《巴黎协定》下中国燃煤发电耗水压力的长期评估

袁家海，付珊

（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）

受“富煤、贫油、少气”的能源资源赋存特点约束，煤电长期保持中国主力电源地位［1］，随着“30·60目标”的提出和践行，煤电在中国电力系统中的角色和地位将发生重大转变。多项研究显示，按照当前发展趋势我们无法实现《巴黎协定》的将全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在低于2℃的目标［2］。在“双碳”目标下，中国的电力系统将面临转型，虽然燃煤机组新增规模逐年降低，但短期内燃煤发电仍将作为主要的发电方式［3］，其装机容量将于2020—2025年达峰，随后将有序退出［4］。虽然中国水资源总量位居世界前列，但人均水资源量较低，面临着严重的水资源短缺问题，且电力行业，尤其是燃煤发电的水资源消耗量较大［5-6］。2019年中国11个省份的人均水资源量处于国际公认的重度缺水标准［7］，火力发电耗水量占全国总用水量的近1%，主要用于火力发电厂的冷却水。大量的水资源消耗给当地的社会和生态环境带来了巨大压力，而且随着降水模式的改变和平均环境温度的升高，火电厂用水还会进一步发展［8］。因此，对未来中国煤电行业水资源的供需变化进行预判，在全球2℃温升目标下，评估不同的煤电转型路径对该行业耗水量及耗水压力的影响显得十分重要。

1 文献综述

全球2℃温升目标下中国自主提出了2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标，未来中国煤电行业如何发展成为亟须解决的问题。因此，中国提出了要严控煤电项目，并构建以新能源为主体的新型电力系统［9］。截至2020年，中国煤电装机容量占电力装机总量的49.1%，随着电力市场逐步完善，煤电规模将进一步缩小，预计2030年煤电规模达1 050 GW［10］。在低碳情景下，煤电装机有望在2020年达峰［11］，现有煤电机组将按其运行寿命逐步淘汰，到2050年时煤电完全淘汰［12］。同时，为满足减排目标要求，在严格控制煤电发展的情况下，还需要大幅提升风、光发电的装机容量［13］，未来电力部门将呈现“风光领跑、多源协调”的新态势［14］。

水与能源之间复杂的相互关系，主要体现在生产、运输和消费三个环节，随着气候变化、工业发展及全球电力需求的增长，作为整个能源产业中最大的耗水行业，对电力部门的能水关系研究越来越重要［15-16］。目前，学者们对于电力部门的能水关系研究主要集中在冷却水供需方面，他们通过区域能源配置系统模型［17］、可计算一般均衡模型［18］、全球变化评估模型［19］、LUT能源系统过渡模型［20］和投入产出模型［21］等从国家、省份和流域层面对电力部门的冷却水供需现状进行分析。煤电作为耗水量最大的发电方式［22］，其用水效率与产业规模、冷却方式和节水水平有密切的关系［23］，因此在适当的技术改进和政策支持下，燃煤发电具有较大的节水潜力［24］。然而如果按照现行政策继续发展，预计从2014年到2050年取水量和耗水量将分别增加4.3倍和3.2倍以上［25］，因此，是否实施有效的水资源管理直接影响了该行业的可持续发展。一些研究从“水压力”（即取水量与当地可用水资源总量的比值）的角度出发来分析煤电行业的水资源供需关系。研究结果显示，煤电的快速扩张会给区域水资源保障带来极大的压力［26］，其中对煤电聚集省份造成的水压力相对显著［27］。近年来，中国各省份水资源压力指数呈现上升趋势，只有少数地区的水资源能够满足未来煤电发展的需要［28］。

