能源與水:共同應對兩大危機

發電需要水。輸水需要能源。這兩種資源都在制約著對方——而且兩者都可能面臨短缺。是否有出路?

6月,佛羅里達州釋出了一項不同尋常的宣告:它將就美國陸軍工程兵團計劃減少佐治亞州水庫流入阿巴拉契科拉河的水量起訴該兵團。阿巴拉契科拉河從佐治亞州-阿拉巴馬州邊界流經佛羅里達州。佛羅里達州擔心,水量減少將威脅到某些瀕危物種。阿拉巴馬州也表示反對,擔心另一種物種:核電站,核電站需要大量的水(通常從河流和湖泊中抽取)來冷卻其大型反應堆。流量減少引發了人們的擔憂,即阿拉巴馬州多森附近的法利核電站可能需要關閉。

佐治亞州想留住自己的水是有充分理由的:一年前,多條河流的水位降至如此之低,以至於這個遭受乾旱的州在幾周內就差點關閉了自己的核電站。情況變得如此危急,以至於今年1月,該州的一位立法者建議佐治亞州將其北部邊界向北移動一英里,以吞併田納西州的淡水資源,並指出1818年的一項邊界調查據稱存在缺陷。在整個2008年,佐治亞州、阿拉巴馬州和佛羅里達州之間的爭鬥仍在繼續;受國會委託管理水資源的工程兵團一直處於左右為難的境地。乾旱只是其中一個原因。人口的快速增長,尤其是在亞特蘭大,以及過度開發和臭名昭著的缺乏水資源規劃,正在使該地區的河流乾涸。

水和能源是現代文明最基本的兩種要素。沒有水,人就會死亡。沒有能源,我們就無法種植食物、執行電腦或為家庭、學校或辦公室供電。隨著世界人口數量和富裕程度的增長,對這兩種資源的需求增長速度比以往任何時候都快。


支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱,您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。


然而,人們嚴重低估了一個現實,即這些寶貴的商品中的每一種都可能很快削弱我們對另一種商品的使用。我們消耗大量的水來發電,我們消耗大量的能源來輸送清潔的水。許多人擔心石油峰值的危險——廉價石油即將耗盡。少數人正在表達對水峰值的擔憂。但幾乎沒有人關注兩者之間的緊張關係:用水限制正在阻礙增加能源生產的解決方案,而能源問題,特別是價格上漲,正在限制提供更多清潔水的努力。

這種悖論正在我們許多人的後院顯現出來。1月份,北卡羅來納州夏洛特附近的諾曼湖水位降至93.7英尺,僅比杜克能源公司麥奎爾核電站允許的最低水位高出不到一英尺。在拉斯維加斯郊外,由科羅拉多河供水的米德湖現在的水位通常比歷史水位低100英尺。如果水位再下降50英尺,該市將不得不實行用水定量配給,而米德湖胡佛大壩內巨大的水力發電機將幾乎無法發電,這可能會使這個蓬勃發展的沙漠大都市陷入黑暗。

美國地質調查局的研究科學家格雷戈裡·J·麥凱布在6月份再次向國會重申了這一資訊。他指出,即使西南地區平均氣溫因氣候變化升高1.5華氏度,也可能損害科羅拉多河滿足內華達州和其他六個州以及胡佛大壩用水需求的能力。今年早些時候,加利福尼亞州拉霍亞的斯克裡普斯海洋研究所的科學家宣佈,如果氣候變化如預期那樣發生,並且未來的用水量沒有得到控制,米德湖可能會在2021年乾涸。

相反,迫切需要更多飲用水的聖地亞哥現在想在海岸邊建造一座海水淡化廠,但當地活動人士正在反對該設施,因為它會消耗大量能源,而且電力供應緊張。倫敦市長在2006年以同樣的理由拒絕了一項擬議的海水淡化廠,但他的繼任者後來撤銷了這一拒絕。烏拉圭的城市必須選擇是希望將其水庫中的水用於飲用還是用於發電。沙烏地阿拉伯正在糾結是出售所有石油和天然氣以獲取創紀錄的價格,還是保留更多這些資源來生產它所沒有的東西:為其人民和城市提供淡水。

