中国电力部门省际虚拟水流动模式与影响分析

2 0 2 3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：010-68918651E-mail: squ@bit.edu.cn网址：http://ceep.bit.edu.cn Center for Energy and Environmental Policy ResearchBeijing Institute of Technology5 Zhongguancun South Street, Haidian District, Beijing 100081, ChinaTel: 86-10-68918651Fax: 86-10-68918651E-mail: squ@bit.edu.cnWebsite: http://ceep.bit.edu.cn 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。 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。 （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。 三、结果分析与讨论 （一）我国跨省电力交换情况 我国跨省电力传输的总体方向是从西北地区往华北、华东地区输送，西南地区向东南沿海、长三角地区输送，即煤炭、水能资源集中但经济水平不发达的地区向经济发达、用电负荷集中的东部地区输送，具有输送距离远、输送体量大、跨多个省份输送的特点。图1绘制了2020年我国跨省直接电量交换的网络流动图，图中节点的大小和颜色深浅分别代表各省份本地发电量的大小，箭头由电量送端省份指向受端省份，其粗细代表了2020年直接电量传输量的多少。2020年中国跨省直接输送电量占总发电量的19.80%，输送总量约为1511.42太瓦时，直接外送电量最大的省份是内蒙古，在2020年总共输送了约229.69太瓦时的电量。2020年直接受电最多的省份是广东省，接收外省输送电量达到222.21太瓦时。广东省跨省进口电量主要来自于云南省输送的130.88太瓦时，占全国省际电力交换的8.66%，是流量最大的跨省电力传输。附表1列出了2020年我国排名前20的跨省电力交换流。随着我国的经济增长，电力消费也在逐年提升，输送线路数量及容量逐年提升，跨省跨区域传输网络和电量总数将进一步提高。 内蒙古、山西、四川、云南、宁夏和新疆为主要电量输出省（区），北京、上海、天津、河北和浙江为主要电量输入省。图2展示了各个省份和直辖市的总电量即发电量和输入电量之和，以及用电量和本地发电量的占比。如果某省的用电量在总流入电量中所占比例较低，则该省份的电力可输出比例就相对较高，例如内蒙古自治区、宁夏自治区、云南省，其占比均低于60%，在全国电力网络传输系统中为主要电量输出省份，这些省份多位于我国的西部地区，具有丰富的水力、煤炭、石油、天然气和风、光资源，在我国电力交换系统中起着电力仓库的作用。发电量占总流入量较低的省份，则极大依赖于外省的电力输入，例如北京市、上海市，均低于50%，这两个城市均为第三产业占比高，经济高度发达而能源匮乏的地区，可利用的自然资源相对较少，十分依赖电网体系中的外部电力供应，是我国电力消费的排头兵。某省发电量占总流入量比例和用电量占总流入量都比较低，那么这个省份极有可能在电力交易网络中发挥了“传递”的作用，如陕西和甘肃省。 （二）我国各省电力部门的虚拟水转移模式分析 虚拟水转移网络比电力直接交换网络互相连接更加紧密，存在大量间接电力交换。电力直接交换链路共有115条，图1仅显示大于50亿千瓦时的电力交换；虚拟水转移链路共有761条，图3仅显示大于0.1亿立方米的虚拟水转移链路。这表明在没有直接进行电力传输的省份之间，存在着大量的隐形间接电力交换。在上图中，节点的大小 代表各省电力生产的取水量大小，箭头的指向代表虚拟水的流动方向，箭头的粗细则代表了虚拟水转移量的大小。 截止2020年底，省际电力部门的电量交换产生的虚拟水转移流量总值高达175.78亿立方米。2020年全国水资源总量约为31605.20亿立方米，全国用水量为5812.90亿立方米。2020年，由电力部门跨省运输导致的虚拟水转移量约占全国用水量的3%。表2列出了2020年我国排名前20的跨省电力交换导致的虚拟水转移流，其中虚拟水总流出量最多的省份是湖北，总流出量达到32.74亿立方米，主要流向上海、广东、江苏和江西等地区。虚拟水总流入量最多的省份为浙江省，总流入量42.62亿立方米，主要来源于福建、安徽两省。 （注：左侧表示京津冀地区三省外地区向京津冀三省的虚拟水流入，右侧表示京津冀三省内部的虚拟水流动，分别用省份*和省份**表示，仅显示流量超过0.02亿m³的虚拟水流动） 2020年京津冀地区通过电力输送从中国其他地区进口了13.69亿立方米的虚拟水资源，无向地区外各省份跨省输电，为虚拟水净流 入地区。河北省为京津冀地区最主要的电力输入和虚拟水流入节点，其流入量几乎全部再输送给北京、天津。考虑京津冀地区内部的虚拟水转移后，北京、河北仍为虚拟水净流入地区，净流入量分别为14.60亿立方米和0.18亿立方米。2020年京津冀地区自身发电量为4100亿千瓦时，京津冀地区全社会用电量超过5973.72亿千瓦时，存在较大的电力供应缺口，京津冀地区与周边山西、河南、山东、内蒙古已经建立起了15条超高压和特高压输电通道，总电力交换能力可达到7600万千瓦，缓解电力供应压力的同时，引入了大量伴随电力输入带来的虚拟水。 京津冀地三省最主要的虚拟水来源是辽宁省、内蒙古和山西省。辽宁省向北京、天津、河北提供电力分别导致0.42亿立方米、0.32亿立方米、5.29亿立方米的虚拟水流入。辽宁省向京津冀地区输送虚拟水量占辽宁省向全国其他各省的虚拟水流量的99.50%。北京、天津、河北由于从内蒙古接收电力分别导致0.70亿立方米、0.52亿立方米、3.35亿立方米的虚拟水流入。内蒙古自治区向京津冀地区输送虚拟水量占其向全国其他各省的虚拟水流量的37.02%。山西省向京津冀地区提供电力输送虚拟水量为1.75亿立方米。 长江经济带地区的虚拟水流动主要集中于地区内部浙江、江苏、上海、安徽和湖北五省。长江流域经济带中存在较大电力缺口的省份主要是位于经济带上游的浙江、江苏和上海三省，为虚拟水资源流入省份；而安徽省和湖北省通过电力输送向浙江、江苏和上海三省输送了总计45.45亿立方米的虚拟水资源。如图5所示，浙江省2020年 发电量3521亿千瓦时，全社会用电量4872.21亿千瓦时，电力缺口主要由地区外福建省和地区内安徽省和湖北省输送。由于电力输送导致的地区内部、外部虚拟水输入流量分别为20.57亿立方米和20.94亿立方米，总计41.51亿立方米。安徽省是长江经济带中向区域内其他各省输送虚拟水最多的省份，高达30.03亿立方米，主要通过电力交换向浙江、江苏转移虚拟水资源，占比分别为41%和57%。湖北省分别向长江经济带地区内和地区外各省输送25.12亿立方米和7.62亿立方米虚拟水，总计32.73亿立方米，是长江流域经济带中其他各省输送虚拟水最多的省份。长江流域经济带中的其他省份，尤其是中下游省份，几乎不向区域外的省流出虚拟水。 （注：左侧表示长江经济带地区十一省以外地区向长江经济带十一省的虚拟水流入，右侧表示长江经济带十一省内部的虚拟水流动，分别用省份*和省份**