能源：水资源与能源生产
通过技术改进、加上有效的政策杠杆指导，中国在2020年可以将用水量减少到目前水平以下。
文|本文由本刊记者范珊珊采访整理而成
水、土地和矿产资源对我们的生活至关重要。这些自然资源是食品和饲料的来源，支持着对地球进行调节的生态系统。能源提供了人类必不可缺的光、热和交通。
BP公司资助了一项由世界15所顶尖大学参与的“能源可持续性挑战”研究项目。该项目研究分析了在全球人口持续增长、温室气体排放和气候变化的背景下，自然资源（水、土地和矿产）约束对能源生产和供应的影响。
我们日益认识到自然资源的局限性，以及这些局限与能源之间的关系。在各种系统的背景下培养对能源问题的全面的技术性理解、并辅以强大的数据支持，将有助于政策制定者和企业更好地进行决策。
“能源可持续性发展”是当今世界所面临的最严峻的挑战之一。更多地了解能源与直接维系我们生活的自然资源之间的关系，对我们做出正确的选择至关重要。
全球可再生淡水资源中的10%为人类所用。这些人类所用淡水中的70%用于农业，其中一半多通过蒸发再次返回到大气，其余返回地表和地下水。约一半的工业用水用于冷却，特别是用于能源生产的冷却系统。因而，在这里，我们主要谈谈化石能源与水的使用问题。
水的局限性与能源生产
首先，我要澄清两个有关水的概念：一般说到水的使用时，有两层含义，一个是表示水的取水量，另一个是表示消耗量。取水量的意思是说，把水从当地流域里提取出来进行使用的量，但水使用后可重新再利用；另一种情况是水从当地流域提取后没有返回的量，即水被消耗了。混淆取水量与消耗量的区别可能导致结论有失偏颇。
以火电行业为例，人们通常认为火电是一个耗水的行业。事实上，全世界使用淡水大约为4万亿立方米，其中火电行业取水量为4000亿立方米，其中的一半用于冷却系统，实际消耗才160亿立方米。
这就意味着，被抽取的水资源从地表或地下移走，至少是暂时性移走。而被消耗的水资源是被抽取水量中未返回到抽水区所处流域盆地地表或地下水体中那部分水资源。大多数发电用取水并未被消耗。
在不同行业和区域，对水的依赖程度也不同。由于开采规模和方法的不同，各行业和地区抽取量和消费强度也不同。在每个行业或地区中，根据地质情况，当地气候和节水技术投资的差异，用水量也有很大差异。
传统石油开采中大量使用水资源，但不一定必须使用淡水。在海上油田和中东使用海水和半咸水、以减少淡水消费，使淡水消费强度降低到零桶淡水/每桶石油。德克萨斯州和 加拿大 的数据表明，虽然每开采1桶石油的采出地层水量在增加，但淡水消费量一直保持稳定甚至有所降低。
在对全球石油生产地区的抽样调查表明，淡水消费强度最高为1.5桶水/桶石油，其中很多开采活动的淡水强度都低于这一水平的10%。
与此同时，我们应该注意到，水资源分布的地区差异也对能源的生产产生巨大影响。清华大学和加州大学圣地亚哥分校的“能源可持续性挑战”项目主要研究中国的水资源问题。中国人均水资源仅为世界平均水平的1/4，且全国分布极不均。中国北方的水资源在全国总量中的比例不到8%，但却必须供给1/3的全国人口，灌溉全国2/5的农田，实现1/3的GDP增长。
在中国，煤炭是能源消费的主体。中国使用煤比其他地区都要多。生产煤的区域水资源有限，中国政府对水资源非常担忧，政策上设定了水使用量目标。如果持续像现在这样使用水，超过政府设定线。同时，中国仍在煤炭资源丰富但水资源匮乏的地区发展水资源密集型行业（例如煤化工行业）。
技术和治理是关键
我们做的研究表明，技术的改变可以减少用水的使用量。从其他国家例子看，需要资本投入。要做这样的改变，需要几个前提比如政策和成本激励机制。实际上，不需要使用特别高科技的方式，而是更好的利用现在已有的技术就可以达到节水的目标。
我们用“4R”描述对水的管理措施，一是可替代（Replace），用海水、半咸水、产出水和废水等非淡水水源替代淡水资源；二是再利用（Reuse），相同的水在工业流程中多次利用；三是再循环（Recycle），对废水进行处理，使其可以再次使用，取代其他用途所需的淡水。四是地区责任制（Responsibility），调整工业实践，适应当地水资源可用程度和可再生淡水需求。
过去50年，在化石能源开采中，我们试图利用非淡水替代淡水，降低对水资源消耗。在电力行业，每年有4000亿的水用于冷却装置，主要是因为很多发电厂都很老旧。如果我们继续使用这样的设备，到2030年我们提取的淡水量将增长25%。如果淘汰这些老旧设备，水资源的使用量可以减少30%。
采掘行业已经开发了许多采掘过程中减少使用淡水的方法。除了水资源重复利用和循环外，使用低品质水已经在减少淡水需求方面发挥了很大作用。有一种通过注水驱油以及驱油填地层水的方法。每向油层注入6桶水，就可以开采1桶石油和5桶油田地层水。注入水由5桶再利用的采出地层水、0.5桶非淡水和0.5桶淡水构成，因此淡水强度就变为每桶石油0.5桶淡水。
在项目开展过程中，我们发现可以通过改变用水方式来生产能源。20年前BP一名科学家做了一个小实验。我们一般用咸水挤压石头的缝隙进行油气开采，但科学家发现，低盐度的水挤压出来的石油更多。去年我们在一个新的钻井平台上用了这项研究成果，用淡化后的海水开采石油，效果很好。
在天然气液化厂中严格的水资源管理能够消除对淡水抽取的需求。改进费托合成工艺是现代天然气液化工厂的核心。首先，天然气被重整转化为一氧化碳和氢的混合物，生成合成气。然后，合成气通过费托合成工艺在催化剂的作用下转化成碳氢化合物。从水资源使用的角度看，关键点是净化学反应序列生成富余水。因而，通过精细化管理来分离和循环利用生成的水，工艺用水能够在封闭式循环中接受管理，为工厂作业的其他部门提供所需要的用水，甚至提供有用的水产品。在水资源稀缺的情况下，严格的水资源内部循环利用和干式冷却技术应用，能够消除抽取淡水的需求。
与此同时，政策杠杆和成本的作用不能忽略。为了应对水资源问题，中国设定了目标，用来限制工业用水的绝对量。如果不设定该目标，到2030年，工业用水量至少会翻一番。在“一切照旧”情境下，即使减少能源需求，这一目标值也会在2020年之前被突破。但是，通过技术改进、加上有效的政策杠杆指导，可以将用水量减少到目前水平以下。
煤炭开采中水资源的循环利用以及电厂节水冷却系统的应用，是显而易见的解决之道。“能源可持续性研究”也表明，洗煤过程中水的使用，能够提 高燃 煤效率，节约电厂环节的用水。只有通过政策激励抵消运营成本的增加，才有可能实现使用精洗煤带来的更高能效。
当然，能源成本自身对水资源的选择至关重要。例如，如果淡水必须被泵压到很高的海拔或者经过长途运输交付给消费者，水资源运输的能源成本可能会达到或超过咸水淡化的成本。在 西班牙 北部，从埃布罗河运水到阿瓜杜耳塞将跨越大约700公里的距离，净垂直运输高度为1公里，需要消耗超过4千瓦时/立方米的能源。这将多于将半咸水进行反渗透处理的能源需求，说明如果有半咸水供应，则本地咸水淡化处理将更节约能源。