在“双碳”目标下，煤电加速转型对该行业的耗水总量及耗水压力将产生巨大影响。但当前煤电发展政策下，水资源尚未被重点考虑到资源约束内，水资源压力高的省份煤电评价等级仍为绿色［29］。煤电发展与水资源关系的研究需要上升至更高层面。现有研究主要聚焦于对某个煤电产业聚集区域或某条河流流域的燃煤电厂的取水和耗水现状进行定量分析，缺乏从国家层面的水资源需求分析以及对燃煤发电未来耗水总量和耗水压力的预测。同时，对“双碳”目标下煤电逐步退出对我国水资源可持续利用的作用与影响研究尚处起步阶段。鉴于此，该研究定义了煤电机组耗水压力指数，基于微观煤电机组数据库，在全球2℃温升目标下考虑煤电机组是否提前退役以及有无新增装机两种情况，设定4种不同情景来评估中国煤电机组耗水量及耗水压力空间分布的变化，并对煤电逐步退出对水资源可持续利用的影响进行定量分析，结合分析结果给出相应的政策建议。

2 研究方法和数据

2.1 煤电机组数据库

通过整理中国计划建设、在建及已建成的煤电机组清单，梳理了包括机组冷却方式、装机容量、所在地的经纬度、投产年份、设计寿命、利用小时数等的机组信息。截至2019年底，中国煤电机组共计5 532台机组，其中现役机组4 274台共961.74 GW，约占中电联发布的《中国电力行业年度发展报告2020》［30］中公布的煤电装机容量的92.4%。计划机组1 258台共439.46 GW，按照煤电机组3～4年的建设周期，预计当前机组将于“十四五”期间陆续建成投产。如图1所示，计划新建煤电机组主要集中在人口密度较低的西北区域与经济较为发达的华东地区，新增装机容量分别为80.16 GW和78.50 GW，而西南与东北地区五年间仅新增约27 GW和10 GW的煤电装机。其中陕西的新增机组装机容量高达43.76 GW，超过西北地区总量的1/2，而上海、北京、云南三省均没有新增煤电装机。考虑到数据的可获得性，该研究未涉及西藏、香港、澳门和台湾地区。

图1 “十四五”期间分省份计划新增煤电装机容量

机组的冷却方式可以分为直流水冷、循环水冷和空冷。其中直流水冷的取水量大，但大部分冷却水最终都会重新排入自然水体中，因此实际耗水量较少。而循环水冷的取水量较小，但循环过程中的消耗程度高，因此耗水量较大，而空冷机组的耗水量位于二者之间。在此基础上，该研究参考中电联［31-32］发布的2011年和2018年能效对标数据中公布的部分机组综合耗水率，并按照以下原则来调整六个区域内机组耗水率：①机组容量越大耗水率越低；②不同冷却方式耗水率从小到大依次为空冷、直流水冷、循环水冷，结果见表1。根据燃煤机组数据库计算得出2019年已运行煤电机组的平均耗水率约1.28 kg/（kW·h），与中电联发布的《中国电力行业年度发展报告2020》［30］中公布的火电厂平均耗水率1.21 kg/kW·h相近。

表1 分区域煤电机组耗水率/(kg/（kW·h）)

2.2 水压力指标

研究采用了世界资源研究所（WRI）［33-34］开发的“水道”水风险地图集，WRI将基准水压力定义为总取水量与可用的可再生地表水和地下水供应量之间的比率。

其中：BWS表示基准水压力，ww表示总取水量，Q表示可用的可再生地表水和地下水供应量，wn表示净取水量。根据计算结果将水压力分为低（＜10%）、中低（10%～＜20%）、中高（20%～＜40%）、高（40%～＜80%）、极高（80%～100%）、干旱缺水（＞100%）六个水压力等级。基准水压力值越高，代表该地区的水资源竞争越大，水资源风险越高。

