水资源短缺的现实
2009年瑞士达沃斯世界经济论坛年会发表了一个报告,认为未来20年内全球将陷入“水资源破产”的困境,导致失去相当于印度和美国谷类收成总和的作物,粮价将因此暴涨,水也会变得比石油更有投资价值。由于能源生产过程中也需要大量用水,因此随着能源需求的增加,水的消耗量也会跟着上升。人类争夺水资源的竞赛将愈演愈烈,各国能源生产对水资源的需求量将大大增加。
我国水资源较为短缺,人均水资源量约2200立方米,不到全世界平均水平的1/3,在联合国可持续发展委员会统计的153个国家和地区中,排在第121位,并且还被列为世界13个人均水资源最贫乏的国家之一。如果扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源,我国现实可利用的淡水资源仅为11000亿立方米,人均可利用水资源量仅为900立方米,且分布极为不均。
目前,我国年缺水总量约为300亿~400亿立方米,每年城市工业缺水量达60亿立方米。全国660多个城市中有400个供水不足,110个严重缺水;在32个百万人口以上的特大城市中,有30个长期受缺水困扰。据有关部门分析,由于供水不足,城市工业每年经济损失2000亿元以上,影响城市人口4000万人。同时,水资源短缺也使得农业生产受到很大影响,每年农田受旱面积2亿~6亿亩。自2000年以来,工业用水量每年以2.7%的速度增长,2007年,工业用水量已占全社会总用水量的24%。未来一段时期内,我国将加快推进工业化和城市化,工业仍将迅速增长。
能源是现代经济社会发展的基础。我国建国60年来,能源供给能力不断增强。特别是上世纪90年代末以来,随着社会主义市场经济体制的建立和完善,能源市场化改革不断推进,能源投入增加,煤炭、电力产能大幅度提高,能源产业出现高增长态势。#p#分页标题#e#
电力在能源中具有特别重要的地位。通过应用电力技术,能够把各种一次能源转化为传输使用方便、高效清洁的二次能源。建国以来我国经济快速增长,对发展电力的要求日益提高。1949年年底全国发电装机容量只有185万千瓦,年发电量43亿千瓦时;到2008年,我国发电装机容量达到79253万千瓦,年发电量达34268亿千瓦时。
在这样的情况下,水资源能否支撑日益增长的能源需要,成为全社会关注的问题。
谁是用水大户
在各类能源中,电能生产耗费水资源量较大,远超过石油开采业和煤炭开采业。在能源行业中,电力是主要用水部门,用水量占能源行业的80%以上。在电力生产中,水电不消耗水资源,仅利用水利资源;核电用水量较少;大部分水资源为火电使用或消耗。因此,本文以火力发电为例,并预测未来一段时期我国的电能生产,在此基础上评价能源用水需求。
人均用电量是衡量一个国家现代化程度的主要指标。尽管我国电力工业发展迅速,但到2008年我国人均用电量只有2580千瓦时,大致相当于美国的1/6和日本的1/3,不到经济合作与开发组织(OECD)国家平均8079千瓦时的1/3。我国电力占能源终端消费的比重也很低,2006年为14.1%,而1997年世界平均水平为17%,OECD国家为18.6%。未来一段时期,我国仍处于加速工业化的时期,同发达国家相比,我国有更大的能源和电力增长需求。
从2003年起,我国经济增长开始归功于重化工业快速发展,中国逐步进入重化工业阶段。从发达国家经验来看,重化工业阶段的重要特征是电力弹性系数大于1。我国电力弹性系数也超过1,2003年~2007年平均电力弹性系数达到1.39,其中2005年达到1.77,为近30年最高。
