考虑生命周期的中国煤电水足迹评估

檀勤良，姚洵睿，艾柄均

（1. 华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206；2. 新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室，北京 102206）

能源和水资源是我国的基础性和战略性资源，密切关系到我国经济发展状况乃至国家安全保障等方面，其中煤炭一直占据能源生产和消费总额的一半以上，也是对水资源影响最大的能源类型。而煤电生产行业需要用到大量煤炭和水资源，煤电生产中煤炭开采、洗选和燃煤发电等各个阶段都需要大量用水来运转，因此合理评价煤电生产行业的水资源利用情况对我国资源和经济可持续发展具有重要影响。

水足迹是水资源利用情况的一项综合评价指标[1]，可以量化行业对水资源的具体影响，因此本文基于水足迹理论，从耗水情况和水污染情况的综合视角探讨了中国煤电生产行业对水资源的影响情况。水足迹这一概念最早是由荷兰学者杰恩·胡克斯特拉于2002年提出，《水足迹评价手册》[2]将水足迹分为绿色水足迹、蓝色水足迹和灰色水足迹三部分，当前随着能源领域水足迹研究的不断深入，针对煤电生产行业的水足迹研究越来越多。其中不少学者针对煤电生产的燃煤发电阶段进行研究，Liao X等人[3]评估了中国12条未来输电线路中燃煤电厂的区域耗水量和机会性节水量；Wang Z和Wu X D等人[4-5]以耗水和节水为核心核算了燃煤电厂耗水量，重点讨论了当前我国燃煤发电节水的重要性，并且后者研究结果表明冷却环节耗水量占燃煤发电蓝色水足迹的主要部分；Liao X和Zhang X等人[6-7]从冷却环节入手，结合中国“三红线”政策和水资源分布不均衡等现实因素，讨论了冷却技术升级对于降低蓝色水足迹的重要性。这些研究侧重于耗水情况的研究，均没有涉及到水污染情况的讨论。而水污染情况的讨论较为复杂，如Chai L等人[8]评估中国煤电生产的用水与污染时，只考虑了煤炭生产过程中影响因子最大的水污染物石油，并没有考虑燃煤发电过程中影响因子最大的水污染物氨氮。

综上所述，目前已有的煤电水足迹研究或局限于煤电生产的耗水情况，没有考虑水污染情况，或侧重于煤电生产的燃煤发电阶段，未涉及洗煤和采煤等其余阶段。基于此，本文以生命周期理论为基础构建了煤电水足迹评估模型，将煤电水足迹划分为煤炭生产水足迹和燃煤发电水足迹，并将灰色水足迹细分为直接水足迹和间接水足迹，讨论了不同年份和不同情景假设下的中国煤电水足迹。

一、研究方法和基础数据

（一） 模型基本假设

煤电水足迹的生命周期包括煤炭开采、洗选、运输和燃煤发电等各个过程。为简化本文的计算，本文提出以下两点假设：

1.绿水足迹是指储存在原有土壤中雨水的蒸发，在产品生产过程中所利用到的雨水量，主要用于农业生产领域，由于我国雨水回收系统不成熟，其直接利用量很小，相关数据难以获得，并且煤电生产整个过程基本不涉及农产品，因此本文不对煤电生产的绿色水足迹进行核算，只考虑煤电生产过程消耗的地表水和地下水，以及污水处理过程中的用水量，即煤电的蓝色水足迹和灰色水足迹。

2.运输过程中产生的水足迹一般占比很小，除非运输过程中使用了水电能源和生物质等耗水能源，而我国现有煤炭运输主要采用铁路和公路运输，该过程产生的水足迹占比较小，因此本文忽略煤炭运输过程中所产生的水足迹，只考虑煤炭开采、洗选和燃煤发电过程中所产生的水足迹，并将煤炭的开采和洗选等过程统称为煤炭生产。

