率风险)

 

本研究的结果表明,受气候目标的制约,未来煤电发展的总体规模可能会受到影响,其水资源总量的需求可能降低。但在煤电分布的集中化趋势下,对于局部区域的水资源影响仍然值得研究者和政策制定者关注。本研究在方法上综合运用了宏观经济模型和地理空间数据的优势,综合考虑宏观政策在自然地理空间的影响,为相关研究者和政策制定者提供了参考。

地学系博士生李浩然为本文第一作者,蔡闻佳副教授为通讯作者。论文合作者还包括纽约州立大学石溪分校何钢助理教授,地学系博士后崔学勤,博士毕业生惠婧璇、聂耀昱,博士生翁宇威和环境学院王灿教授。本研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、清华-力拓资源能源与可持续发展研究中心以及清华大学辅导员海外研修计划的支持。清华大学环境学院博士生陈艺丹、郭芳、王嘉琛等对本研究提供了帮助。

 

原文链接及二维码

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116986

供稿:李浩然

编辑:王佳音

审核:武海平

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