我們不能在不意識到它們會侵佔我們的淡水供應的情況下建造更多的發電廠。我們也不能在不提高能源需求的情況下建造更多的輸水和淨化設施。解決這一困境需要新的國家政策,將能源和水解決方案結合起來,並需要創新技術,以幫助提高一種資源的利用率,而不會耗盡另一種資源。

惡性迴圈
地球上大約有800萬立方英里的淡水——是人類年消耗量的數萬倍。不幸的是,其中大部分被囚禁在地下水庫和永久冰雪覆蓋層中;相對較少的水儲存在容易獲取和補充的湖泊和河流中。

此外,可用的水通常不乾淨或位置不在人口中心附近。鳳凰城的大部分淡水是透過一條336英里長的渡槽從科羅拉多河引來的。市政供水也經常受到工業、農業和廢水排放物的汙染。據世界衛生組織稱,約有24億人生活在高度缺水的地區。兩種主要的解決方案——長途運輸水或淨化附近但不乾淨的水源——都需要大量的能源,而能源價格正在飆升。

在全國範圍內,淡水的兩大使用者是農業和發電廠。火力發電廠——那些消耗煤炭、石油、天然氣或鈾的發電廠——產生美國90%以上的電力,而且它們是用水大戶。冷卻發電廠所需的巨大水量影響著其他所有人的可用供應。雖然相當一部分水最終會返回水源(有些會蒸發),但當排放時,它的溫度和生物成分與水源不同,從而威脅到環境。這種廢水是否應該處理是有爭議的;最高法院即將聽取有關環境保護署要求發電廠改造其系統以最大限度地減少對當地水供應和水生生物影響的案件合併審理。

與此同時,我們使用大量能源來輸送和處理水,有時跨越廣闊的距離。加州渡槽將融雪水輸送到乾渴的沿海城市,跨越兩個山脈,是該州最大的電力消耗者。隨著便利資源的枯竭,供應商必須挖得更深、觸及更遠。人口眾多但水源分散的國家正在考慮令人望而生畏的大型工程。例如,中國希望將水從南部水資源豐富地區的三個流域輸送到數千英里外的北部缺水地區,這將消耗大量的能源。像T·布恩·皮肯斯這樣的老牌投資者,他們從石油和天然氣中賺取了數十億美元,現在正將資金投入到水資源領域,其中包括一個在得克薩斯州鋪設管道的專案。像埃爾帕索這樣的城市也在嘗試開發位於含鹽地下蓄水層之上的海水淡化廠,這需要大量的能源和資金。

此外,地方政府還必須清潔進水和處理出水,這兩項加起來約佔全國電力消耗的3%。健康標準通常會隨著時間的推移而變得更加嚴格,因此每加侖水需要消耗的能源量只會增加。

從進口石油到國內水資源
資源之間的緊張關係在地方層面,尤其是在像沙漠西南地區這樣陸地和水資源受限的地區,表現為艱難的選擇。一個城市是進口淡水更好,還是進口電力來淡化地下深層微鹹水更好?或者,將人們遷移到有水的地方是否更好?有了無限的能源,就可以獲得淡水,但即使公共金庫是無限的,決策者也面臨著限制碳排放的壓力。隨著氣候變化可能改變乾旱、洪水和降雨的週期,燃燒更多能源來獲取更多水資源可能會更加糟糕。挑戰變得更加嚴峻,因為美國最終承認,解決其能源和安全問題的最佳方法是打破對進口石油的依賴。《2007年能源獨立與安全法案》和其他立法反映了這一新觀點。由於交通運輸部門是主要的石油消耗者——也是主要的碳排放者——它已成為決策者、創新者和企業家進行根本性變革的首選目標。取代汽油的兩個最受歡迎的選擇似乎是插電式汽車的電力和生物燃料。這兩種途徑都有優點,但與我們目前的系統相比,兩者都更耗水。

插電式汽車尤其具有吸引力,因為管理1500個發電廠的排放比管理數億個尾氣排放口更容易。電力基礎設施已經到位。但電力部門會消耗水資源。根據得克薩斯大學奧斯汀分校的研究,與為汽車生產汽油相比,為插電式混合動力汽車或全電動汽車發電,取水量是汽油的10倍,每英里耗水量是汽油的三倍。