（二） 煤电水足迹评估模型

根据以上假设，本文所建立的煤电水足迹评估模型如下所示：

式中，WFblue为煤电生产的蓝色水足迹，WFgrey为 煤电生产的灰色水足迹。其中WFblue,c和WFgrey,c分别为煤炭生产的蓝色水足迹和灰色水足迹，kg/kgce；WFblue,e和WFgrey,e分别为燃煤发电的蓝色水足迹和灰色水足迹，kg/kwh。

1. 蓝色水足迹评估

蓝色水足迹是指在煤电生产过程中，地表水和地下水总的消耗量。

式中，WFblue,ep为 单位电量的生产蓝水足迹，kg/kwh；WFblue,cp为单位煤炭的生产蓝水足迹，kg/kwh；mc/e为 燃煤发电阶段的单位煤耗量，kg/kwh；mw/e为燃煤发电阶段的单位水耗量, kg/kwh；mc/c为单位产煤量的耗煤量，kgce/kgce；me/c为 单位产煤量的耗电量，kwh/kgce；mw/c为单位产煤量的水耗量，kg/kgce。

2. 灰色水足迹评估

灰色水足迹是指对于煤电生产过程中所产生的水污染物，要将其稀释到国家标准污染物浓度范围之内所消耗的淡水量。

式中，WFgrep,P为污染物p的灰色水足迹；QW为生产单位废水的排放量；LP为污染物p在所排废水中的浓度；Cmax为国家标准规定的污染物P所允许的最大浓度；Cnet为现有环境中污染物p的初始浓度，而灰色水足迹WFgrep,P取所有水污染物中的最大值。研究将灰色水足迹分为直接水足迹和间接水足迹两部分，直接水足迹是指在煤电生产现场所产生的水足迹，而间接水足迹是指在上游能源生产供应链过程中所产生的水足迹。

式中，WFgrey,c,direct和WFgrey,e,direct分别为煤炭生产和燃煤发电的直接灰色水足迹，WFgrey,c,indirect和WFgrey,e,indirect分别为煤炭生产和燃煤发电的间接灰色水足迹。

式中，Fp为 水污染物p的影响因子；Femis,p为 水污染物p允许排放的最高浓度；Fmax,p为收纳水质中水污染物p的标准限值；Fmax为影响因子最大的水污染物。而Fmax,c和Fmax,e分别为煤炭生产和燃煤发电过程中的最大影响因子；mwaste/c和mwaste/e分别为单位煤炭生产和单位燃煤发电量的污水排放量，据此可以得到直接灰色水足迹和间接灰色水足迹，分别如下式所示：

（三） 基础数据

为核算“十三五”规划期间的煤电水足迹，本文在核算过程中所用到的基础数据有2016—2018三年的真实数据，并根据这三年的数据线性推测出未来2019和2020两年的数据，如表1所示：

表 1 单位电力生产的主要原料消耗

煤炭生产包括煤炭开采和洗选等过程，该过程中消耗的能源以煤炭和电力为主，根据中国统计年鉴[9]，最终可以得到表2所示结果。

表 2 生产每吨标准煤的能源消耗

由表2可知，我国近几年平均标准煤电耗为0.035 kwh/kgce，平均标准煤煤耗为0.039 kgce/kgce，并依据煤炭开采和洗选业废水排放量，我国生产1 kg原煤所排放的废水量为0.53 kg。同时研究假设煤电生产行业的废水排放都要求按照国家煤炭工业污染物排放标准来执行，如表3和表4所示，煤炭生产和燃煤发电过程中影响因子最大的水污染物分别为石油类和氨氮水污染物，影响因子分别为5和12.5，基于这两种水污染物来计算这两个阶段的直接灰色水足迹。

表 3 煤炭生产过程中水污染物

表 4 燃煤发电过程中水污染物

我国煤炭资源分布广泛，由于煤炭结构和工艺技术等方面的差异，不同地区单位产煤耗水量具有较大差异，本文根据我国12个大型煤矿基地煤炭生产的耗水情况[10]（表5），单位产煤耗水量取这12个地区的平均值：2.02 kg/kgce。

