中国能源发展的水约束

水是生命之源泉，生产之要素，生态之基础。能源是人类进步的物质动力，也是经济的血液。能源生产、转化与使用的许多过程都需要消耗大量的淡水。能源与水的关系日益受到重视。我国人多水少，水资源总体匮乏，水体污染严重，水生态环境不断恶化。为此，国务院已开始实行"最严格水资源管理制度"。水已成为制约我国经济社会可持续发展的主要瓶颈，对能源发展的约束也日趋严重。

如何系统性地量化分析能源和水的关系？如何协调能源发展与水资源利用的关系？能源领域有哪些节水技术途径与政策选项？中国如何通过技术与政策手段节约用水、降低水源污染？

2013年9月8日，北京国际能源专家俱乐部在神华集团位于昌平的北京低碳清洁能源研究所举办题为"中国能源发展的水约束"专家研讨会，围绕上述问题进行了讨论。BP集团首席科学家魏爱伦（ Helen Williams）博士以"能源活动的水维度"为题做了主旨发言。国家能源专家咨询委员会主任、北京国际能源专家俱乐部名誉理事会主席张国宝先生、国家能源局前副局长吴吟先生等出席了会议，神华集团副总经理韩建国先生到会致辞。来自国务院研究室、发改委、环保部、财政部、国家能源局、中科院、社科院、中石油、中石化、中海油、华能、华电等多家单位的60余名专家学者参与了讨论。

魏爱伦博士的主要观点总结如下：

1. 能源与水、耕地、原材料、碳排放之间保持着高度复杂、相互作用的关系

能源生产和使用需要用水，而水的供应和处理也要消耗能源。冶金和采矿业不仅耗水也耗能。农业既生产能源（生物质燃料），也消耗能源；既是耗水大户（占全球取水量的70%），也是温室气体排放大户（占全球排放量的28%）。因此，能源政策应该考虑能源与其他要素之间的相互约束与影响。

2. 不断增长的能源需求和气候变化为全球可持续发展带来严峻挑战

大气温室气体浓度已从工业革命前的290 ppm增加到目前的400ppm，改变了原有的大气热平衡。国际能源署（IEA）预计到本世纪末，温室气体浓度将增加到600ppm，地表温度上升4摄氏度；而最差的情景是温室气体浓度将达到800 ppm，全球升温6度。这两个情景与国际社会希望将大气温室气体浓度控制在450 ppm、全球升温不超过2度的目标相差甚远。几乎可以肯定地说，21世纪极端高温出现的频率和幅度将在全球范围内增加，而出现极端低温的频率会大幅降低。越来越多证据表明，今后25年，热浪、极端降雨和伴发洪涝等以前甚为罕见的极端天气事件出现的频率也会越来越高。

3. 全球对淡水问题的讨论带有情绪化倾向，在认识上存在误区

全球每年淡水取水量超过了4万亿m3，其中农业取水量约占70%，电力行业取水量约占10%，能源开采和加工平均取水量占比2%。

目前人们对淡水问题的讨论往往带有情绪化倾向，在认识上存在误区。主要是没有区分"取水量"（从当地流域提取的水量）和"耗水量"（从当地流域提取后没有返回的水量），导致了不正确的结论。以美国为例，2005年淡水取水总量为4.83亿m3，但用水量只有1.35亿m3。不区分取水量和耗水量就不能澄清人类活动中哪些环节需要用淡水，哪些环节可以通过水的再利用或用低质水（一般是半咸水或咸水）替代，也不能区分自然雨水灌溉和人工淡水灌溉对当地水系和生态系统的影响。

4. 世界水资源分布很不均衡，匮乏程度因地区而异

一个地区水资源匮乏程度取决于当地气候和人口密度两个因素，世界范围内水的紧张度不一，有些地区特别严重。现在水资源紧张的地区到2030年以后紧张度会不断加重。如中国的北方地区目前已出现水紧张问题，未来缺水紧张度会越来越严重。

5. 中国能源领域耗水量将高于世界平均水平，需大幅度提高用水效率

以煤为主的能源结构、很高的工业用能比重以及快速发展的能源基础设施导致中国能源行业对水的需求量高于世界平均水平。按照目前的趋势，未来中国能源领域的取水量将随着能源需求的增加而增长。只有加大资本投资，推动技术变革，加上政策引导，才能提高用水效率，降低用水强度。

6. 通过4R方法可以大规模减少能源和电力领域的用水量

全球性的水资源压力正在推动能源和发电行业采用一些常识性的实践来节约用水，可用4R概括：

一是替代（Replacement）: 主要使用海水、半咸水、产出水和废水等非淡水水源替代淡水；

二是再利用（Re-use）: 指相同的水在工业流程中多次使用；

三是再循环（Recycle），对废水进行处理使其可以再次使用，从而取代其他用途所需的淡水；

四是地区责任制（Regional responsibility）: 通过调整工业布局与做法，以适应当地淡水资源可用程度并考虑其他需求。

这些做法并不涉及任何高新技术，目前在世界多个地区都有实践证明，化石能源生产与消费过程所需的淡水量可以通过水的再利用和低质水替代而日益降低。在能源开采业，过去50年的管理进步大大改善了用水强度，未来能源的耗水量未必与能源需求同比例增长。