生物燃料的情況更糟。最近的分析表明,從農場種植灌溉作物到將生物燃料泵入汽車的整個生產週期,每行駛一英里,耗水量可能是汽油生產的20倍或更多。當擴大到美國乘用車每年行駛的2.7萬億英里時,水資源很可能成為一個限制因素。各市政府已經在與蓬勃發展的生物燃料行業爭奪水資源供應:伊利諾伊州香檳市和厄巴納市的市民最近反對當地一家乙醇廠每天從當地含水層抽取200萬加侖水以每年生產1億加侖乙醇的申請。隨著牧場主的井水乾涸,阻力將會增大。

無論支持者是否意識到,任何從汽油轉向電力或生物燃料的計劃都是一項戰略決策,即將我們的依賴從外國石油轉向國內水資源。雖然這種選擇可能比減少能源消耗更具吸引力,但我們明智的做法是首先確保我們擁有必要的水資源。

也需要新的思維模式
無論美國還是世界可能傾向於哪種能源,水資源最終都比石油更重要,因為它對生命來說更直接地至關重要,而且沒有替代品。而且,我們似乎正在接近水峰值時代——缺乏廉價的水。這種情況應該已經被認為是危機了,但公眾尚未意識到其緊迫性。

公眾確實已經對石油峰值的風險更加開明,其風險從可怕的(大規模饑荒和資源戰爭)到漠不關心的(市場帶來拯救世界的新技術)不等。供應短缺和飛漲的價格提高了人們對“峰值論者”主張的信心。政策槓桿和市場力量正在被部署,以尋找廉價石油的替代品。

我們需要付出什麼才能在水資源方面實現飛躍,甚至更好的是,將這兩個問題視為一個問題?當石油產量下降的預測與不斷增長的用水需求疊加時,風險變得嚴重起來。由於水的生產越來越耗能,我們很可能要依靠化石燃料從更深的含水層抽水或透過更長的管道輸送水。任何石油生產的峰值都可能迫使水生產達到峰值。石油峰值可能會造成一些人類苦難,但水峰值將產生更極端的後果:每年已經有數百萬人死於淡水獲取受限,而且這個數字可能會增加一個數量級。

也許一些跡象會喚醒我們的集體意識。堪薩斯州最近在州際用水訴訟中敗訴給密蘇里州,導致堪薩斯州的農民重新調整他們種植作物的方式。定量配給肯定會讓社會注意到,而且它已經開始了。我的家鄉得克薩斯州奧斯汀市現在實行嚴格的草坪澆水限制。加利福尼亞州正遭受創紀錄的低降雪量,已經發布了全州範圍內的市政節水和用水定量配給要求,這讓人想起20世紀70年代的汽油管制。

總有一天,我們可能會帶著好奇的懷舊之情回顧那些揮霍無度的房主浪費地用液態黃金噴灑草坪以使草生長,只是為了然後在週末燃燒黑金來修剪草坪的日子。我們的子孫後代會想知道我們為什麼如此愚蠢。

強制解決方案
水和能源之間日益緊張的關係令人擔憂,但也帶來了機遇。我們可以解決這個問題。第一步是整合美國的決策過程。儘管這兩種資源高度相互依賴,但能源和水資源監管機構是分開運作的,具有不同的資金來源、問責機制、政府監督和立法委員會。我們必須讓水資源規劃者和能源規劃者坐在一起做出決策,而不是讓水資源規劃者假定他們將擁有他們所需的所有能源,而能源規劃者假定他們將擁有他們所需的所有水資源。

聯邦政府長期以來一直設有能源部,但沒有水資源部。環保署負責監督水質,美國地質調查局負責收集資料和監測供應,但沒有聯邦機構確保水的有效利用。國會應該設立一個單一的監督機構,可能設在內政部(因為水資源的環境重要性)或商務部(因為水資源在經濟中的作用)。部分原因是水資源歷來是在當地生產的,因此大部分監管責任都下放到了州和市政府層面。然而,當含水層、河流和流域跨越多個城市或州時,地方政策很容易失敗。當另一個城市取走你的水時會發生什麼?