根据基准水压力的定义，进一步给出了煤电机组的耗水压力指数，即煤电机组总耗水量与机组所在区域可用水资源总量的比值，并将其命名为BWScoal，即：

其中：BWScoal表示耗水压力指数，wwcoal表示机组总取水量，Qcoal表示机组所在区域可用水资源总量。根据中电联公布的2019年中国火电厂平均耗水率（1.21 kg/（kW·h））和煤电总发电量（45 538亿kW·h）［30］，计算得出中国煤电机组的耗水量约占全国总用水量的1%。因此，在WRI的水压力等级划分基础上，进一步将煤电机组耗水压力等级划分为低（＜0.1%）、中低（0.1%～＜0.2%）、中高（0.2%～＜0.4%）、高（0.4%～0.8%）和极高（＞0.8%）五个耗水压力等级。

从1956年至今中国的水资源总量始终呈波动变化趋势，无论是全国总量还是十个水资源一级区，均围绕多年平均值上下浮动，且浮动比例不大［35］。因此，采用全国水资源总量多年平均值进行煤电机组耗水压力预测，各省份的可用水资源总量也用多年平均值来代替。

2.3 煤电机组提前退役模型

张为荣等［36］基于中国电力部门2025年左右可实现碳排放达峰的目标，按照IPCC的总预算（280～400 Gt CO2）估算出电力部门在2℃温升目标下的碳排放预算空间，并设定了煤电部门的年度碳排放空间。研究使用张为荣等［36］估计的基准情景下中国煤电部门CO2排放预测70 Gt CO2为碳排放预算空间。在这个基础上，设定四种情景如下：S0情景，即2019年底现役煤电机组961.74 GW按照设计寿命自然退役且不再有新增装机；S1情景，即按照现有核准计划新增机组装机且所有机组按照设计寿命自然退役；S2情景，即在现役机组的基础上按照机组提前退役模型发生退役且不再有新增装机；S3情景，即按照现有核准计划新增机组装机且机组提前退役，具体内容见表2。如图2所示，该研究参考了牛津大学开发的煤电环境风险评价方法，首先根据煤电机组数据库中机组层面信息和机组所在省份层面信息对所有煤电机组进行标准化打分并排序［36］。接着通过计算S0、S1、S2、S3情景下煤电机组的碳排放量，并与碳排放预算空间（70 Gt CO2）进行逐年判断得出机组的退役年份。当碳排放低于碳排放预算空间时，煤电机组继续运行，达到机组的设计使用寿命期（30年）时机组自然退役；当碳排放高于碳排放预算空间时，超出碳排放预算部分的落后机组（即得分较低机组）提前退役，超出碳排放预算当年即为煤电机组的退役年份。

图2 全球2℃温升目标下煤电机组提前退役模型

表2 情景设置

根据机组提前退役模型，发现S2、S3情景下机组退役速度要快于S0、S1情景。如图3所示，在2050年前S0、S1情景退役机组容量一致，且退役机组主要集中在2030年后，全国共退役约860 GW的机组装机，而机组提前退役的S2、S3情景仅在2030—2040年期间就完成了约700 GW装机的机组退役。

图3 4种情景下各省份退役煤电装机容量

3 中国煤电行业耗水压力现状

3.1 煤电产业水资源现状

长期以来，中国煤电一直占据主导地位，但是煤电生产主要集中于黄河中、上游和西北内陆河流域，均为水资源极为紧缺地区。表3显示，根据已有数据统计，中国14个煤炭基地［37］和16个大型煤电基地［38］所在省的煤炭储量、煤电总发电量分别占全国的94%、64%，但水资源总量仅占全国的24%，且人均水资源量大多低于全国平均水平。2016年，每4台煤电机组中（包括已运行和规划的），就有1台位于“过度取水”的地区，截至2013年底，中国有45%的燃煤电厂（358 GW）位于“过度取水”地区［39］。

