Связь воды и энергии - Water-energy nexus

Гибридная диаграмма Санки взаимосвязанных потоков воды и энергии в США за 2011 год

Формального определения взаимосвязи воды и энергии не существует - это понятие относится к взаимосвязи между водой, используемой для производства энергии , включая как электричество, так и источники топлива, такие как нефть и природный газ , и энергией, потребляемой для извлечения, очистки, доставки. , нагревать / охлаждать, обрабатывать и утилизировать воду (и сточные воды), иногда называемые энергоемкостью (EI). Взаимосвязь 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 некоторого ввода воды, что делает взаимосвязь неразрывной.

Одним из первых исследований по оценке взаимосвязи воды и энергии был анализ жизненного цикла, проведенный Питером Глейком в 1994 году, который выявил взаимозависимость и положил начало совместному изучению воды и энергии. В 2014 г. Министерство энергетики США (DOE) выпустило отчет о взаимосвязи между водными и энергетическими ресурсами, в котором указывалось на необходимость совместной водно-энергетической политики и лучшего понимания взаимосвязи и ее восприимчивости к изменению климата с точки зрения национальной безопасности . Гибридная диаграмма Санки в отчете Министерства энергетики США о взаимосвязи воды и энергии за 2014 год суммирует 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 для производства энергии

Диаграмма 1. Общий объем ВКЭП по энергетическим категориям, 2008 г.

Все виды производства энергии потребляют воду либо для обработки сырья, используемого на объекте, при строительстве и обслуживании завода, либо просто для выработки самой электроэнергии. Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрическая солнечная и ветровая энергия , которые требуют небольшого количества воды для производства энергии, требуют воды для обработки сырья для строительства. Воду можно использовать или потреблять, и среди прочего ее можно разделить на пресную, грунтовую, поверхностную, синюю, серую или зеленую. Вода считается использованной, если она не уменьшает подачу воды нижестоящим потребителям, т. Е. Вода, которая забирается и возвращается в тот же источник (использование в потоке), например, на термоэлектрических станциях, которые используют воду для охлаждения и являются самыми крупными потребителями. воды. Хотя использованная вода возвращается в систему для использования ниже по течению, она обычно каким-либо образом деградировала, в основном из-за термического или химического загрязнения, и естественный поток был изменен, что не влияет на оценку, если только количество воды считается. Вода потребляется, когда она полностью удаляется из системы, например, путем испарения или потребления растениями или людьми. При оценке водопользования необходимо учитывать все эти факторы, а также пространственно-временные соображения, что очень затрудняет точное определение водопользования.

Spang et al. (2014) провели исследование потребления воды для производства энергии (WCEP) на международном уровне, которое показало различия в видах энергии, производимых в разных странах, а также огромные различия в эффективности производства энергии на единицу водопользования (Рисунок 1). Эксплуатация водораспределительных систем и систем распределения электроэнергии в чрезвычайных условиях ограниченной доступности электроэнергии и воды является важным фактором повышения общей устойчивости водно-энергетической связи. Хатавкар и Майс (2017a) представляют методологию управления системами распределения воды и электроэнергии в чрезвычайных условиях засухи и ограниченной доступности электроэнергии для обеспечения хотя бы минимальной подачи охлаждающей воды на электростанции. Хатавкар и Мэйс (2017) применили модель оптимизации для системы взаимосвязи воды и энергии для гипотетической системы регионального уровня, которая показала повышенную устойчивость для нескольких сценариев непредвиденных обстоятельств.

Энергоемкость

США (Калифорния)

В 2001 году действующие системы водоснабжения в США потребляли примерно 3% от общего годового объема электроэнергии (~ 75 ТВтч). Государственный водный проект штата Калифорния (SWP) и проект Центральной долины (CVP) вместе являются крупнейшей водной системой в мире с самым высоким подъемником воды на высоте более 2000 футов через горы Техачапи , доставляя воду из более влажных и относительно сельских районов к северу от штат, в центральную долину с интенсивным сельским хозяйством и, наконец, в засушливый и густонаселенный юг. Следовательно, SWP и CVP являются крупнейшими потребителями электроэнергии в Калифорнии, потребляя примерно 5 ТВтч электроэнергии каждый год. В 2001 году 19% от общего потребления электроэнергии в штате (~ 48 ТВтч / год) было использовано для обработки воды, включая конечное использование, при этом на городской сектор приходилось 65% этой суммы. Помимо электроэнергии, 30% потребления природного газа в Калифорнии было связано с процессами, связанными с водой, в основном с подогревом воды в жилых домах, а 88 миллионов галлонов дизельного топлива было израсходовано насосами грунтовых вод для сельского хозяйства. Только на жилищный сектор приходилось 48% от общего объема электроэнергии и природного газа, потребляемого для связанных с водой процессов в штате.

