用電耗費大量水資源——解決這個問題的最佳方法是什麼？

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

自從哈維颶風創紀錄的降雨量給德克薩斯州造成嚴重破壞以來，已經過去了九個月，而現在

該州大部分地區正遭受乾旱。與此同時，美國西部超過 15% 的地區正處於極端乾旱之中，而一年前幾乎為零。 在世界各地，許多地區正在經歷乾旱、地下水枯竭和市政供水短缺。

應對這些挑戰將需要投資於技術和基礎設施，以節約用水並增加傳統供水。電力部門是節水的明顯目標，因為電力部門

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消耗每年數萬億加侖的水。問題是我們應該專注於減少發電廠的用水量，還是應該利用它們產生的電力透過海水淡化來生產淡水。讓我們深入探討一下，找出這兩種策略的真正比較結果。

發電廠如何消耗水？

據一項估計，全球發電每年消耗超過三萬億加侖的水。為什麼發電廠如此耗水？大多數發電廠都使用蒸汽渦輪機發電。從渦輪機出來的蒸汽必須冷卻，冷凝回水，並像下圖所示那樣在系統中迴圈利用。冷卻過程是發電廠消耗大部分水的地方。根據美國能源資訊署（EIA）的資料，美國大多數發電廠都使用“閉環”或“迴圈”冷卻系統。下圖顯示了迴圈冷卻系統的示意圖。在迴圈冷卻系統中，使用單獨的水流來冷卻和冷凝來自渦輪機的蒸汽。這個過程會加熱冷卻水，然後將其噴灑到冷卻塔中。一些熱水滴會蒸發並從冷卻塔中飄出，這就是熱量排出冷卻系統的方式。蒸發損失的水就是發電廠“消耗”的水。“消耗”並不意味著水永遠消失了，因為它最終會透過降雨重新進入水系統，但蒸發後，這些水在當地不再可用。

我們可以在不用水的情況下冷卻發電廠嗎？

鑑於人們如此關注發電廠的用水量，您可能會問：“為什麼不直接從方程式中去除水，而使用大型風扇來冷卻來自渦輪機的蒸汽呢？”這種“乾式冷卻”系統確實存在，並且已部署在世界各地缺水地區，包括

南非、中國和美國。不幸的是，乾式冷卻系統往往會降低發電廠的效率。當蒸汽在較低溫度下冷卻時，蒸汽渦輪機產生更多的電力。因此，在炎熱的天氣裡，乾式冷卻發電廠的功率輸出和效率將大大低於類似的溼式冷卻發電廠。因此，乾式冷卻系統作為節水策略的可行性取決於發電廠必須消耗多少額外的燃料能量來彌補效率的降低，以及這種額外的能量消耗與海水淡化等其他供水管理策略相比如何。簡而言之，重要的是要問，我們是否最好使用大量額外能量將發電廠轉換為乾式冷卻，還是將這些能量轉移到海水淡化。讓我們深入探討並回答這個問題。

可以透過兩個因素來估算使用乾式冷卻節水的能源成本：1) 從溼式冷卻切換到乾式冷卻所節省的水量，以及 2) 乾式冷卻對發電廠效率的影響。乾式冷卻節省的水量取決於發電廠的型別，因為燃煤電廠比聯合迴圈天然氣電廠（目前最有效率的化石燃料發電廠）消耗更多的水。乾式冷卻對發電廠效率的影響也取決於發電廠的型別，因為燃煤電廠切換到乾式冷卻後損失的效率比聯合迴圈天然氣電廠更多。下表顯示了乾式冷卻的示例性節水和效率影響的摘要。

最重要的是，透過將發電廠的溼式冷卻系統切換到乾式冷卻系統，每節省一千加侖的水大約需要 55-130 千瓦時的電力。為了進行比較，一個普通的美國家庭每天大約使用

30 千瓦時的電力和300 加侖的水。

最佳節水方法是什麼？

這些數字與海水淡化的能源強度相比如何？最常見的海水淡化技術是使用高壓泵將海水強行透過膜，從而將淡水與濃縮廢水分離。使用這種技術對含鹽地下水進行淡化僅

使用每千加侖 4-6 千瓦時，而對含鹽量更高的海水進行淡化則每千加侖使用 10-15 千瓦時。海水淡化的能源強度是傳統水處理的幾倍，傳統水處理每千加侖用水量不到 2 千瓦時。即便如此，海水淡化的能源強度遠低於乾式冷卻節水的能源強度。

此分析僅考慮了使用乾式冷卻系統節水和使用海水淡化處理水之間的能源消耗差異。與往常一樣，還有其他因素需要考慮。例如，海水淡化廠價格昂貴，並且需要靠近含鹽地下水或海水。但最終，能源強度較低的供水管理策略本質上比能源強度較高的替代方案更可取。氣候變化有可能

加劇缺水的原因，而為節約或處理水而增加的能源需求給減少碳排放的計劃帶來了額外的壓力。因此，雖然減少發電的用水量是值得稱讚的節水策略，但與替代方案相比，乾式冷卻系統等技術的環境成本可能超過其收益。