表3 中国煤炭、煤电基地所在省份水资源总量、人均水资源量、煤电总发电量、煤炭储量一览表

3.2 2019年中国煤电行业耗水压力分析

中国面临着严重的水资源分配不均问题，虽然南方的水资源储量丰富，但北方和西部地区的水压力显著高于南方地区。根据WRI发布的2019年中国基准水压力图发现，煤电机组主要集中在基准水压力较高地区。表4显示，基准水压力高于40%的地区覆盖中国的17个省份，主要集中在黄河、淮河及辽河流域，其煤电装机总量约为675 GW，占全国的65%。其中新疆、内蒙古、黑龙江、甘肃等7个省份的部分地区面临干旱缺水的风险，这7个省份的煤电装机总量约为359 GW，超过全国总量的1/3。

表4 2019年干旱缺水、极高水压力及高水压力的地区

随着中国经济社会的飞速发展，对能源的需求也不断增加，煤电装机迅速扩张，这大幅增加了煤电行业的水资源消耗以及燃煤电厂聚集省份的机组耗水压力。如图4所示，2019年全国煤电机组的耗水总量约为48.29亿t，其中机组装机容量最大的山东省耗水量最高，约5.42亿t，占全国的12%，而青海和北京的机组耗水量均低于0.1亿t。从区域的角度看，华东地区耗水量是6个区域中最高的，约17.55亿t，超过全国总量的1/3，其次为华北和华中地区分别消耗9.38亿t和8.21亿t。近年来，空冷技术在西北地区的广泛应用起到了一定的节水作用，但作为中国最为干旱的地区，其煤电机组总耗水量仍高达7.12亿t，占全国的近15%，仅比水资源较为丰富的华中地区少1亿t。根据计算结果发现，全国有近1/3的省份为极高耗水压力省份，且主要分布在黄河中下游及淮河等北方地区，均为中国大型煤炭、煤电基地所在省份。其中宁夏、天津、山西、山东及河北5省的耗水压力指数均超过了2%，而包括青海、云南、四川在内的长江上游地区的耗水压力指数则远低于0.1%。

图4 2019年分省份煤电机组耗水量及耗水压力

4 耗水量和耗水压力变化趋势及经济效益评估

随着能源结构的变化以及可再生能源的迅速发展，中国的煤机组装机容量及耗水量明显降低，4种情景下煤电装机容量与耗水量几乎同步发生变化。如图5所示，由于“十四五”时期S1、S3情景不断有新机组建成，全国煤电机组装机总量的峰值出现在2025年，分别为1 271.47 GW和1 121.49 GW。在这期间煤电机组耗水量随机组装机容量呈波动变化，峰值分别为58.84亿t、49.91亿t，较2019年分别新增22和3个百分点。而在不考虑新增煤电装机的S0、S2情景下，全国机组装机容量和耗水量的变化在2030年前趋于一致，2030年后S2情景下二者均以7%左右的年均降速加速下降。随着燃煤机组的加速淘汰，S0、S2、S3情景下机组耗水量在2050年前相继降为0，而2050年时S1情景下仍有360.41 GW的煤电装机，将消耗近4亿t的水资源。

图5 4种情景下全国装机容量和耗水量变化

从区域角度看，煤电机组装机容量高的地区，所消耗的水资源就越多。根据煤电机组数据库显示新增煤电装机主要集中在西北、华东和华中地区，因此如图6所示，在S1和S3情景下，这三个地区“十四五”期间的机组耗水总量约占全国的70%。而S0和S2情景没有新机组建成投产，且机组提前退役主要集中于2030年以后，因此，2030年前6个区域的耗水量变化趋势基本一致，之后加速下降且于2044年降至0。同时，2050年时仅S1情景下，华东与西北地区的煤电机组仍将分别造成2.14亿t和1.09亿t的水资源消耗。

图6 4种情景下分区域机组耗水总量

根据4种情景下的煤电机组耗水量的变化趋势，选取了2030年、2040年和2050年对中国煤电机组的耗水量及耗水压力进行评估。发现有新增机组装机的情景各省份耗水压力要高于无新增装机情景，并且机组提前退役情景下各省份耗水压力变化速度要快于机组自然退役情景。

