题目
A review of the energy–carbon–water nexus: Concepts, research focuses, mechanisms, and methodologies
作者
Hao Li,Yuhuan Zhao,Jiang Lin
期刊
WILEY energy and environment
一作
单位
School of Management and Economics, Beijing Institute of Technology, Beijing, China
链接
https://doi.org/10.1002/wene.358
能源和水是支持现代经济增长和国家安全必不可少的资源，同时，受人为二氧化碳（CO2）排放影响的气候环境也对人类生存至关重要。随着经济的快速增长、城市化和人口扩张，化石能源短缺、全球气候变化和水资源退化等资源和环境问题已经引起了全世界的关注。其中，高能耗的发展模式对能源供应和能源安全造成了巨大压力，进而导致环境污染和气候变化；水资源则存在部分区域分配不均、城市供水不可靠等一系列问题。因此，提高可持续能源和水资源以及减缓气候变化的能力，已成为可持续社会经济发展的关键需求和巨大挑战。在生产活动和居民消费中，能源、二氧化碳排放和水三者相互联系和影响而形成的系统（Energy-Carbon-Water, ECW）都密不可分。许多文献试图从其相互关系的角度出发，探索减少各部门二氧化碳排放量、同时满足不断增长的能源和水资源需求的综合解决方案与转型路径。这项研究的重点是通过分析已发表的学术文献，抽象汇总出有关概念、研究重点、联系机制和方法学的主要发现，然后确定ECW关系领域的未来研究方向。大多数研究人员将水-能-碳之间的关系视为产品生产和消费过程中的动态相互关系，不过迄今为止，在现有文献中对ECW关系的整体定义尚缺乏共识。以下是研究人员对于概念的不同理解：Webster和 Palmintier认为在发电计划中，ECW关系可以解释为三方互动的紧张关系，既要满足不断增长的能源需求，又要减少温室气体（GHG）排放和取水量；Wang和Chen认为，水-能源-碳排放之间的关系应被定义为提供能源服务和/或排放控制所消耗的水以及用于实现供水服务和/或污染控制所消耗的能量；参照前人的城市新陈代谢和城市联系的定义，可以将ECW关系定义为能源、CO2排放和水系统之间的动态相互关系，在这种相互作用下，耦合的机制相互联系、相互转化。在水的供应、水的使用、废水处理过程中使用的能源和CO2排放。例如，墨西哥90%的能源消耗和二氧化碳排放当量(CO2-eq)来自供水。供水过程中的能源使用和二氧化碳排放取决于诸如水源、水质和地形特征等因素；准备用水和在使用后的过程中也需要能量。废水处理被认为是水循环中能耗最高的阶段，废水的特性、处理技术和管理系统在减少废水处理厂的灰色水足迹方面对能源利用效率产生重大影响，而CO2排放在很大程度上取决于电力燃料的混合、废水处理技术、处理能力和水质。用于能源生产的二氧化碳排放和水。这部分主要与发电过程有关。电力部门不仅是二氧化碳排放的主要贡献者，也是世界第二大用水部门。例如2010年，热能发电的用水量占美国淡水总取水量的近45％；在印度，能源部门是国家温室气体排放的最大贡献者，占71％，其中煤炭发电约消耗了总用水量的60％。非能源和水行业的能源使用，CO2排放及用水。高能耗与水耗部门主要包括农业、居民、钢铁、造纸等。农业部门在淡水使用方面排名最高，例如在西班牙，70％的淡水用于农业灌溉；在中国，农业部门每年的二氧化碳排放量占17-20％，淡水使用占总量的62％。钢铁生产是用水最密集的工业过程之一，不仅消耗了大量的水，而且还排放了更多的废水。作者也讨论了能源和水需求以及家庭部门取暖用水的最终使用/需求阶段的温室气体排放方面的重大环境影响。