Водно-энергетическая связь

Водно -энергетическая связь – это взаимосвязь между водой, используемой для производства энергии , ^[1] включая как электричество , так и источники топлива, такие как нефть и природный газ , а также энергию, потребляемую для добычи, очистки, доставки, нагрева/охлаждения, очистки и удаления воды (и сточных вод), которую иногда называют энергоемкостью ( EI). Энергия необходима на каждом этапе водного цикла: от производства, перемещения, очистки и нагрева воды до сбора и очистки сточных вод . ^[2] Эта связь на самом деле не является замкнутым циклом, поскольку вода, используемая для производства энергии, не обязательно должна быть той же самой водой, которая обрабатывается с использованием этой энергии, но все формы производства энергии требуют определенного количества воды, что делает взаимосвязь неразрывной.

Среди первых исследований по оценке взаимосвязи воды и энергии был анализ жизненного цикла, проведенный Питером Глейком в 1994 году, который подчеркнул взаимозависимость и положил начало совместному изучению воды и энергии. ^[3] В 2014 году Министерство энергетики США (DOE) опубликовало свой отчет о взаимосвязи воды и энергии, в котором указывалось на необходимость совместной политики водно-энергетических ресурсов и лучшего понимания этой связи и ее восприимчивости к изменению климата как вопроса национальной безопасности . ^[4] Гибридная диаграмма Сэнки в отчете Министерства энергетики США о взаимосвязи воды и энергии за 2014 год обобщает потоки воды и энергии в США по секторам, демонстрируя взаимозависимость , а также выделяя термоэлектрическую энергию как крупнейшего потребителя воды, используемой в основном для охлаждения.

Вода, используемая в энергетике

Все виды производства электроэнергии потребляют воду либо для переработки сырья, используемого на объекте, строительстве и обслуживании электростанции, либо просто для выработки самой электроэнергии. Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрическая солнечная и ветровая энергия , которым для производства энергии требуется мало воды, требуют воды при переработке сырья для строительства. Воду можно использовать или потреблять, и ее можно разделить на пресную, грунтовую, поверхностную, синюю, серую или зеленую, а также другие. ^[1] Вода считается использованной, если она не уменьшает подачу воды потребителям, расположенным ниже по течению, т. е. вода, которая забирается и возвращается в один и тот же источник (внутреннее использование), например, на теплоэлектростанциях, которые используют воду для охлаждения и являются крупнейшими потребителями. воды. ^[4] Хотя использованная вода возвращается в систему для дальнейшего использования, она обычно каким-то образом ухудшилась, в основном из-за термического или химического загрязнения, а естественный сток был изменен, что не учитывается при оценке, если учитывается только количество воды. обдуманный. Вода потребляется, когда она полностью удаляется из системы, например, путем испарения или потребления сельскохозяйственными культурами или людьми. При оценке водопользования необходимо учитывать все эти факторы, а также пространственно-временные соображения, что очень затрудняет точное определение водопользования. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), водный стресс также создает риски для транспортировки топлива и материалов. В 2022 году засуха и сильная жара привели к низкому уровню воды в ключевых европейских реках, таких как Рейн, что ограничило баржовую транспортировку угля, химикатов и других материалов. ^[5]

Спанг и др. (2014) провели исследование потребления воды для производства электроэнергии (WCEP) на международном уровне, которое показало как различия в типах энергии, производимой в разных странах, так и огромные различия в эффективности производства электроэнергии на единицу использования воды (рис. 1). ^[1] Эксплуатация систем водоснабжения и электрораспределения в чрезвычайных условиях ограниченной мощности и воды является важным фактором для повышения общей устойчивости водно-энергетической связи. Хатавкар и Мейс (2017a) представляют методологию управления системами водораспределения и электрораспределения в чрезвычайных условиях засухи и ограниченной доступности электроэнергии, чтобы обеспечить хотя бы минимальную подачу охлаждающей воды на электростанции. ^[6] Хатавкар и Мэйс (2017) применили модель оптимизации водно-энергетической системы для гипотетической системы регионального уровня, которая показала повышенную устойчивость к нескольким сценариям непредвиденных обстоятельств. ^[7]