7. 化石能源在开采与转化过程都有巨大的节水潜力与成熟的做法

目前化石能源开采用水量的相关数据没有及时更新，实际上用水方式方法的改进已经节约了大量的水资源。化石能源开采适用的淡水量可通过水的再利用和适用低质水代替而日益降低，从而降低用水强度。

" 石油开采可用低质产出水代替淡水

油藏中蕴含的石油通常能采收30%左右，通过利用提高采收率法采油（EOR）可增加采油量。全球陆上石油生产过程一般伴随着产出水的生产，平均是每桶油生产3桶水。开采过程中如果用低质产出水代替淡水通过压力进行开采，淡水用量会大幅降低。在海上石油开采方面，许多国家用盐水来代替淡水，如挪威海上开采石油基本不用淡水而是用海水开采石油。

" 煤炭开采业也具有很多节水机会

煤炭工业因煤矿渗水、作业污水以及全矿场污水控制而面临环境挑战。影响煤矿淡水使用量的因素包括：

" 替代水源和再循环水的使用，如进入煤矿的水或作业过程中的循环水；

" 选煤类型和程度决定了洗煤用水量；

" 煤层性质决定了附连水和抑尘的需要；

" 煤矿所在地环境：在水资源紧张的地区，存水的蒸发速率可以主导水的消耗量。

煤炭工业通过推广最佳实践可以找到大量降低水耗的机会。在澳大利亚，通过执行严格的用水标准，波文地区煤矿淡水消耗量在每吨煤0.15m3左右，煤矿淡水使用量占总用水量为15~49%；而在中国山西地区，吨煤淡水消耗量在0.25~0.3m3左右，中国煤矿平均吨煤淡水消耗量在0.06~1.6m3之间。

" 现代电厂可通过技术革新降低淡水需求

电力生产由于余热消散需要进行大量冷却而成为能源与水关系中一个较为独特的环节。全球电力生产每年的淡水取水量约为4500亿m3，然而全球电力行业每年的淡水消耗量仅为取水量的一小部分，为160亿m3左右。

全球发电主要有三种冷却方式：美国大部分使用直流式冷却，耗水量大，可用盐水替代；第二是冷却塔冷却，只要一次取入水，取水量比直流式少很多，但需要干净的水；最后是干式空气冷却，耗水量少，但资金需求密集，在南非用的比较多。从冷却类型及效率综合比较看，直流式冷却的取水量比封闭式循环冷却和干式冷却的取水量要高出几个数量级，但可以用盐水代替，而冷却塔冷却虽然取水量少，但需要比较干净的水。

未来可以用干式冷却或是封闭式循环冷却替代方案逐步淘汰淡水直流式冷却，通过电厂选型可以降低取水量。如果新建发电厂都采取循环冷却、空气冷却或海水冷却，那么将来淡水取水量可以减少，即使2030年电力需求增长50%，取水量仍会下降30%。

" 炼油领域可以通过改进装置设计达到节水目的

无论是化石能源的提炼还是转化，目前都有通过低质水再利用、再循环和替代利用等方法降低淡水取水量和消耗量的大量实践。如果所有用水环节都用淡水，那么典型配置炼厂的取水量约为250m3/TJ（每桶成品油需要9桶水），耗水量约为13m3/TJ（每桶成品油0.46桶水）。按照现有工艺，炼油的消耗性用水强度约5~26m3/TJ（每桶成品油0.2~1桶水之间），燃料合成的耗水强度为0~18m3/TJ（气制油，每桶成品油0~0.65桶水之间）或300m3/TJ（煤制油，每桶成品油10.8桶水）。全球整个炼油和化工行业年淡水消耗量据估计只有50亿m3，其中原油提炼占80%，全球炼油和化工行业年淡水取水量约为200亿m3，占人类年总淡水取水量0.5%。在炼油装置设计上存在很多可以改进用水效率的环节。主要用水环节包括进料处理和化学反应（直接用水）以及冷却（间接用水）。在炼油厂中利用再生水或是盐水可以大幅度降低对淡水的需求。

