解锁水与能源的协同潜力

简介 本册白皮书基于多方实证数据，深入阐明水与能源作为相互依存的资源的重要意义和价值。该报告着重介绍了具有前沿节能、节水和减排潜力的技术，尽管这些技术在供水行业和终端用水系统尚未普及，但它们的可获得性和良好的投资回报期是显而易见的。 特别感谢朱凯先生（世界资源研究所代表处可持续转型中心能源项目、工业转型研究员）和Laurens Speelman先生（落基山研究所主任）对本文初稿提出的宝贵建议和意见。 本文观点仅代表丹佛斯的立场。其完整性和准确性不应归责于任何外部审核人员或实体。 如有意见或问题，请联系丹佛斯分析及研究负责人Judith Neijzenjudith.neijzen@danfoss.com。 目录 水与能源—能效如何实现二者的协同联结4 概要7 水与能源的紧密联系8 水与能源的协同潜力9应对水循环浪费的三项举措12忽视能源在水循环中作用的经济代价13 第一阶段：取水制水14 淡水抽取15海水淡化16突破制水瓶颈21 第二阶段：管网输送22 无收益水23突破输配瓶颈27 第三阶段：终端用水28 农业29工业30数据中心32突破用水需求端瓶颈35 第四阶段：污水处理与回收利用 36 污水处理37工业用水回用40突破处理与回用技术瓶颈43 政策建议 45 参考文献46 前言 水与能源—能效如何实现二者的协同联结 水资源短缺是当今时代的核心挑战之一，其影响波及全球。全球水资源经济委员会指出，最早到2030年，全球水资源需求预计将超过供应量的40%。1目前，全球已有超过二十亿人口无法获得安全饮用水。2 令人振奋的是，当前水务领域在提升效率、增强韧性和提高经济竞争力方面蕴藏着巨大潜力。 许多加剧水危机的结构性因素仍未被公众充分认知：管道持续渗漏、基础设施陈旧以及水系统能耗过高等问题。要修补我们低效漏损的水系统漏洞，我们必须首先修正为管理、保护和发展这些系统所制定的政策。这需要政府、企业和民间社会通力合作，共同建设高效且具韧性的水系统，为更繁荣的未来奠定基础。这正是本文的核心议题。 全 球 水 资 源 管 理 面 临 的 一 项 重 大 挑 战 与 能 源 问题 密 切 相 关 ，而 其 受 关 注 程 度 远 未 达 到 应 有 水平 。我 们 当 前 管 理 水 系 统 中 相 关 能 源 使 用 的 方式 既 低 效 又 昂 贵，造 成 了 远 超 必 要 范 围 的 浪 费 。 然而我们却有办法改变这一现状。然而我们却有办法改变这一现状。 除了直接影响人类健康，水资源短缺还意味着全球各行业正面临生产用水困境，这给工业竞争力带来了重大挑战。 根据国际能源署的数据，全球水务部门的电力消耗占总用电量的4%。3这些能源主要用于水的生产处理、通过管网泵送以及向家庭、农业、工业和各类终端用户供水。但由于该领域长期投资不足，水务相关的基础设施陈旧，其承载的压力非常不可持续。 我们完全可以改变这一现状。 若 不 采 取 紧 急 行 动 解 决 水 与 能 源 系 统 关 键 节 点 管 理低效的问题，高收入国家到2050年可能面临高达8%的GDP损失。4对美国而言，这相当于2024年政府支出的近三分之一。5 “好消息是，如今水资源行业在提升效率、增强韧性和提高市场竞争力方面蕴藏着巨大潜力。” 无论是在海水淡化、输配管网、灌溉，还是污水处理领域，均已存在技术解决方案来提高水循环各阶段的水和能源效率。本报告展示了现有技术方案效能，并分析水与能源密切关联的战略意义。本文重点阐述了水循环中能源消耗的集中领域、减少水能和能源浪费的现有解决方案，以及如何通过有效政策弥合目标与实施之间的差距。 本文呼吁政策制定者转变视角⸺不应将水系统和能源视为孤立的挑战，而应将其理解为深度互联的系统：一方效率的提升将直接促进另一方效率与韧性的提升。为提升水与能源系统的协同潜力，我们建议政策制定者在四个方面采取行动：减少浪费、提高效率、实现数字化和合理利用水资源。