Все более спорным становится использование водных ресурсов для гидроразрыва пластов сланцевого газа и трудноизвлекаемых запасов нефти. Многие экологи глубоко обеспокоены тем, что такие операции могут усугубить местный дефицит воды (поскольку требуемые объемы воды велики) и привести к образованию значительных объемов загрязненной воды (как непосредственно за счет загрязнения воды гидроразрыва, так и косвенно за счет загрязнения подземных вод). ^[8] С ростом цен на энергоносители в Северной Америке и Европе в 2020-х годах вполне вероятно, что интерес правительства и промышленности к гидроразрыву пласта будет расти.

Энергоемкость

Функционирование городских систем водоснабжения требует существенного энергетического обеспечения. Ключевые процессы, такие как перекачка воды, ^[9] потребление, ^[10] и очистка сточных вод ^[11] потребляют значительное количество энергии, что вызывает дискуссии об энергоемкости и выбросах углерода в водных системах.

США (Калифорния)

В 2001 году действующие системы водоснабжения в США потребляли примерно 3% от общего годового объема электроэнергии (~75 ТВтч). ^[12] Калифорния Проект водоснабжения штата (SWP) и проект Центральной долины (CVP) вместе представляют собой крупнейшую водную систему в мире с самым высоким подъемом воды, более 2000 футов через горы Техачапи , доставляя воду из более влажных и относительно сельских районов севера штата. штата, в центральную долину с интенсивным сельским хозяйством и, наконец, на засушливый и густонаселенный юг. Следовательно, SWP и CVP являются крупнейшими потребителями электроэнергии в Калифорнии, потребляя примерно 5 ТВтч электроэнергии каждый в год. ^[12] В 2001 году 19% общего потребления электроэнергии в штате (~ 48 ТВтч/год) было использовано для обработки воды, включая конечное использование, при этом на городской сектор приходилось 65% этого объема. ^[13] Помимо электроэнергии, 30% потребления природного газа в Калифорнии приходилось на процессы, связанные с водой, в основном на нагрев воды в жилых домах, а 88 миллионов галлонов дизельного топлива потреблялось насосами подземных вод для сельского хозяйства. ^[13] Только на жилищный сектор приходилось 48% от общего объема электроэнергии и природного газа, потребляемых для процессов водоснабжения в штате. ^[12]^[13]

Согласно отчету об исследованиях встроенной энергии в воде энергетического подразделения Калифорнийской комиссии по коммунальным предприятиям (CPUC):

« Энергоемкость » означает среднее количество энергии, необходимое для транспортировки или очистки воды или сточных вод, в расчете на единицу энергии». ^[14]

Энергоемкость иногда используется как синоним встроенной или воплощенной энергии . По оценкам, в 2005 году средний коэффициент полезного действия воды в Южную Калифорнию составлял 12,7 МВтч/МГ, почти две трети которого приходилось на транспортировку. ^[13] После того, как выяснилось, что пятая часть электроэнергии в Калифорнии потребляется в процессах, связанных с водой, включая конечное использование, ^[13] В ответ CPUC санкционировал проведение в масштабе штата исследования взаимосвязи между энергией и водой, которое было проведено Калифорнийским институтом энергетики и окружающей среды (CIEE), и разработал программы по экономии энергии за счет экономии воды. ^[14]^[15]

Арабский регион

Согласно World Energy Outlook 2016, на Ближнем Востоке ожидается, что доля водного сектора в общем потреблении электроэнергии увеличится с 9% в 2015 году до 16% к 2040 году из-за увеличения мощностей по опреснению воды. Арабский регион, в который входят следующие страны: Кувейт , Ливан , Ливия , Мавритания , Марокко , Оман , территории , Алжир , Бахрейн, Египет Ирак , Иордания , Катар , Судан , Саудовская Палестинские , Аравия , Сирия , Тунис , Объединенные Арабские Эмираты , и Йемен . Некоторые общие характеристики арабского региона заключаются в том, что это один из наиболее испытывающих водный дефицит регионов мира, дожди выпадают в основном редко или идут непредсказуемо.