4种情景下各省份煤电机组耗水量持续下降，耗水压力逐年减弱，2030年煤电机组耗水压力较2019年有所改善。如图7所示，2030年4种情景全国煤电机组将分别消耗41.88亿t、55.92亿t、41.30亿t、37.78亿t的水资源。其中S0、S1、S2情景下华东地区的耗水量最高，超过全国总耗水的1/3，其次为华北地区，约占全国的20%。而S3情景机组自然退役且按照现有核准计划新增机组主要分布在西北、华东地区，因此，该情景下西北地区的机组耗水量约7.87亿t，仅次于华东地区。从耗水压力的角度看，2030年4种情景下机组耗水压力较高的省份主要集中在中国北方，西部省份耗水压力较低，且S1情景下的机组耗水压力显著高于其余3种情景。2030年S1情景仍有包括宁夏、天津在内的8个省份耗水压力指数大于0.8%，而其余三个情景全国均有超过1/2的省份耗水压力指数低于0.4%。发现可用水资源总量丰富且煤电装机容量不大的长江中上游地区，如青海、四川、云南等省份2030年机组耗水量占全国可用水资源总量的比例要远低于0.1%。

图7 4种情景下2030年煤电机组耗水量及耗水压力

2040年中国部分省份煤电机组的耗水量已降至0，且全国机组耗水压力较2030年明显减弱。如图8所示，2040年时除S1情景外全国煤电机组总耗水量均降至个位数，其中华东地区的耗水量最高，超过全国总耗水量的30%。由于4种情景下机组退役主要集中在2030年之后，且S2、S3情景的退役机组装机容量要远高于S0、S1情景，因此4种情景下2040年的水资源消耗较2030年分别减少了50%、36%、82%、86%。而对于机组耗水压力，2040年S0、S1情景下煤电机组耗水压力偏高省份仍主要集中在中国北方，其中宁夏、山西的耗水压力指数均超过了1%，尤其是S1情景下分别高达10.58%和2.4%。由于S2、S3情景下中国煤电机组于2044年完全退役，因此在2040年时除华东和华中地区外区域煤电机组耗水量均减少至1亿t以下，且全国各省份耗水压力指数均下降到0.4%以下。

图8 4种情景下2040年煤电机组耗水量及耗水压力

如图9所示，随着煤电转型进程的不断加快，2050年时仅有S1情景下还有少量煤电机组运行，将消耗共3.71亿t的水资源。根据煤电机组数据库及机组提前退役模型，S0、S2、S3情景下煤电机组2050年前完全退役，而S1情景下机组完全退役需到2055年。因此2050年时S0、S2、S3情景下中国各省份的机组耗水量及耗水压力指数均为0，而S1情景下仅有西南和东北地区的降至0，华东和西北地区的煤电机组仍将造成3.24亿t的水消耗，占全国的近90%。并且发现S1情景下全国仍有3个省份为非低耗水压力等级。

图9 S1情景下2050年煤电机组耗水量及耗水压力

合理控制煤电发展，加快推进煤电转型进程，可有效控制煤电机组运行产生的水资源消耗，进一步减少燃煤电厂用于购置工业用水的支出。如图10所示，4种情景下全国各省份煤电机组累计耗水量变化逐渐平缓，S2、S3情景下全国机组累计耗水总量于2044年达峰，峰值分别为715.49亿t和692.34亿t，而S0情景累计耗水量于2049年达峰约886.56亿t。较S0情景相比，虽然都按照机组设计寿命自然退役但S1情景由于不断有新机组建成投产，到2050年时该情景煤电机组累计耗水将比S0情景多363.17亿t，按照2016年中国工业用水平均水价3.26元/t计算［40］，相当于多花费约1 184亿元人民币。若在现有装机容量条件下严控煤电机组新增，只考虑机组是否提前退役，则到2050年时与机组自然退役的S0情景相比，提前退役（S2情景）可节约近171.07亿t的水资源，折合约558亿元人民币。而在考虑按照现有核准计划新增煤电装机的情况下，若煤电机组提前退役即S3情景到2050年较自然退役的S1情景可累计减少共557.39亿t的水资源消耗，约1 817亿元人民币。