表 5 我国主要大型煤矿基地煤炭生产耗水情况

二、结果与分析

（一） 蓝色水足迹评估

本文通过能值换算系数将单位统一化，计算得到十三五规划期间的煤电单位能值蓝色水足迹，结果表明煤电单位能值蓝色水足迹中燃煤发电阶段占比88%左右，远远高于煤炭生产阶段，原因在于燃煤电厂的冷却水和循环水消耗会直接导致蓝色水足迹的大量增加，因此蓝色水足迹的控制重点在于燃煤发电的水冷却环节。水冷却环节是指通过空气冷却、闭环冷却和开环冷却等三种冷却技术来完成水的冷却，Macknick等人[11]研究了三种冷却技术下燃煤电厂耗水量和抽水量的中位数。由表6可以看出，闭环冷却耗水量为另外两种冷却技术耗水量的5-6倍，其中耗水量最小的空气冷却技术由于技术不成熟性，需较高的运行成本，而耗水量较小的开环冷却技术由于水单次流通并冷却的特点，需要极大的抽水量，只适用于水资源充足的沿海地区。

表 6 燃煤电厂耗水量和抽水量的中位数

图 1 煤电蓝水足迹的情景假设

我国2018年采用空气冷却技术、闭环冷却技术和开环冷却技术的燃煤机组比例大约为11:29:10，以此为基准，本文提高空气冷却的燃煤机组比例，降低开环冷却的燃煤机组比例，设立四种情景假设，四种情景假设中三种冷却技术比例分别为3:5:2；4:4:2；5:3:2；6:2:2，并计算了2018年煤电蓝水足迹在四种情景假设下的降低幅度，得到如图1所示结果。由图1可知：技术的升级及空冷技术的提升会显著降低煤电蓝水足迹，之前我国一直将关注点放在燃煤电厂的安全运行上，而在低水耗技术的开发利用方面关注度不够，当今我国应该积极推进超超临界的高水平燃煤机组建设，通过不断提高空冷机组占比来降低煤电蓝色水足迹。考虑我国的煤炭资源和水资源分布具有地域差异性，不同地域之间煤电生产情况不同[12]，研究核算了我国各大区域煤电蓝水足迹在当地水资源总量占比，得到结果图2。

图 2 分区域的煤电蓝水足迹研究

由图2可知，我国华北区域水资源总量中煤电蓝水足迹占比高达9.99%，该地区又属于内陆区域，需要重视空冷技术的研发与应用以降低煤电蓝水足迹，若以华北区域的9.99%为最高承受标准，可以计算得华东、东北、西北、华中、南方等五个地区尚可承担的煤电蓝水足迹分别为478.21、123.44、221.40、344.11、1551.81亿立方米，可得南方区域的水资源较为充足，尤其是南部沿海地带可以利用可循环抽取的海水来进行开环冷却技术。而其余四个地区水资源就较为紧张，其中尤以东北和西北两大地区的水资源短缺情况更为严重，这些缺水区域应该将重心放于空冷技术的提升方面。

（二） 灰色水足迹评估

参考蓝水足迹的处理方式，可计算得到十三五规划期间的灰色水足迹，结果如图3所示：

图 3 煤电单位能值灰色水足迹

并取以上五年灰水足迹的平均值，分析不同类型灰水足迹占比，结果得到燃煤发电阶段中直接灰水足迹和间接灰水足迹约各占一半，而煤炭生产阶段中间接灰水足迹只占有一小部分，原因在于二次能源电力比一次能源煤炭需要经过更多的加工环节和使用更多的过程燃料。考虑到燃煤发电灰水足迹占整个环节的82.38%，远远高于煤炭生产，为进一步探究燃煤发电阶段灰水足迹的主要影响因素，研究选取燃煤发电过程中单位电力煤耗、单位电力水耗、单位电力废水排放量这三位指标2009年左右的数值水平，以2016—2020这五年的实际情况作为基准，基于控制变量法的原则进行敏感性分析，研究不同情景下灰水足迹的变化情况，比较三个指标数值变化对煤电灰水足迹的影响力大小，结果如下图4所示：