шаблон. ^[16] Совокупная площадь арабского региона составляет примерно 10,2% площади мира, но в регион выпадает только 2,1% среднегодового количества осадков в мире . ресурсов мира Кроме того, в этом регионе находится 0,3% ежегодных возобновляемых водных (ACSAD, 1997). В результате в регионе наблюдается снижение запасов пресной воды на душу населения, что составляет примерно 42 кубических километра потребности в воде. ^[17] Ожидается, что к 2030 году этот дефицит увеличится в три раза, а к 2050 году — в четыре раза. ^[18] Это крайне тревожно, учитывая, что мировая экономическая стабильность во многом зависит от арабского региона. ^[18]

Существует множество методов смягчения растущей нехватки пресной воды на душу населения. Одним из применимых методов является опреснение , которое широко распространено, особенно в регионе Персидского залива . ^[18] Все мировые мощности по опреснению воды, около 50%, сосредоточены в арабском регионе, и почти все эти 50% находятся в странах Персидского залива . ^[18] Такие страны, как Бахрейн, обеспечивают 79% пресной воды за счет опреснения , Катар — около 75%, Кувейт — около 70%, Саудовская Аравия — 15% и ОАЭ — около 67%. Эти страны Персидского залива построили огромные опреснительные установки, чтобы восполнить нехватку воды по мере экономического развития этих стран. ^[18]^[19] На сельское хозяйство в регионе Персидского залива приходится около 2% его ВВП , однако оно использует 80% производимой воды. ^[19] Следует также отметить, что для работы этих опреснительных установок требуется огромное количество энергии, в основном из нефти. Такие страны, как Саудовская Аравия , Бахрейн и Кувейт, столкнутся с трудностями в удовлетворении спроса на опреснение воды, если нынешняя тенденция сохранится. Страны Персидского залива тратят 10–25% вырабатываемой электроэнергии на опреснение воды. ^[20]^[21]^[22]

Гидроэлектроэнергия

Гидроэлектроэнергия представляет собой особый случай использования воды для производства энергии, главным образом потому, что производство гидроэлектроэнергии считается более чистой и возобновляемой энергией, а плотины (основной источник производства гидроэлектроэнергии) служат множеству целей, помимо производства энергии, включая предотвращение наводнений, хранение, контроль и развлечение, которое затрудняет обоснованный анализ распределения. ^[1] Кроме того, воздействие производства гидроэлектроэнергии может быть трудно оценить количественно как с точки зрения потерь на испарение, так и с точки зрения изменения качества воды, поскольку создание плотин приводит к тому, что потоки становятся намного холоднее, чем текущие потоки. В некоторых случаях замедление стока можно рассматривать как соперничество в водопользовании во времени, которое также необходимо учитывать при анализе воздействия. Готовность платить можно использовать в качестве оценки для определения стоимости затрат.

Модернизация существующих плотин для производства электроэнергии была одним из подходов к гидроэнергетике. Хотя использование плотин для производства электроэнергии считается более чистой формой энергии, оно не обходится без проблем для окружающей среды. Гидроэлектростанция обычно рассматривается как стратегия снижения выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии; однако недавние исследования связали плотины с выбросами парниковых газов . ^[23] Гали-Лако и др. провели исследование по измерению выбросов, производимых плотиной Пти-Саут на реке Синнамари во Французской Гвиане за двухлетний период. Исследователи обнаружили, что около 10% углерода, хранящегося в почве и растительности, высвобождается в газообразной форме в течение 2 лет. ^[23]

