概述
水资源短缺是全球核心挑战之一，预计到2030年，全球水资源需求将超过供应量的40%。当前水资源管理存在效率低下问题，水务部门能耗占总用电量的4%，且能源行业水资源需求可能增加近60%。若不采取行动，高收入国家到2050年可能面临高达8%的GDP损失。报告强调水与能源的协同潜力，提出通过现有技术方案提升水循环各阶段的水和能源效率，以应对水资源短缺和能源需求增长。
水与能源的紧密联系
地球表面约70%被水覆盖，但仅3%为淡水，且其中大部分不可直接利用。气候变化和人类活动导致水资源压力加剧，地下水消耗速度已超过补给速度。当前水资源管理体系存在效率低下问题，如管道渗漏、基础设施陈旧等。此外，水务行业能源利用效率低，消耗全球4%的电力，加剧了气候变化。
水与能源的协同潜力
水循环各阶段（取水制水、管网输送、终端用水、污水处理与回收利用）都需要能源驱动。到2040年，水务行业能耗预计将翻番。同时，能源系统高度依赖水资源，占全球淡水提取量的约14%，到2040年可能增加近60%。水与能源系统的协同关系被称为水与能源系统的协同，提升一方效率可直接促进另一方效率与韧性提升。
应对水循环浪费的三项举措
- 降低需求：通过提高用水意识、优化土地利用和改造基础设施来减少用水需求。
- 减少浪费：通过投资检漏、压力管理和智能计量技术减少无收益水，提高水处理过程能源效率。
- 高效供应：升级水务基础设施，强化监测系统，优化供水过程，实现单位供水能耗降低。
忽视能源在水循环中作用的经济代价
忽视水和能源的内在关联将带来财务、环境、健康和地缘政治风险。制造业和资源开采等行业将面临成本上升压力，高收入国家到2050年可能面临高达8%的GDP损失。水资源和能源管理不善可能导致资源竞争加剧，增加冲突风险。
第一阶段：取水制水
- 淡水抽取：全球淡水使用量持续增长，取水能耗日益增加。通过使用变频器等高效设备，可实现显著节能效果。
- 海水淡化：海水淡化是满足淡水需求的重要方法，但仍是能源密集型工艺。海水反渗透技术是最高效的淡化技术，单位能耗可降至2kWh/m³以下。通过改造现有淡化厂，可节省大量能源和成本。
- 突破制水瓶颈：制水过程虽能耗密集，却是应对水资源短缺的必要手段。政策制定者需破解以下障碍：
- 现代淡化厂的环境影响存在误解。
- 制水设施缺乏最低能效性能标准。
- 薄弱的监管未对浓盐水合规排放作出严格要求。
- 淡化厂运营的短期合同抑制了能源效率投资的积极性。
第二阶段：管网输送
- 无收益水：全球每天有数百万升水在配送过程中流失，相当于390亿美元的经济损失。无收益水导致能源和水资源双重损耗。
- 应对无收益水问题：通过智能压力管理和数字化解决方案减少无收益水，实现水资源和能源损耗的双重降低。
- 突破输配瓶颈：配水管网是水务系统中最为老旧的环节，存在渗漏和老化问题。数字化程度低，难以获取关键数据。政策制定者需通过意识提升与政策激励推动配水管网的数字化进程。
第三阶段：终端用水
- 农业：农业是全球最大的用水部门，约72%的淡水取用于农业。通过采用现代灌溉方法和高效设备，可显著降低用水量。
- 工业：工业用水约占淡水总取用量的15%，且需求仍在持续增长。通过更节水的技术和水资源回用，可降低成本、减少环境影响，并建立长期的水安全。
- 数据中心：数据中心是高耗水行业，预计到2030年，全球数据中心年耗水量可能增至约1.2万亿升。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。
- 突破用水需求端瓶颈：用水需求主要受农业和工业驱动，人工智能的兴起和数据基础设施的扩张对水资源韧性构成挑战。政策制定者需重点关注数据中心冷却环节，并推动用水效率标准在所有应用领域得到贯彻。
第四阶段：污水处理与回收利用
- 污水处理：污水处理是高度能源密集型的，全球约4%的电力消耗用于供水和污水处理系统。通过数字化运营和优化过程控制，可显著降低能耗和运营成本。
- 工业用水回用：工业用水回用不仅节约水资源，还减少泵送、加热和处理水所需的能源。在轻工业中，采用减量和回用方法，用水量可减少50%至75%。
- 突破处理与回用技术瓶颈：工业废水中常含有用标准技术难以处理或处理成本高昂的物质，阻碍了回用。政策制定者应激励各行业优先采用“按需处理”方案，并制定水回用标准。
政策建议
- 最大限度减少水损失：制定国家层面的宏伟目标，投资检漏、压力管理和智能计量技术。
- 提高水资源管理效率的数字工具：资助能够实时传输能源价格、输配成本和关税数据的数字化解决方案。
- 合理利用水资源：鼓励分散式和灵活的供水解决方案，支持水的重复利用、适合用途的处理和淡化。
研究结论
提升水与能源系统的协同潜力，需要政策制定者、企业、公用事业机构和民间社会通力合作，通过减少浪费、提高效率、实现数字化和合理利用水资源，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。