8. BP在节水方面有较好的实践经验

BP公司在水资源管理上本着"降低风险、建立信任、创造价值"的原则，在所有业务中都有责任的使用水，形成了一整套成熟的做法。以BP在西澳大利亚奎纳纳（Kwinana）的炼厂为例，为应对该地区严重干旱导致日益趋严的用水限制，BP于1997年启动了"水再利用和最小化方案"，以最大程度减少用水量，采用低质水，实现废水零排放。通过改造现有工厂和设计新系统来提高厂内用水效率、用地下水取代市政饮用水作为工艺用水补给并在炼厂厂区建设水回收项目等措施，BP将该炼厂的桶产品淡水消耗量从1997年的0.36桶降到2008年的0.2桶，并且大幅度减少了运营成本。该炼厂目前使用的淡水主要是水质低于市政用水的低质水，目前饮用水的消耗量约为50万升/天，远低于1997年的600万升/天。

9. 中国应鼓励使用非淡水资源作为页岩气开发的压裂液

页岩气开采初期需要进行压裂，用水量较大，生产阶段基本上不需要重新注水，因此从全生产过程来看，平均用水强度不高。美国页岩气开发初期使用淡水可以帮助精准的添加化学物，以控制压裂过程，目前正在开发用低质水、半盐水或使用过的水进行重复利用代替淡水，减少污染。中国应鼓励在页岩气开发初期就使用非淡水资源进行压裂。

10. 污水治理最有效的方式是使排放费用大大高于处理费用

政策监管和经济措施对于节水工作非常重要。在美国，企业节水并不只是因为政策的要求，更主要的是经济的压力。因企业向外排放废水需要缴纳的费用大大高于在厂内处理的费用，企业为了减少排放和污水处理量，只有从源头上最大程度地减少用水量。

与会专家感谢魏爱伦博士的详尽介绍，并在随后的讨论中阐述了以下观点：

1. 水不仅是中国能源发展的硬约束，也是国家生存与发展的制约因素。气候变化使得亚洲27亿人口赖以生存的共同水源--青藏高原的供水能力恶化，影响我国的水供应安全。虽然在政策层面国家要求实现最严格的水资源管理制度，但在操作层面，节水和污水治理问题尚未引起全社会的高度重视。水的价格低，水的循环利用没有得到普及，水资源破坏严重。水在总量、质量和风险控制方面都存在很大的隐患。

2. 中国煤炭资源与水资源呈逆向分布，能源发展的水资源约束要比其他国家更强。随着中国能源需求总量的增加，能源开发逐步转向生态环境脆弱、水资源匮乏的西部地区，西部能源开发特别是煤炭的生产、洗选与转化会加剧水资源消耗，煤炭开采也会对地下水产生严重破坏。

3. 我国能源企业也在加大节水力度，有许多经验值得分享。如神华集团经过10年的探索形成了一套地下水保水开采技术，并获得了全国能源科技一等奖。公司在节能节水，推广水资源再生利用的同时，还与内蒙古自治区达成协议，通过提高农业灌溉用水效率，置换节约下来的水用于能源发展。石油开采与炼化企业也都在采用节水和水循环再利用技术，做到污水零排放。在发电行业，中国拥有全球规模最大的空冷发电机组，并正在推广热泵技术来提高总体能源利用效率，节约水资源。

4. 节能也可以促进节水。"十一五"期间，我国通过积极的节能措施，直接节约用水4.7%，通过节能而产生的节水量占节水总量的9.46%。这相当于在"十一五"期间通过节能节约了一条黄河的流量。因此，节能与节水工作应相互借鉴，并驾齐驱。

与会专家就我国的水资源管理与节水工作提出了以下建议：

1. 增强并普及对水安全问题的危机感，紧迫感。提高对缺水问题的忧患意识，从战略高度研究我国长期水供应安全问题，提出应对措施。

2. 在水资源节约和再利用上狠下功夫。中国6000亿吨左右的淡水供应能力已到尽头，需要在不增加淡水供应的前提下谋求发展。

3. 树立"全面节水"的理念，建立相应的机制。在全方位、全过程（能源勘探、生产、运输、转换、终端使用等）、全社会进行节水，加大节水投入，制定全民节水行动计划。

4. 制定对区域负责的水资源利用规划。在西部缺水地区，水规划要做在能源规划前头。

5. 研究试点水权置换交易，制定相关的监管框架与监督机制。在各相关政策与机制未建立到位之前应谨慎对待水权置换安排。

6. 多做水利工程，留住雨水。在城市里，对雨水与污水分开保存与处理，减少污水处理厂的工作量。

7. 通过水价改革，提高污水排放费等经济措施，促进节水与污水治理工作。

8. 推动企业在水资源提取和使用、污水排放与处理方面的信息公开。目前我国能源企业用水统计数据模糊不详，应完善统计，披露信息，增加透明度，积极邀请社会机构参与监督，促进全社会对能源企业用水节水工作的理解。

9. 加强水资源与生态环境、土地、能源的综合研究。建立对中国水、土地、矿产资源等日益吃紧的资源综合数据库，并分析资源利用的边际价值曲线，按照本地区资源的综合禀赋程度，因地制宜地做好区域发展规划。

10. 推动水资源问题的跨部门、跨行业合作，以多维度视角统筹评估与防范风险。