由于影响电力需求的因素很多,如经济发展水平、产业结构、能源利用效率等等,所以电力需求弹性系数在短期内会表现出一定的波动性。但从长期来看,随着产业结构的调整及用电效率的提高,电力需求弹性将相对平稳。未来一个时期,考虑到全球经济危机的影响(2008年电力弹性系数下降到0.62),我国电力需求弹性系数将会有所降低,预计2020年以后,电力需求弹性将下降到0.80以下。
我们采用改进的柯布—道格拉斯生产函数,以计量经济学家邹至庄对资本存量的分析数据为基础,计算资本形成总额和固定资产投资价格指数,对2020年前经济社会发展进行预测。根据预测结果,到2020年我国GDP将达到57.58亿元(2007年价),人均GDP达到40984元(按照7∶1汇率计算,合5855美元),跨入中等收入国家行列,并逐步向工业化高级阶段过渡。#p#分页标题#e#
据此预测2009年~2020年的电力需求,并以每年发电时数4500小时估算发电装机容量。根据计算结果,2009年~2020年间我国发电量年均增长5.7%,到2020年,我国经济社会总用电量将达到66444万亿千瓦时,电力装机容量达到147700万千瓦。
目前,我国电力的主要来源是煤炭。我国已成为世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭占一次能源消耗比重近70%,而发达国家这一比重仅有21%,世界平均水平不超过30%。电力生产也体现出这一特点。电力生产以火电为主,而且火电装机容量和发电量的比重呈现上升态势。从1990年到2007年,火电发电量占总发电量的比重从79.6%逐步上升到83.1%,水电发电量比重从20.4%下降到15.0%。
未来我国能源结构需要优化,电力生产结构也需要相应调整。假定2020年我国社会发电总量中,火电、水电、核电比重分别优化为70%、22%、8%(暂不考虑油、天然气、新能源发电等),则2020年火电发电量将达66444亿千瓦时。在这种情况下,火电行业的用水量将是一个怎样的数字?水资源能否支撑火电行业的发展?
火电企业用水或将增加25.1%
在火力发电中,有贯流式冷却、循环式冷却、空气冷却等几种不同冷却类型。由于冷却方式不同,用水效率也不同:贯流式冷却用水量大,耗水量较少;循环式冷却用水量少,耗水比重较大;空气冷却用水和耗水都比较少。
首先,我们以2004年企业用水情况、水价、用水成本普查数据为依据,以吉林、湖南、江西、黑龙江、浙江、江苏、广东、内蒙古等8省(区)火力发电企业为典型,计算典型企业中贯流式冷却、循环式冷却、空气冷却等不同类型的用水情况(计算结果见表1)。
接下来再以典型企业贯流式冷却、循环式冷却、空气冷却等不同类型用水定额(即每千瓦时电用水量)为基础,根据2004年实际发电量来计算企业相应的实际用水量,然后以这个用水量为标准,计算出贯流式、循环式、空气式等几种类型火电实际用水定额(结果见表2)。表2显示,在贯流式、循环式、空气式三种冷却方式下,实际用水额度分别为6.38×10-2立方米、4.20×10-3立方米、4.32×10-4立方米,贯流式冷却的用水量最大,循环式冷却的用水量最小。
根据节水型社会建设目标,未来国内将逐渐调整火电内部结构,逐步降低贯流式冷却发电比例,增加循环式冷却和空气冷却的比重。我们认为,考虑实际电力结构调整需要,贯流式冷却、循环式冷却、空气冷却等不同类型的火电比重将由2004年的39∶59∶2,逐步调整到2010年的26∶69∶5,接着再调整为2020年的18∶72∶10,按照以上比例,贯流式冷却火电发电量的绝对值将略有增长,从2010年的7989亿千瓦时增加到2020年的8372亿千瓦时。#p#分页标题#e#
我们以校对后的实际用水定额为标准,即贯流式、循环式、空气式机组发电时,每千瓦时的用水量分别为6.38×10-2立方米、4.20×10-3立方米、4.32×10-4立方米,计算未来电力行业的用水量情况。根据计算结果,到2020年火电企业用水量将增加135.8亿立方米,比目前增加25.1%(见表4)。
