气候变化与水资源短缺是全球当前面临的重要挑战，碳排放量大且高度依赖冷却水的火电行业在未来气候变化下将受到制约，威胁能源安全。以冷却技术转型为例，电力部门可能存在水资源与碳排放的权衡关系，在人地耦合视角下精细化识别电力部门的水-碳双向耦合机制至关重要。北京大学覃栎研究员团队基于全球电厂数据集、气象水文数据、非常规水源和碳封存潜力估算搭建了全球高精度的冷却技术-非常规水资源-碳封存技术的电力部门碳-水权衡关系综合评估框架，为电力行业应对气候变化和水资源短缺双重挑战提供科学依据。
【研究背景】
面对日益严重的水资源短缺问题，干式冷却技术作为水资源压力缓解技术不断受到重视和发展；但干式冷却技术存在热交换效率低、风机耗能高、投资大等问题，且随着气候变化下温度升高将形成更高的背压，降低发电效率，增加单位发电量的燃料消耗和碳排放。同时，非常规水源利用和碳封存技术等适应或减缓策略也在不断发展，为满足电力部门冷却水需求、减少碳排放提供机会。未来精细化电力部门规划中亟需对冷却技术转型、非常规水源利用和碳封存等应对策略的水-碳权衡关系进行综合评估。
该研究中，作者设计了精细化研究干式冷却技术水-碳权衡关系的综合评估框架。通过整合发电机组信息、气象水文数据，表征了全球干式冷却技术水-碳权衡关系的空间异质性；随后基于未来气候变化情景，识别了效率损失增加的热点地区；最后通过设计冷却技术转型-非常规水源利用-碳封存技术的综合评估框架，识别电力部门应对水资源短缺和气候变化双重挑战的潜力。
【研究结果】
全球干式冷却机组相较于其他冷却技术，整体呈现“年轻化”趋势，存在明显的水-碳权衡关系。从空间分布来看，取水量减少较大的电厂主要集中在中国北方、美国西部和非洲南部，二氧化碳排放量大幅增加的机组集中在印度和中国北方，而效率损失大幅增加的机组集中在印度、东南亚和非洲南部。值得注意的是印度是每单位节约取水导致高碳排和高效率损失的热点地区。
环境温度升高会导致更高的背压，干式冷却机组的效率损失将非线性增加。其中，亚洲干式冷却机组基数大，高效率损失机组占全球的55%，面临最严重的能量损失；非洲由于环境温度高，80%的干式冷却机组面临高效率损失。此外，效率损失的季节差异显著，北半球夏季的干式冷却机组高效率损失的比例远高于其他季节。值得注意的是，RCP6.0和RCP8.5情景下，环境温度和效率损失将持续增加，且效率损失的增加速度快于环境温度的增速。
为应对水资源压力，若将暴露于较高水资源压力地区的一次冷却和循环冷却火电机组转为干式冷却技术，效率损失大且装机容量大的发电机组将主要集中在印度、中国东部、欧洲西部、东南亚和美国南部。针对高效率损失的机组，将采用循环冷却技术并耦合全球格点尺度污水数据集和全球碳封存伴生卤水数据评估，探究可用非常规水对冷却取水量的满足程度。针对高效率损失且非常规水源无法满足的机组，则将考虑采用干式冷却技术并耦合全球碳封存潜力数据集，探究碳-水减排潜力。研究发现，提高污水回用比例可使非常规水满足冷却水需求的火力发电容量从25%增加到85%，而将非常规水收集距离从10km增加到50km，冷却水满足率将从15%增加至42%。对于碳封存技术，14%的发电机组能够使用25km内的碳封存潜力来储存干式冷却机组额外排放的CO2。不能忽视非常规水源回收利用和碳封存技术会消耗一定的能源和水资源以及增加碳排放，但整体上能够节约水资源和实现净二氧化碳减排。本研究强调积极开发非常规水源回收利用或耦合干式冷却技术和碳封存技术将为解决电力部门水-碳权衡提供机会。同时，研究还发现，对于中国东部、印度和泰国等干式冷却技术-非常规水资源-碳封存技术耦合都难以应对其电力部门碳-水权衡的地区，迫切需要包括可再生能源转型等策略来解决碳-水权衡困境，研究从水资源角度提出了碳中和目标下电力部门低碳转型的优先布局。
【总结及展望】
气候变化背景下，能源行业的水资源与碳排放权衡关系的双向耦合机制亟待关注。未来应对气候变化与水资源压力的双重挑战，需尽量同时兼顾碳减排与用水量消减；同时，需考虑充分利用除常规淡水资源以外的减碳节水技术潜能，以期缓解能源行业的碳-水权衡。针对这样的需求，本研究设计气候变化下厂级冷却技术部署-非常规水资源-碳封存技术的电力部门碳-水权衡关系综合评估框架，探究了非常规水源和碳封存技术等策略在全球电厂尺度的灵活应用潜力。未来，随着跨流域调水、地下水抽取、虚拟水转移等高分辨率的水资源数据和能源转型背景下全球电厂数据的发展和更新，作者期待从多维视角更加系统地分析气候变化下能源行业的水-碳权衡关系的时空动态演变，为碳中和目标下的电力系统规划和能源安全保障提供科学依据。
【作者简介】
Yue Qin*, Yaoping Wang, Shiyu Li, Hang Deng, Niko Wanders, Joyce Bosmans, Liangdian Huang, Chaopeng Hong*, Edward Byers, Daniel Gingerich, Jeffrey M. Bielicki, Gang He
第一作者及通讯作者：覃栎
共同通讯作者：洪朝鹏
覃栎 北京大学环境科学与工程学院研究员、预聘副教授，国家高层次青年人才计划入选者，美国普林斯顿大学博士。主要研究人类社会和地球系统之间的互馈机制，探索同时应对诸如空气污染、气候变化和水资源短缺等多重环境挑战，以及由此导致的人体健康、能源安全及粮食安全等问题。围绕全球背景下中国可持续发展路径探索，开展两方面的研究工作：（1）探索能源转型的环境-社会-经济多目标交互影响机制；（2）分析自然环境对能源系统和农业系统的反馈，尤其关注气候变化及碳中和下的水资源、能源、粮食系统的脆弱性及适应性研究。相关研究工作以第一作者及（或）通讯作者发表于Nature Climate Change (2022, 2020), Nature Sustainability (2019; 2018), PNAS (2017)等期刊。课题组长期招收博士后，诚邀对气候变化及碳中和下水资源-能源-粮食系统脆弱性及适应性领域感兴趣的研究者加入课题组开展合作研究。
课题组详细信息可参考：http://scholar.pku.edu.cn/qinyue，