最令人振奋的是，所有这些目标均可通过现有技术方案实现。当前正是推广这些方案的关键时期，以增进人类福祉、增强气候韧性、保障经济安全并加速提升工业竞争力。让我们即刻行动起来。 方行健 丹佛斯集团总裁兼首席执行官 到2030年，全球水资源需求预计将超过供应量的40%⸺这是我们不容忽视的严峻挑战。 概要 水资源浪费正加剧气候危机并危及经济韧性1 当前水资源管理的实践与基础设施既存在效率低下问题，亦显能力不足。到2040年，水务行业的能耗预计将增长一倍以上，而能源行业的水资源需求可能增加近60%。6若这些系统的能效未能快速提升，经济衰退、气候灾害和政治动荡将愈发普遍。在这一方面，解锁水与能源的协同潜力至关重要。通过采用更高效的泵送、水处理、加热与冷却技术，结合智能控制与数字化监控，我们完全可以在降低能源成本与排放的同时，显著增强水系统的韧性。 低效用水正在耗尽全球淡水资源2 低效技术与落后工艺导致几乎所有行业都以不可持续的速度消耗水资源。以数据中心为例：数据处理需求的增长，正同步推高其能源与水资源的消耗量。据国际能源署估算，当前全球数据中心年耗水量约5,600亿升，到2030年可能增至约1.2万亿升。7这一数字相当于欧盟2022年淡水抽取总量的六倍。8然而，采用闭环式液冷系统可大幅降低数据中心的水资源和能源足迹。9同样，半导体产业也是高耗水行业。尽管如此，预计到2030至2040年间，全球仍有40%的半导体制造基地将位于面临高或极高水资源压力的地区。10这是高耗水需求与日益加剧的水资源短缺之间的高风险重叠，可能危及工业生产的韧性。 为提升竞争力与保障安全，水务领域亟须加大投资力度3 水资源是维系竞争力与安全的核心要素。随着气候变化状况的恶化，洁净水、卫生设施的获取，以及水储量的减少可能会导致高收入国家到2050年的GDP下降8%。11就美国而言，GDP的8%相当于2024年政府支出的近三分之一。12低收入国家可能会出现更急剧的10-15%的下降。13尽管如此，很多国家的配送网络泄漏正在损失大量处理过的水。在美国，2019年因管道泄漏损失的经处理水价值高达76亿美元，预计到2039年这一损失将增至167亿美元。14投资现有解决方案（如传感器、水泵和变频器）可减少水资源流失，并提高配水管网的能源效率。 水资源短缺与需求增长要求采用更高能效的水资源管理、处理和生产方式 到2030年，全球用水需求预计将超过供水量的40%。15为满足这一需求，许多地区需要通过高能耗的水生产方法（即海水淡化和废水处理）提高供水量。提升这些流程的能效，对于减轻对当地水与能源系统及自然环境的负面影响至关重要。例如，如果全球现有的所有海水淡化厂都升级成以当前的技术潜力(2.0 kWh/m³)运行，则可以节省345亿欧元的资金，并将二氧化碳排放量减少1.11亿公吨。16同样，印度金奈的一家污水处理厂仅通过采用变频器这一现有技术就节省了大约22%的能源使用量。在全球范围推广这一潜力，是满足日益增长需求的关键所在。 水与能源的紧密联系 自接受启蒙教育起，我们便知地球表面约70%被水覆盖。水资源是我们星球最丰富的资源之一。然而，其中仅极小部分以人类可利用的形式存在。事实上，只有3%的水是淡水，只有一小部分可供人类使用（见图1）。17对于饮用水、食品生产、工业流程和卫生设施至关重要，确保可靠和充足的淡水供应是人类健康、经济竞争力和长期安全的基础。 然而，这一珍贵资源正承受日益加剧的压力。气候变化正扰乱水循环，对淡水资源供给造成严重影响。核心问题在于地下水⸺全球生活用水的一半依赖地下水源，其支撑着超过25%的灌溉农业。18目前地下水消耗速度已超过补给速度，而气候变化正加剧这一失衡。气温上升与降水模式改变正在削弱地下水补给能力，危及这一关键资源的长期可持续性。19 此外，当前管理地球淡水资源的体系与实践同样存在显著低效问题。部分原因在于数据薄弱或不足导致的认识缺失与透明度不足。