Наличие воды

Из-за изменений в разработке новых технологий использования возобновляемых источников энергии возникает новый дополнительный стресс для доступности воды. Методы использования возобновляемых источников энергии, такие как биотопливо , концентрирование солнечной энергии (CSP), улавливание, использование и хранение углерода или ядерная энергия , являются весьма водоемкими. ^[24] Дефицит воды оказывает огромное влияние на производство энергии и ее надежность.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Спанг, Э.С., Мумау, В.Р., Галлахер, К.С., Киршен, П.Х., и Маркс, Д.Х. (2014). «Потребление воды при производстве энергии: международное сравнение». Письма об экологических исследованиях , 9(10), 105002.
^ «Водно-энергетическая связь • Центр водно-энергетической эффективности» . Центр водно-энергетической эффективности . Проверено 11 мая 2023 г.
^ Глейк, PH (1994). «Вода и энергия». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды , 19 (1), 267–299.
^ Jump up to: ^а ^б Бауэр Д., Филбрик М. и Валларио Б. (2014). «Водно-энергетическая связь: вызовы и возможности». Министерство энергетики США.
^ МЭА (2023 г.), Чистая энергия может помочь облегчить водный кризис, МЭА, Париж https://www.iea.org/commentaries/clean-energy-can-help-to-ease-the-water-crisis , Лицензия : CC BY 4.0
^ Хатавкар П. и Мэйс Л.В. (2017 а) Модель работы систем водоснабжения в режиме реального времени в условиях ограниченной доступности электроэнергии. Во Всемирном конгрессе по окружающей среде и водным ресурсам, 2017 г. (стр. 171–183).
^ Хатавкар П. и Мэйс Л.В. (2017). Тестирование модели оптимизации/имитационного моделирования для работы систем водоснабжения в режиме реального времени в условиях ограниченной доступности электроэнергии. На Конгрессе по техническому развитию 2017 г. (стр. 1–9).
^ Буоно, Регина; Лопес-Ганн, Елена; Маккей, Дженнифер; Стаддон, Чад (2020). Регулирование водной безопасности в сфере нетрадиционной нефти и газа (1-е изд. 2020 г.). Чам. ISBN 978-3-030-18342-4 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Лю, Юэи; Чжэн, Ханг; Ван, Вэньхуа; Чжао, Цзяньши (2023). «Оптимальная работа для обеспечения энергоэффективности проекта транспортировки воды на большие расстояния». Журнал гидрологии . 618 :129152.
^ Ли, Цзунхан; Ван, Чунянь; Лю, Йи (2024). «Улучшение объяснения потребления воды в домашних хозяйствах с помощью концепции взаимосвязи воды и энергии» . npj Чистая вода . 7 (8).
^ Чен, Шаоцин; Чжан, Линьмей; Лю, Бэйбэй; Йи, Ханг; Су, Ханши; Харрази, Али; Цзян, Фэн; Лу, Чжунмин; Криттенден, Джон К.; Чен, Бин (2023). «Отделение выбросов парниковых газов, связанных со сточными водами, от снижения водного стресса в 300 городах Китая является сложной, но вполне осуществимой задачей к 2030 году» . Природная вода . 1 : 534–546.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Коэн Р., Нельсон Б. и Вольф Г. (2004). «Энергия в канализацию: скрытые затраты на водоснабжение Калифорнии». Э. Казинс, редактор, Совет по защите природных ресурсов
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Кляйн Г., Кребс М., Холл В., О'Брайен Т. и Блевинс Б.Б. (2005). «Вода и энергия Калифорнии». Калифорнийская энергетическая комиссия, Сакраменто, Калифорния.
^ Jump up to: ^а ^б Беннетт Б. и Парк Л. (2010). «Исследование 1 встроенной энергетики в водные ресурсы: водно-энергетические отношения в масштабах штата и региона». Отдел энергетики Комиссии по коммунальным предприятиям Калифорнии.
^ Беннетт Б. и Парк Л. (2010). «Исследование встроенной энергии в воде. Исследование 2: Исследование водных агентств и функциональных компонентов, а также профили нагрузки встроенной энергии и воды». Отдел энергетики Комиссии по коммунальным предприятиям Калифорнии.
^ ПРООН (2013) Управление водными ресурсами в арабском регионе: управление дефицитом и обеспечение будущего. ПРООН, Нью-Йорк.
^ Девлин Дж. (2014) Подрывает ли нехватка воды перспективы роста на Ближнем Востоке и в Северной Африке? Брукингский институт, 24 июня 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Всемирный банк (2012 г.) Опреснение воды из возобновляемых источников: новое решение для устранения водного дефицита на Ближнем Востоке и в Северной Африке. Всемирный банк, Вашингтон, округ Колумбия.
^ Jump up to: ^а ^б Booz and Company (2014) Достижение устойчивого водного сектора в странах Персидского залива: управление спросом и предложением, создание институтов, 8 мая 2014 г.
^ Фатх Х, Садик А, Межер Т (2013) Нынешние и будущие тенденции в производстве и потреблении энергии опресненной воды в странах Персидского залива. Int J Therm Env Eng 5(2):155–162
^ Амер, Камель и др., редакторы. Взаимосвязь водной, энергетической и продовольственной безопасности в арабском регионе . 1-е изд., сер. 2367–4008, Международное издательство Springer, 2017.
^ Бадран, Аднан и др., редакторы. Водная, энергетическая и продовольственная устойчивость на Ближнем Востоке . 1-е изд., сер. 978-3-319-48920-9, Springer International Publishing, 2017.
^ Jump up to: ^а ^б Гали-Лако, Коринн; Дельмас, Роберт; Жамбер, Коринн; Дюместр, Жан-Франсуа; Лабру, Луи; Ричард, Сандрин; Госс, Филипп (декабрь 1997 г.). «Выбросы газов и потребление кислорода на плотинах гидроэлектростанций: пример Французской Гайаны» . Глобальные биогеохимические циклы . 11 (4): 471–483. Бибкод : 1997GBioC..11..471G . дои : 10.1029/97GB01625 .
^ «Введение в взаимосвязь воды и энергии – анализ» . МЭА . Проверено 11 мая 2023 г.