Согласно отчету Энергетического отдела Калифорнийской комиссии по коммунальным предприятиям (CPUC), посвященному исследованию встроенной энергии в водные ресурсы:

« Энергетическая интенсивность » означает среднее количество энергии, необходимое для транспортировки или очистки воды или сточных вод на единицу ».

Энергоемкость иногда используется как синоним вложенной или воплощенной энергии . По оценкам, в 2005 году поставки воды в Южную Калифорнию имели средний EI в 12,7 МВтч / МГ, почти две трети из которых приходились на транспортировку. После того, как выяснилось, что пятая часть электроэнергии Калифорнии потребляется в процессах, связанных с водой, включая конечное использование, CPUC отреагировал, санкционировав исследование взаимосвязи между энергией и водой в масштабе штата, которое было проведено Калифорнийским институтом энергетики и окружающей среды (CIEE). , и разработаны программы по экономии энергии за счет экономии воды.

Арабский регион

Согласно World Energy Outlook 2016, на Ближнем Востоке доля водного сектора в общем потреблении электроэнергии, как ожидается, 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 , палестинские территории , Алжир , Бахрейн , Египет , Ирак , Иордания , Катар , Судан , Саудовская Аравия , Сирия , Тунис , Объединенные Арабские Эмираты , и Йемен . Некоторые общие характеристики арабского региона заключаются в том, что это один из регионов мира, испытывающих наибольший дефицит водных ресурсов, дожди выпадают в основном редко или дожди идут непредсказуемо.

Карта мира с указанием нехватки воды.

шаблон. Совокупная площадь арабского региона составляет примерно 10,2% площади мира, но на этот регион выпадает только 2,1% среднемирового годового количества осадков . Кроме того, в регионе сосредоточено 0,3% годовых возобновляемых водных ресурсов мира (ACSAD 1997). Вследствие этого в регионе наблюдается сокращение поставок пресной воды на душу населения, что составляет примерно 42 кубических километра потребности в воде. Ожидается, что этот дефицит вырастет в три раза к 2030 году и в четыре раза к 2050 году. Это вызывает серьезную тревогу, учитывая, что экономическая стабильность в мире во многом зависит от арабского региона.

Существует множество методов смягчения растущего дефицита пресной воды на душу населения. Одним из применимых методов является опреснение, которое широко распространено, особенно в регионе Персидского залива . Все мировые мощности по опреснению воды, приблизительно 50%, сосредоточены в арабском регионе, и почти все эти 50% находятся в странах ССЗ . 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 дефицит водоснабжения, поскольку эти страны экономически развивались. На сельское хозяйство в регионе ССЗ приходится примерно 2% его ВВП, однако оно использует 80% производимой воды. Следует также отметить, что для работы этих опреснительных установок требуется огромное количество энергии, в основном за счет нефти . Такие страны, как Саудовская Аравия , Бахрейн и Кувейт , столкнутся с трудностями в удовлетворении спроса на опреснение, если нынешняя тенденция сохранится. НКУ тратит 10-25% своей вырабатываемой электроэнергии для опреснения воды.

Гидроэлектроэнергия

Гидроэлектроэнергия - это особый случай воды, используемой для производства энергии, в основном потому, что производство гидроэлектроэнергии считается экологически чистым и возобновляемым , а плотины (основной источник производства гидроэлектроэнергии) служат множеству целей помимо выработки энергии, включая предотвращение наводнений, хранение, контроль и отдых. которые затрудняют обоснованный анализ распределения. Кроме того, воздействие производства гидроэлектроэнергии может быть трудно измерить количественно как с точки зрения потерь за счет испарения, так и с точки зрения изменения качества воды, поскольку запруживание приводит к потокам, которые намного холоднее, чем текущие потоки. В некоторых случаях уменьшение потоков можно рассматривать как соперничество в использовании воды во времени, возможно, также потребуется учитывать при анализе воздействия.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки