能源经济预测与展望研究报告：中国电力部门省际虚拟水流动模式与影响分析

能源经济预测与展望研究报告 FORECASTING AND PROSPECTS RESEARCH REPORT CEEP-BIT-2023-003（总第67期） 中国电力部门省际虚拟水流动模式 与影响分析 2023年1月8日 北京理工大学能源与环境政策研究中心 http://ceep.bit.edu.cn 能源经济预测与展望研究报告发布会 主办单位：北京理工大学能源与环境政策研究中心 北京理工大学国家安全与发展研究院 能源经济与环境管理北京市重点实验室 协办单位：北京经济社会可持续发展研究基地 北京理工大学管理与经济学院 中国“双法”研究会能源经济与管理研究分会 中国能源研究会能源经济专业委员会 特别声明 本报告是由北京理工大学能源与环境政策研究中心研究团队完成的系列研究报告之一。如果需要转载，须事先征得中心同意并注明“转载自北京理工大学能源与环境政策研究中心系列研究报告”字样。 中国电力部门省际虚拟水流动模式与影响分析 执 笔 人：曲申、林瑾、王永豪、喻可、张佳琪、刘洲屹、贲雅雯、佘运磊 作者单位：北京理工大学能源与环境政策研究中心 联 系 人：曲申 研究资助：国家自然科学基金项目（72022004）。 北京理工大学能源与环境政策研究中心 北京市海淀区中关村南大街5号 邮编：100081 电话：010-68918651 传真：010-68918651 E-mail: squ@bit.edu.cn 网址：http://ceep.bit.edu.cn Center for Energy and Environmental Policy Research Beijing Institute of Technology 5 Zhongguancun South Street, Haidian District, Beijing 100081, China Tel: 86-10-68918651 Fax: 86-10-68918651 E-mail: squ@bit.edu.cn Website: http://ceep.bit.edu.cn 1 中国电力部门省际虚拟水流动模式 与影响分析 水资源危机被2020年世界经济论坛视作全球最大社会风险，气候变化已使我国水资源安全风险明显上升。能源、电力为水资源密集型行业，电力商品隐含的虚拟水资源通过跨省电力交换，进行了地区间水资源的再分配，对地区电力生产方式、水资源使用情况及利用方式产生广泛影响。本报告评估了我国30个省份电力部门的水资源使用情况，重点分析了电力行业的虚拟水流动模式，在结合地区水资源压力的基础上，进一步探讨了电力行业虚拟水转移对当地的水资源的使用和影响。 一、水资源匮乏威胁能源系统韧性 水和能源具有高度依存的关系，水资源的短缺将严重影响能源系统的稳定发展[1]。水-能关系主要是指用于能源生产的水（包括能源的提取、净化、输送、加热、处理等消耗的水资源）与生产、处理水所消耗的能源之间的关系[2]。 电力供应与发展依赖于水资源。在电力生产环节中，除原料外，还需要大量的水参与其中，例如煤炭洗选、运输、水力发电、火电机组冷却等，而冷却环节则是需水量与耗水量最大的一环。本世纪初，法国与美国多个火力发电厂因缺少足够的水资源而被迫关停或减产。2011年，长期干旱导致水库干涸，罗马尼亚水电公司产量降低了30%。2016年，由于严重干旱，印度燃煤发电行业利润损失至少3.5亿美元。 2 2022年，我国四川省遭遇了大范围长时间极端高温干旱天气，直接导致发电机组停机，影响波及全国产业供应链的稳定。 跨省跨区电力传输带来虚拟水转移。全国电力的远距离跨省输送，优化了电力资源的配置，同时造成了水资源的空间转移。缓解了极度缺水地区，如京津冀地区的发电用水量，而进一步加剧了西部地区本就严峻的水资源现状，增大了富煤缺水地区的水资源压力。以内蒙古、新疆、陕西为例，2020年对外输电分别导致了约12.38亿立方米、1.14亿立方米和1.88亿立方米的虚拟水外流。因此研究我国省际电力行业的虚拟水转移对水资源利用、以及电力系统安全稳定运行具有重要意义。 二、电力行业虚拟水流动网络模拟 （一）模型 本报告采用基于广义矩阵的网络法[1]评估了我国2020年电力跨省运输隐含的虚拟水转移量。基于广义矩阵的网络法根据一定时期内（如一年）各省电网发电、跨省电力交换和电力生产用水的统计汇总数据，将一个电网的发电直接用水与另一个电网的电力消费联系起来。在模型中，发电端和用电端视作节点，地区间的电力传输线路视作链接，电能在这个网络中流动。同时，电能的流动带动电力产品中隐含的虚拟水流动，形成了一个虚拟的水流动网络。如果一个电网从另一个电网进口电力，而另一个电网又从第三个电网进口，那么第一个电网可能间接从第三个电网进口一些电力。该方法能够模拟无穷高阶电力转移，刻画地区间复杂电力贸易和电力部门的虚拟水转移网络。 3 （二）数据来源与处理 2020年跨省电力交换数据、各省份总发电量、各省份分类型发电量、全国出口电量来自中国电力企业联合会发布的《二〇二〇年电力工业统计资料汇编》。跨省电力交换数据中电力送端地区均为省份，电力受端地区也大多为省份，个别受端地区为区域电网。针对这种情况，本报告根据实际的电网传输路线，将输电电量依次分解到省级单位。由于输电线路线损电量的用水也计入发电厂年许可用水量中，本报告不扣除输电线损电量。 报告中我国机组冷却技术组合参考文献[4-5]设定，文献[4]公布了我国各省份2015煤电机组不同冷却技术的装机容量，如表1所示；文献[5]中统计了2015年我国燃气机组的冷却技术，即均采用直流冷却技术。由于数据可得性，本报告假定2020年我国各省火电机组冷却技术组合保持不变。我国核电机组取水水源均为海水，而水库具备统筹防洪、供水、灌溉、生态、航运和发电等多种需求，水电用水量在核算上具有较大争议，因此本报告仅考虑火力发电的用水情况。基于各省发电的平均取水、耗水系数[6]，本报告核算了中国省际输电导致的电力虚拟水流动。 表1 各省份火电冷却技术组合 省份 直流冷却 循环冷却 空冷 北京 15% 85% 0% 天津 38% 62% 0% 河北 22% 61% 17% 山西 0% 42% 58% 内蒙古 3% 48% 49% 辽宁 28% 70% 2% 吉林 9% 68% 24% 黑龙江 19% 77% 3% 4 上海 88% 12% 0% 江苏 66% 34% 0% 浙江 79% 21% 0% 安徽 31% 69% 0% 福建 94% 6% 0% 江西 22% 78% 0% 山东 24% 76% 0% 河南 5% 94% 1% 湖北 58% 42% 0% 湖南 60% 40% 0% 广东 77% 23% 0% 广西 66% 34% 0% 海南 100% 0% 0% 重庆 28% 72% 0% 四川 0% 100% 0% 贵州 0% 100% 0% 云南 0% 100% 0% 陕西 0% 50% 50% 甘肃 0% 62% 38% 青海 16% 84% 0% 宁夏 0% 47% 53% 新疆 0% 47% 5