用电耗费大量水资源——解决这个问题的最佳方法是什么？

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

自从哈维飓风创纪录的降雨量给德克萨斯州造成严重破坏以来，已经过去了九个月，而现在

该州大部分地区正遭受干旱。与此同时，美国西部超过 15% 的地区正处于极端干旱之中，而一年前几乎为零。 在世界各地，许多地区正在经历干旱、地下水枯竭和市政供水短缺。

应对这些挑战将需要投资于技术和基础设施，以节约用水并增加传统供水。电力部门是节水的明显目标，因为电力部门

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消耗每年数万亿加仑的水。问题是我们应该专注于减少发电厂的用水量，还是应该利用它们产生的电力通过海水淡化来生产淡水。让我们深入探讨一下，找出这两种策略的真正比较结果。

发电厂如何消耗水？

据一项估计，全球发电每年消耗超过三万亿加仑的水。为什么发电厂如此耗水？大多数发电厂都使用蒸汽涡轮机发电。从涡轮机出来的蒸汽必须冷却，冷凝回水，并像下图所示那样在系统中循环利用。冷却过程是发电厂消耗大部分水的地方。根据美国能源信息署（EIA）的数据，美国大多数发电厂都使用“闭环”或“循环”冷却系统。下图显示了循环冷却系统的示意图。在循环冷却系统中，使用单独的水流来冷却和冷凝来自涡轮机的蒸汽。这个过程会加热冷却水，然后将其喷洒到冷却塔中。一些热水滴会蒸发并从冷却塔中飘出，这就是热量排出冷却系统的方式。蒸发损失的水就是发电厂“消耗”的水。“消耗”并不意味着水永远消失了，因为它最终会通过降雨重新进入水系统，但蒸发后，这些水在当地不再可用。

我们可以在不用水的情况下冷却发电厂吗？

鉴于人们如此关注发电厂的用水量，您可能会问：“为什么不直接从方程式中去除水，而使用大型风扇来冷却来自涡轮机的蒸汽呢？”这种“干式冷却”系统确实存在，并且已部署在世界各地缺水地区，包括

南非、中国和美国。不幸的是，干式冷却系统往往会降低发电厂的效率。当蒸汽在较低温度下冷却时，蒸汽涡轮机产生更多的电力。因此，在炎热的天气里，干式冷却发电厂的功率输出和效率将大大低于类似的湿式冷却发电厂。因此，干式冷却系统作为节水策略的可行性取决于发电厂必须消耗多少额外的燃料能量来弥补效率的降低，以及这种额外的能量消耗与海水淡化等其他供水管理策略相比如何。简而言之，重要的是要问，我们是否最好使用大量额外能量将发电厂转换为干式冷却，还是将这些能量转移到海水淡化。让我们深入探讨并回答这个问题。

可以通过两个因素来估算使用干式冷却节水的能源成本：1) 从湿式冷却切换到干式冷却所节省的水量，以及 2) 干式冷却对发电厂效率的影响。干式冷却节省的水量取决于发电厂的类型，因为燃煤电厂比联合循环天然气电厂（目前最有效率的化石燃料发电厂）消耗更多的水。干式冷却对发电厂效率的影响也取决于发电厂的类型，因为燃煤电厂切换到干式冷却后损失的效率比联合循环天然气电厂更多。下表显示了干式冷却的示例性节水和效率影响的摘要。

最重要的是，通过将发电厂的湿式冷却系统切换到干式冷却系统，每节省一千加仑的水大约需要 55-130 千瓦时的电力。为了进行比较，一个普通的美国家庭每天大约使用

30 千瓦时的电力和300 加仑的水。

最佳节水方法是什么？

这些数字与海水淡化的能源强度相比如何？最常见的海水淡化技术是使用高压泵将海水强行通过膜，从而将淡水与浓缩废水分离。使用这种技术对含盐地下水进行淡化仅

使用每千加仑 4-6 千瓦时，而对含盐量更高的海水进行淡化则每千加仑使用 10-15 千瓦时。海水淡化的能源强度是传统水处理的几倍，传统水处理每千加仑用水量不到 2 千瓦时。即便如此，海水淡化的能源强度远低于干式冷却节水的能源强度。

此分析仅考虑了使用干式冷却系统节水和使用海水淡化处理水之间的能源消耗差异。与往常一样，还有其他因素需要考虑。例如，海水淡化厂价格昂贵，并且需要靠近含盐地下水或海水。但最终，能源强度较低的供水管理策略本质上比能源强度较高的替代方案更可取。气候变化有可能

加剧缺水的原因，而为节约或处理水而增加的能源需求给减少碳排放的计划带来了额外的压力。因此，虽然减少发电的用水量是值得称赞的节水策略，但与替代方案相比，干式冷却系统等技术的环境成本可能超过其收益。