ECW的相关措施可以帮助实现预期目标，为ECW联系系统内部或外部的其他子系统带来协同效益。这些措施包括能源政策角度、气候政策角度和水管理政策角度措施。能源政策角度的措施主要涉及节能和提高能效、优化能源结构和征收能源税。其中，节能和能效提高可以同时节约水资源，减少二氧化碳、空气污染物和废水排放；优化能源结构方面，用可再生能源替代现有的火力发电也将大大减少二氧化碳排放量和用水量；征收能源税也会有利于节约用水。气候政策角度的措施主要涉及强制性的二氧化碳减排目标、碳定价政策、电厂类型组合和产业结构调整等，其中强制性碳减排目标和碳定价政策都有助于加快部署水利用效率更高的发电技术，减少化石燃料发电和淡水抽取。水管理政策角度的措施则主要涉及建立水价系统，优化供水系统和提高用水效率。其中，适当的水价制度促进了中国实现可持续的水管理和二氧化碳减排；不过，结合高能量需求和非传统水源（例如海水淡化）来维持缺水地区的可持续供水，则可能不利于节能减碳。ECW相关措施之间的权衡。最为突出的是碳排放和水资源利用方面的权衡，主要来自制冷技术的采用和发电技术的部署，可归纳为两个方向，加碳减水和减碳加水。加碳减水指以热效率较低、能耗和二氧化碳排放量较高以及电力成本增加为代价，通过在发电厂中采用湿式或直流冷却技术代替空气冷却来节约用水等；减碳加水指部分低碳发电技术，例如核电、生物质能、地热能和聚光太阳能发电，可能会增大用水需求。到目前为止，研究人员对于ECW关系和特征的研究相对较少。已有的研究主要分析了能源、碳、水两两之间的Spearman相关系数，基于连锁分析法从能源相关的CO2排放和水关系的角度确定了中国能源-碳-水关系密切的省份，开发并比较了每个部门的能源消耗指数、水消耗指数和CO2排放指数，揭示了北京、上海等城市不同的ECW关系特征。
电力部门的ECW关系机制。电力部门用水主要用于热能、核能、生物质燃料，集中太阳能和地热发电、水力发电和生物燃料生产中的冷却，其中一些水蒸发并在冷却过程中损失；水力发电中使用大量的水，此过程中淡水将从水库蒸发；生物燃料发电消耗的水，既用于冷却又用于生产生物燃料本身，例如农作物灌溉。在火力发电中，CO2排放来自化石能源燃烧，而在生物质能发电中，则来自有机燃烧；水电、核能、太阳能和风能被视为清洁能源，在发电过程中不产生碳排放。但也有研究表明水库和水力发电都是CO2排放的重要来源。此外，发电设备的制造和建造过程中都需要消耗水并排放二氧化碳。
图1 电力部门的能源－碳－水（ECW）联系机制。
实线表示能量、CO2排放和用水的直接流量，虚线表示间接流量
水服务部门的ECW关系机制。在水供应和处理部门，能源需求主要来自水的生产和供应环节（包括水的提取、处理和分配；废水收集、处理和处置；以及海水淡化），自来水厂建设阶段的材料生产中以及污水处理厂运营期间使用的化学品中也隐含能源消费。水力发电则从水系统中利用和产生能源，而废水系统涉及热能和化学结合能。机制中的碳排放来自废水处理中降低生化需氧量（BOD）过程的直接排放；此外碳排放也来源于电力和热生产，卡车上用于燃烧污泥的卡车中柴油的燃烧，电力和热量消耗产生的异地排放以及建筑材料的排放。图2 水服务部门的能源－碳－水（ECW）联系机制
农业部门的ECW关系机制。农业是淡水消费最多的部门，约占全球淡水消费量的85％。农业部门的用水主要来自作物灌溉，碳排放来自从灌溉和农业活动所需的能源消费。直接能源消耗包括用于土地平整和土地整理的电力和燃料、抽水、供应、输送和灌溉、耕种和收获、施肥和除草；间接能源使用包括作为生产材料的能量输入，例如肥料、农药、除草剂、种子、灌溉系统和农业机械等。图3 农业部门的能源－碳－水（ECW）联系机制