从限制高耗水工业角度考虑,如果限制贯流式冷却类型火电企业增长,对电力结构进行调整,则火电用水状况会发生较大变化。在这种情况下,贯流式冷却、循环式冷却、空气冷却等不同类型的火电比重,将由2004年的39∶59∶2,逐步调整到2020年的15∶75∶10,按照这一比例,贯流式冷却火电的发电量将逐年降低。这样一来,到2020年,火电企业用水量将增加52.6亿立方米,仅比现在增加9.7%(见表5)。
在电力行业,用水主要集中在贯流式冷却火电企业,根据典型企业调查数据和本文计算结果,贯流式冷却火电企业用水量占电力行业用水量的约90%。贯流式火电企业,是能源部门控制用水量的重点。
节水行动刻不容缓
在一定条件下,火电用水需求可以控制在一定范围内。
首先,调整电力结构,大力发展水电、核电,控制火电增长速度。从2000年~2007年,我国火电发电量年均增速为13.4%,而到2020年前,需要将火电发电量增速控制在4.3%以内。1995年以来,我国水电、核电年均增长速度分别为8.1%、14.2%,从现在到2020年前,水电、核电年均增长速度需要保持在8.8%、17.8%的水平。
其次,调整火电冷却用水结构,大力发展空气冷却、循环水冷,限制贯流式水冷。本文通过对火电用水量增长情况进行测算得知,按照一般发展,2020年贯流式冷却火电发电量增长到8372亿千瓦时,占火电发电量18%,届时电力行业用水需求增加135.8亿立方米,用水量将比当前增长25.1%。如果限制和逐步淘汰贯流式火电企业,2020年贯流式冷却火电发电量降低为6977亿千瓦时,占火电发电量比例降为15%,届时电力行业用水需求增加52.6亿立方米,用水量的增幅可以控制在10%以内。
再次,如果在调整结构的基础上,继续加大节水设施建设和节水技术改造的力度,进一步提高用水的重复利用率,使2020年火电发电量用水定额从2004年的0.022立方米/千瓦时,降为0.012立方米/千瓦时,用水定额降幅保持在年均4.0%的水平,则电力行业用水量有可能实现零增长。
如果气候条件不发生重大变化,在当前水资源条件下,未来一段时期我国供水能力将进一步增长。根据相关规划,到2020年,我国供水能力将增长400亿立方米以上。在这样的条件下,我们分析认为,未来水资源有可能满足日益增长的能源用水需求。
不过,能源行业必须加强节水型工业建设。能源工业耗水量大、污染重,同时煤炭、电力、石油、天然气能源基地多数分布在北方缺水地区,保障能源生产的用水安全具有一定难度。基于我国水资源和水环境承载能力,本着量水而行、以水定产的原则,能源产业发展应立足于内部生产的节水降耗,而不应立足于增加常规淡水资源使用量。#p#分页标题#e#
因此,我们建议,为保障能源安全,应采取以下水资源管理措施:
一是合理安排能源生产布局、调整能源生产结构,落实节水、降耗、减排的要求,依据水资源条件优化能源工业布局;在重大能源工程立项时,尤其是建设贯流式电站等高耗水项目,必须严格实行水资源论证。
二是采用先进节水技术、工艺、措施,切实提高能源工业的水资源利用效益与效率。大力推广先进采掘技术和空气冷却等高效冷却方式,安装循环利用设施提高水重复利用率,建立循环经济发展模式,降低单位能源生产用水量。
三是积极鼓励开发利用海水、苦咸水、中水、矿井水、雨水等非常规水资源,增加能源工业储水量。(《能源评论》王海锋 韩涛 庞靖鹏)
(王海锋,水利部发展研究中心博士,主要研究方向为水利投融资管理;韩涛,水利部发展研究中心博士,主要研究方向为水利统计分析;庞靖鹏,水利部发展研究中心博士,主要研究方向为流域综合管理)