聯邦能源和水資源機構隨後應制定一項綜合決策計劃。例如,當發電廠所有者為特定地點尋求建築許可證時,他們必須證明新裝置將符合環保署的空氣質量標準;來自新機構的類似要求也應該必須滿足用水量要求。能源規劃者應該在他們的同行辯論是否發放用水許可證時在場,以提出對電力需求增加的擔憂。當考慮發電廠的選址和許可時,水資源專家應該在那裡就任何潛在的稀缺風險升高發表評論。這些互動可以採取簡單的
協作形式。

同樣的跨部門對話也應該為氣候變化立法提供資訊。5月份,大都會水務機構協會副執行主任邁克爾·阿塞諾開始了一項單人運動,以教育國會,正在審議中的高調法案,特別是那些涉及碳排放總量管制和交易系統的法案,對水資源供應產生了嚴重的但未被考慮的影響。

隨著美國更好地協調決策,創新技術可以減少社會提取和消耗的淡水量。農業是開始的地方。滴灌(而不是向田地噴水,導致大部分水蒸發)需要的水量要少得多,並且直接將水輸送到作物的根部。科羅拉多河以東高平原的農民應該為了自己的利益而轉向滴灌。他們幾乎都利用了奧加拉拉含水層,美國最大的含水層,但它的消耗速度為每年150億立方碼——遠遠超過到達它以補充它的降雨和徑流。灌溉現在佔該地區地下水總用量的94%。

透過從水冷改為風冷,或至少是混合風水冷,可以顯著減少發電廠的用水量。雖然風冷系統更昂貴,並且在執行期間效率較低,但它們幾乎消除了水的抽取。

重複利用市政和工業廢水也將節省供水並減少輸送它們所消耗的能源。雖然許多人一想到將廢水轉化為飲用水的“廁所到水龍頭”迴圈就感到不寒而慄,但空間站上的宇航員和新加坡的居民每天都在愉快地飲用經過處理的廢水,沒有任何不良影響。即使這種選擇對許多消費者來說仍然難以接受,市政府當然可以將再生水用於農業和工業,以及用於冷卻發電廠。

工程技術的進步也可以使水處理的能源密集程度大大降低。例如,紐約州石溪的石溪淨化公司正在開發更有效地淨化廢水和淡化海水的先進膜。發現了一種以最小的能量淨化水的方法的發明者可能會成為世界上最富有的人,並永遠被銘記。

智慧監控器可以減少居民和商業浪費。在下午的酷熱中——蒸發最大化和灌溉效果最小化時——以及在暴雨中,看到噴灑系統全力噴灑草坪的情況並不少見。奧斯汀的Accuwater等公司將感測器、智慧軟體和網際網路連線相結合,以獲取即時天氣資訊,從而更好地控制此類系統。

居民還可以透過廣泛實施太陽能熱水來節省加熱水所消耗的能源。這項簡單的技術價格合理、可靠、經過時間考驗且物有所值。但也許是因為這項技術看起來並不尖端,而且沒有得到聯邦政府的大力支援,其市場滲透率仍然很小。
我們也可能需要做出社會選擇。節約能源和水意味著我們可能需要放棄我們對玉米乙醇的短暫戀情。

然而,最重要的是,我們需要重視水。我們必須擺脫長期以來認為水應該是免費或廉價的期望。如果我們認為水很重要,我們就應該給它定一個合理的價格。否則,我們會發出一個令人困惑的訊號,即每個人都可以對浪費水資源漠不關心。

一旦真正的定價到位,美國或許可以更進一步,向消費者和監管機構展示水價如何抬高能源價格,以及能源價格如何抬高水價。這兩個指標將使我們直面節約這兩種資源的困境,從而促使我們找到有效的解決方案。

注:本文最初的標題是“第22條軍規:水與能源”。

邁克爾·E·韋伯是得克薩斯大學奧斯汀分校的能源資源教授,也是該校韋伯能源集團的負責人。他還是ENGIE的首席科學和技術官,ENGIE是一家總部位於巴黎的全球能源和基礎設施公司,運營著世界上最大的獨立電力公司以及大型天然氣網路。

更多作者:邁克爾·E·韋伯
SA Special Editions Vol 18 Issue 4s本文最初以“第22條軍規:水與能源”為標題發表於SA 特刊 第18卷第4s期(),第34頁
doi:10.1038/scientificamericanearth0908-34
© .