居民部门的ECW关系机制。该部门中的直接用水来自洗衣房、淋浴间、卫生间、洗碗机和水龙头的室内用水，而室外用水则来自美化环境；间接用水是指能源生产中的用水量。供水和消耗会消耗能源，特别是用于水的提取、输送、处理、分配和使用；建筑空间供暖、空间制冷、照明和电器也消耗大量能源。居民的能源使用将直接排放二氧化碳，而居民的环境绿化行为则可以在一定程度上增加碳汇。当前文献中研究水-能-碳关联的方法较为丰富，其中包括生命周期分析法、可计算一般均衡模型模拟、投入产出分析等。生命周期分析（LCA）是一种自下而上的分析技术，是量化给定产品、过程或服务在其整个生命周期中对环境的影响的最广泛使用的方法之一。它已被用来分析能量-水关系、碳-水关系、水-能量-食物关系、土地-水-能源关系。由于实现综合治理的紧迫性及其分析潜在或生命周期影响方面的优势，基于LCA的方法也已广泛用于ECW关联领域。已有的基于LCA的模型包括基于过程的LCA、基于输入输出（IO）的混合LCA、空间显式的LCA、多区域混合生命周期以及基于技术经济的LCA。但是，由于LCA具有数据密集型特征，难以根据ECW关联性来评估区域之间的联系和溢出效应，由于系统边界的主题定义及其无法捕获ECW关系的动态交互，评估结果的不确定性更高，因此在分析ECW关联性方面也面临一些挑战。自上而下的可计算一般均衡（CGE）建模可用于分析短期和长期的政策影响，这种政策可以是整个经济领域和行业层面的关于经济、能源和环境的政策。CGE模型可以捕获与市场行为和变化相关的社会经济、能源和水系统之间的反馈，并评估针对性政策对ECW关联系统的影响。已有的几种基于CGE的模型包括直接进行评估与能源政策实施相关的能源消耗和生产、递归动态CGE模型、重点关注水费和碳税政策协同效应的模型，以及能源、环境和经济一体化的可持续发展模型。在CGE框架中很难描述和模拟ECW关系在部门之间的差异，这是因为CGE模型是一种经济分析工具，在模型框架中考虑了所有经济部门，因此，多部门ECW关系的差异化设置显著增加了模型建立和计算过程的难度。投入产出（IO）分析用于环境影响建模，该方法可以同时考虑整个供应链和每个生产阶段的资源消耗（或污染）。不过，虽然IO模型已广泛用于关系研究领域，但很少有研究采用IO模型来独立分析能源、CO2排放量和水之间的相互关系；通常，相关研究会将投入产出分析其与其他方法结合起来探讨ECW的联系问题。例如，有研究使用环境扩展的IO模型来计算单个保护措施的生命周期能量和淡水消耗，建立了一个可用于计算每个部门的具体能耗、CO2排放量和用水量的环境IO模型，基于此来调查2012年上海和北京城市部门的ECW关系。有关ECW关联问题的现有文献主要集中在流量核算、ECW相关政策的影响评估以及对ECW关联特征的描述等方面。与ECW关联的流量核算主要考虑供水，使用水和废水处理过程中的能耗和CO2排放、发电中的二氧化碳排放量和用水量、非能源和水行业（如农业，家庭，钢铁和造纸）中的能源使用、CO2排放和用水。影响评估涉及与ECW相关措施的协同效益和权衡。采取与ECW有关的措施时，最重要的权衡是碳水权衡。现有的ECW关系研究主要集中在能源、CO2排放和水部门之间，并包含某些特定部门（例如电力、水、农业和城市居民部门）的反馈机制。其中，发电和供水服务部门是ECW关系的关键部门，它们反映了能源、CO2排放量和水之间的动态多重关系。在现有的ECW关系研究中，最重要的方法是基于IO的混合LCA、CGE模型、System dynamic model(SDM)、Optimization methods优化方法和Material flow analysis(MFA)等。未来的ECW关系研究可能集中在经济体系的边界定义、整体研究框架和反馈机制上。本文建议使用综合分析模型，例如基于CGE的模型和基于IO的混合LCA模型，以评估广泛的社会经济影响和成本效益以及潜在的节能、减碳和节水效益。