Внешние ссылки

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Спанг, Э.С., Мумау, В.Р., Галлахер, К.С., Киршен, П.Х., и Маркс, Д.Х. (2014). «Потребление воды при производстве энергии: международное сравнение». Письма об экологических исследованиях , 9(10), 105002.

[2] «Водно-энергетическая связь • Центр водно-энергетической эффективности» . Центр водно-энергетической эффективности . Проверено 11 мая 2023 г.

[3] Глейк, PH (1994). «Вода и энергия». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды , 19 (1), 267–299.

[:1-4] Jump up to: ^а ^б Бауэр Д., Филбрик М. и Валларио Б. (2014). «Водно-энергетическая связь: вызовы и возможности». Министерство энергетики США.

[5] МЭА (2023 г.), Чистая энергия может помочь облегчить водный кризис, МЭА, Париж https://www.iea.org/commentaries/clean-energy-can-help-to-ease-the-water-crisis , Лицензия : CC BY 4.0

[6] Хатавкар П. и Мэйс Л.В. (2017 а) Модель работы систем водоснабжения в режиме реального времени в условиях ограниченной доступности электроэнергии. Во Всемирном конгрессе по окружающей среде и водным ресурсам, 2017 г. (стр. 171–183).

[7] Хатавкар П. и Мэйс Л.В. (2017). Тестирование модели оптимизации/имитационного моделирования для работы систем водоснабжения в режиме реального времени в условиях ограниченной доступности электроэнергии. На Конгрессе по техническому развитию 2017 г. (стр. 1–9).

[8] Буоно, Регина; Лопес-Ганн, Елена; Маккей, Дженнифер; Стаддон, Чад (2020). Регулирование водной безопасности в сфере нетрадиционной нефти и газа (1-е изд. 2020 г.). Чам. ISBN 978-3-030-18342-4 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[9] Лю, Юэи; Чжэн, Ханг; Ван, Вэньхуа; Чжао, Цзяньши (2023). «Оптимальная работа для обеспечения энергоэффективности проекта транспортировки воды на большие расстояния». Журнал гидрологии . 618 :129152.