图 4 四种情景下煤电灰水足迹对比

由图4可知单位电力水耗的变化对煤电灰水足迹没有任何影响，而单位电力废水排放量和单位电力煤耗量两个指标均与煤电灰水足迹呈正相关，其中单位电力废水排放量的增加对煤电灰水足迹影响最大，与09年0.6 kg/kwh的水平相比，当前0.06 kg/kwh的水平使煤电灰水足迹下降了78%左右，可见我国单位电力废水排放量的控制工作颇有成效。但我国近三年的单位电力废水排放量一直停留在0.06 kg/kwh的水平，对此我国应该采取措施减少单位电力废水排放量，争取早日实现我国燃煤发电的废水零排放。同时，与世界已有的煤耗量仅为0.256 kg/kwh的先进燃煤机组水平相比，我国当前煤耗量水平高达0.308 kg/kwh，相比之下我国煤电灰水足迹仍存在7.58%的下降空间，对此我国也应该采取措施降低我国燃煤机组煤耗量，争取早日达到世界最先进水平。

（三） 我国煤电水足迹影响分析

本文基于上述计算得到的单位能值煤电水足迹，再结合我国年度燃煤发电量[12]和煤炭生产总量[9]可换算得到我国煤电水足迹，具体结果如表7所示：煤电水足迹对水资源的占用会影响到整个国家水资源的分配和其他行业的发展，煤电蓝水足迹属于可供工业用水资源的一部分，煤电灰水足迹属于非可供用水资源的一部分，分别计算这两种水足迹在其中的占比，并结合总煤电水足迹在我国水资源总量中的占比，分析我国煤电水足迹的影响，得到结果如图5所示：

表 7 我国水资源情况

图 5 煤电水足迹占比情况

由图5可得，我国煤电水足迹相关占比在逐年增加。其中非可供用水中煤电灰水足迹占比保持在1%之内，这说明我国煤电生产行业的水污染控制工作有着较好的成效，为了更好的保护生态环境和提高用水质量，燃煤电厂需要透彻理解化学处理原则，选择更科学的水处理药剂和表面处理药液，设计科学的废水净化工艺，攻克循环排污水和脱硫废水等技术难点，早日实现煤电生产行业真正意义上的废水零排放。而工业用水中煤电蓝水足迹占比保持在10%之上，将严重影响到我国工业行业其余可供用水的情况，同时水资源总量中煤电水足迹占比在2018年超过了1%，在一定程度上会制约我国农业等领域的发展，对此，我国要秉承“控制增量、优化布局”的原则，严格控制我国煤炭消费增长，通过“等量替换”等方式来安排燃煤项目，积极推进高水平超超临界燃煤机组的建设，提高大规模的高参数燃煤机组占比。

三、结论与展望

本研究有两大参考价值：第一，不同于以往不少研究，本研究不以污染物含量最大为标准，而是从允许浓度入手计算水污染物的影响因子，以影响因子最大为标准确定首要污染物，计算得出煤炭生产和燃煤发电阶段的首要污染物分别为石油类和氨氮污染物，首要污染物的确定是量化灰色水足迹的关键一步，这对于水-能系统中的水质管理能够提供较好的参考价值。第二，基于全生命周期理论，本研究构建了涵盖煤炭生产和燃煤发电全过程的煤电水足迹评估模型，以我国“十三五”期间的燃煤机组为对象，量化了煤电蓝水足迹和灰水足迹，并分析比较了不同情景假设下的煤电水足迹，研究表明降低单位能值蓝色水足迹和灰色水足迹的关键分别在于冷却技术的升级和废水零排放的实现，接着分析了煤电生产行业水足迹的影响，为国家燃煤电厂的建设和相关政策的制定提供参考依据。

全国各个燃煤电厂冷却技术的确定是没有官方统计数据的，同时其中主观判断的成分本身就具有不精确性，而冷却技术的升级又与蓝色水足迹密切相关，如何利用冷却技术以达到最佳的蓝色水足迹，这是一个值得进一步探讨的课题。