图10 4种情景下全国煤电机组2020—2050年累计耗水量对比图

5 结论

该研究基于煤电机组数据库对中国煤电机组耗水量的空间分布及耗水压力现状进行分析，并在全球2℃温升目标下根据是否有新增装机和机组是否提前退役设定了4种情景对中国煤电机组未来的耗水量、耗水压力及水资源消耗减少带来的经济效益进行了评估。主要结论如下。

（1）根据公开数据整理出一个煤电机组数据库，依此计算得出2019年中国煤电机组的总耗水量约48.29亿t，占全国总用水量的不到1%，占工业用水量的4%。从机组耗水压力的角度看，2019年全国有近1/3的省份为极高耗水压力省份，且主要集中在黄河中下游及淮河流域等北方地区，特别是大型煤炭、煤电基地所在的省份，而南方地区的耗水压力普遍偏低。

（2）分析发现4种情景下中国煤电机组装机容量及耗水量变化趋势几乎一致。在无新增机组容量的S0、S2情景下机组装机容量及耗水量均呈持续下降趋势，且分别于2049年、2044年降至0。“十四五”期间S1、S3情景下仍有少量煤电装机新增，因此2025年时机组耗水量随煤电装机同步达峰，峰值分别为58.84亿t、49.91亿t。随着煤电转型进程的加快、低耗水空冷技术的大力发展以及燃煤电厂管理水平的提高，煤电机组耗水量逐年下降。2040年时考虑煤电机组提前退役的S2和S3情景下的机组耗水量分别降至7.14亿t、5.42亿t。

（3）在全球2℃温升目标下，中国煤电机组耗水压力逐年减弱。2050年时S0、S1、S2情景下中国各省份的耗水压力指数均降至0.1%以下，S3情景下仅有3个省份为非低等级耗水压力地区。随着煤电机组的有序退役，从空间分布的角度看，S0、S1情景下中国煤电机组耗水压力偏高地区逐渐向北方地区聚集，而S2、S3情景下则逐渐向黄河、长江下游地区等东部省份聚集。

（4）严格控制新增煤电，合理退役煤电机组可以有效减少水资源消耗并带来一定的经济效益。研究发现与S0情景相比，若考虑新增煤电装机则机组累计耗水总量将比S0情景多363.17亿t，相当于多花费1 184亿元人民币。若在现有煤电条件下严控煤电新增且机组提前退役，则到2050年可节约近171.07亿t水，折合约558亿元人民币。如果按照现有核准计划新增煤电装机，则到2050年煤电机组提前退役的S3情景可以比自然退役的S1情景累计减少557.39亿t的水资源消耗，约1 817亿元人民币。

基于上述结论，提出以下政策建议：①燃煤电厂需要优化水资源管理方式，选择耗水量较低的燃煤技术以提高水资源利用效率。对于新建机组，在东北和西北地区可以大力推广空冷技术，而在华东、华北等沿海地区可以采用海水冷却技术。②水资源管理部门要加强取用水量等相关用水指标的实时监测，保证信息公开透明，鼓励与能源部门的数据共享，推动能水关系的研究。③电力部门应当落实“以水定量、以水定产”制度，重视煤电规划建设风险预警，结合区域政策及资源约束条件修正预警结果［41］。例如，可以通过评估新建机组对水资源的影响合理布局新建煤电机组，减少水资源匮乏地区的电厂建设，以确保水资源的可持续发展。同时需要制定远期的煤电有序退出路线图，加快发展可再生能源等替代性电源，降低对燃煤发电的需求，严格控制煤炭消费，有效降低煤电发展对生态环境的影响。