[10] Ли, Цзунхан; Ван, Чунянь; Лю, Йи (2024). «Улучшение объяснения потребления воды в домашних хозяйствах с помощью концепции взаимосвязи воды и энергии» . npj Чистая вода . 7 (8).

[11] Чен, Шаоцин; Чжан, Линьмей; Лю, Бэйбэй; Йи, Ханг; Су, Ханши; Харрази, Али; Цзян, Фэн; Лу, Чжунмин; Криттенден, Джон К.; Чен, Бин (2023). «Отделение выбросов парниковых газов, связанных со сточными водами, от снижения водного стресса в 300 городах Китая является сложной, но вполне осуществимой задачей к 2030 году» . Природная вода . 1 : 534–546.

[:2-12] Jump up to: ^а ^б ^с Коэн Р., Нельсон Б. и Вольф Г. (2004). «Энергия в канализацию: скрытые затраты на водоснабжение Калифорнии». Э. Казинс, редактор, Совет по защите природных ресурсов

[:3-13] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Кляйн Г., Кребс М., Холл В., О'Брайен Т. и Блевинс Б.Б. (2005). «Вода и энергия Калифорнии». Калифорнийская энергетическая комиссия, Сакраменто, Калифорния.

[:4-14] Jump up to: ^а ^б Беннетт Б. и Парк Л. (2010). «Исследование 1 встроенной энергетики в водные ресурсы: водно-энергетические отношения в масштабах штата и региона». Отдел энергетики Комиссии по коммунальным предприятиям Калифорнии.

[15] Беннетт Б. и Парк Л. (2010). «Исследование встроенной энергии в воде. Исследование 2: Исследование водных агентств и функциональных компонентов, а также профили нагрузки встроенной энергии и воды». Отдел энергетики Комиссии по коммунальным предприятиям Калифорнии.

[16] ПРООН (2013) Управление водными ресурсами в арабском регионе: управление дефицитом и обеспечение будущего. ПРООН, Нью-Йорк.

[17] Девлин Дж. (2014) Подрывает ли нехватка воды перспективы роста на Ближнем Востоке и в Северной Африке? Брукингский институт, 24 июня 2014 г.

[:5-18] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Всемирный банк (2012 г.) Опреснение воды из возобновляемых источников: новое решение для устранения водного дефицита на Ближнем Востоке и в Северной Африке. Всемирный банк, Вашингтон, округ Колумбия.

[:6-19] Jump up to: ^а ^б Booz and Company (2014) Достижение устойчивого водного сектора в странах Персидского залива: управление спросом и предложением, создание институтов, 8 мая 2014 г.

[20] Фатх Х, Садик А, Межер Т (2013) Нынешние и будущие тенденции в производстве и потреблении энергии опресненной воды в странах Персидского залива. Int J Therm Env Eng 5(2):155–162

[21] Амер, Камель и др., редакторы. Взаимосвязь водной, энергетической и продовольственной безопасности в арабском регионе . 1-е изд., сер. 2367–4008, Международное издательство Springer, 2017.

[22] Бадран, Аднан и др., редакторы. Водная, энергетическая и продовольственная устойчивость на Ближнем Востоке . 1-е изд., сер. 978-3-319-48920-9, Springer International Publishing, 2017.

[:7-23] Jump up to: ^а ^б Гали-Лако, Коринн; Дельмас, Роберт; Жамбер, Коринн; Дюместр, Жан-Франсуа; Лабру, Луи; Ричард, Сандрин; Госс, Филипп (декабрь 1997 г.). «Выбросы газов и потребление кислорода на плотинах гидроэлектростанций: пример Французской Гайаны» . Глобальные биогеохимические циклы . 11 (4): 471–483. Бибкод : 1997GBioC..11..471G . дои : 10.1029/97GB01625 .

[24] «Введение в взаимосвязь воды и энергии – анализ» . МЭА . Проверено 11 мая 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]