这导致水务领域长期投资不足，进而造成水利基础设施出现象征性与实质性的双重“裂痕”。在美国，2019年管道泄漏损失了相当于价值76亿美元的经处理水⸺预计到2039年将增加到167亿美元。21同样，在欧洲，到2030年大多数欧盟成员国需要在供水和卫生设施方面每人多花费500-1,000欧元才能符合现有的水法规。22 最后，水资源短缺部分源于水务行业自身的能源利用低效问题。全球水务行业消耗全球4%的电力，23而这些电力大多来自化石燃料。化石燃料产生的排放进一步加剧气候变化，继而引发更严重的水资源危机。为降低水务行业的温室气体排放并增强其韧性，决策者必须重点关注水循环各环节的能源效率。这始于理解水与能源的共生关系。 水与能源的协同潜力 无论是取水、制水、处理、输送还是终端用水，每个环节都需要能源驱动。随着人口增长与用水需求激增，水务行业的能源需求正急剧上升。到2040年，预计水务行业的能耗将会翻番。24能源消耗的增加主要归因于对污水处理和海水淡化需求的增加（见图2）。 水务系统能耗的激增，恰恰显示了提升能效的关键机遇。通过采用更高效的泵送、处理、加热与冷却技术，结合智能控制与数字化监控，我们完全可以在降低能源成本与排放的同时，显著增强水系统的韧性。 到2040年，水务行业能耗预计增长一倍以上。 此外，正如能源对水行业不可或缺，水对能源系统也至关重要。能源行业高度依赖水资源，用于电厂冷却、水力发电、燃料提炼以及生物能源作物培育。当前，能源系统用水占全球淡水提取量的约14%，成为全球最大的淡水用户之一。26到2040年，能源生产对水资源的需求可能增长近60%。27图3显示了2021年和2030年能源领域按燃料和发电类型划分的水资源消耗量。 能源系统高度依赖水资源，这造成了重大的脆弱性。在干旱或热浪期间，冷却水匮乏，发电厂可能不得不降低出力甚至关闭。与此同时，水务系统在抽水、处理和输配过程中消耗的能源日益增加。这两种重要资源之间的相互依赖关系被称为水与能源系统的协同。 了解水与能源系统的协同潜力 本文将以水的经济生命周期为框架，解析水资源与能源之间相互依存的关系。上图4展示了水的经济生命周期，划分为四个关键阶段： 第三阶段：终端用水 第三阶段是水在各行业的消耗⸺尤其是在农业、工业和数据中心等高需求行业和用例中。在消耗过程中，加热、泵送和分散水需要能源，而水也可以用来吸收和传递能量，例如在数据中心的液体冷却系统中，或通过区域能源系统进行空间供暖和制冷。 第一阶段：取水制水 水的生产是循环的第一阶段。这涉及“传统”水生产（如淡水提取）和“非传统”生产（如海水淡化）。这些过程需要大量的能源输入，因此给我们的能源系统带来了巨大压力。能源系统高度依赖水资源：既用于冷却燃烧过程，也作为能源载体（如通过水力发电与制氢）。 第四阶段：污水处理与回收利用 值得注意的是，水循环并非止于终端用水阶段。使用后，污水通常需要处理，并且在许多情况下具有再利用的潜力。污水处理和回收利用已经有非常广泛的应用，但是耗能却非常高，意味着效率提升可为整个行业带来可观的水资源和能源节约。 第二阶段：管网输配 水一旦生产出来，必须通过输送管网才能到达消费者手中。这一输配过程需要能源进行泵送、维持压力并确保整个系统的水质。 这种循环方法凸显了将水资源与能源统筹考量，充分认识到某一环节的效率提升可对整个系统产生积极影响的重要性。 应对水循环浪费的三项举措 解决水循环中的水资源和能源浪费问题，需要企业、公用事业机构、政策制定者和监管机构采取以下三项关键行动： 降低需求 降低用水需求是减少水资源和能源浪费的关键一步。这在终端用水阶段尤为重要。通过只使用真正需要的水量，我们可以减轻淡水资源的压力，并降低通过能源密集型流程生产水的需求。终端用水需求以及工业和农业等特别耗水的行业都是如此。只使用所需水量也减少了上游和下游水循环所有阶段的水和能源消耗，因为我们需要生产、输送和处理的水量减少了。实际上，减