水资源短缺对全球发电厂的运营构成了挑战

《Environmental Impact Assessment Review》：Water scarcity challenges global power plant operation

水资源短缺加剧威胁热电发电系统可靠性。基于13,038座热电厂数据，研究发现缺水地区电厂占比将从2015年26.1%增至2050年SSP245情景下的31.9%，冷却技术调整可使效率损失降低1.6%-6.6%，但发展中国家改善有限。结论指出水资源约束将持续影响热电系统，需在能源转型中统筹规划。

　　

冯晨|王照华|胡向平|丁玉婷|郑贺然

北京工业大学经济学院，中国北京

摘要

气候变化加剧的水资源短缺问题日益限制了热电发电，并威胁到电力系统的可靠性。当发电厂集中在已经面临水资源短缺的地区时，这些风险会更加严重。然而，关于气候变化导致的水资源短缺如何影响不同气候情景下热电发电厂的运行效率，目前仍知之甚少。在本研究中，我们评估了在SSP119、SSP126和SSP245气候情景下，包括煤电、油电、天然气发电以及生物质发电在内的13,038座热电发电厂的运行效率损失及其技术调整的潜力。研究发现，2015年位于水资源短缺地区的发电厂占全球热电装机容量的26.1%，到2050年这一比例将上升至31.9%。不同冷却技术下的运行效率损失各不相同，其中一次通过式和其他耗水量大的冷却系统的可用容量下降更为明显。技术调整带来的效率提升在不同气候情景下也有差异，在SSP119情景下仅提升1.6%，而在SSP245情景下则提升至6.6%，尤其是在发展中国家。这些结果表明，在未来气候情景下，水资源短缺将持续成为热电发电的制约因素。

引言

气候变化正在全球范围内加剧水资源短缺问题。预计未来几十年内，某些地区的水资源可用量将减少40%（Rosa和Sangiorgio，2025年）。与此同时，电力系统正在经历由脱碳、技术变革和政策优先事项演变所驱动的深刻结构转型（Zhang等人，2025年）。电力系统的运行在很大程度上依赖于水资源，全球超过70%的电力生产仍然依赖耗水量大的技术，主要是热电和水力发电系统（De Amorim等人，2018年；Szinai等人，2024年）。特别是热电发电厂在冷却过程中仍然严重依赖淡水，这使得它们在能源系统转型过程中持续面临水资源短缺的风险（Guo和Hasani，2024年）。

这种紧密的耦合关系意味着水资源短缺不仅仅是环境问题，更是发电厂的直接运行限制（Wang等人，2025年）。实际上，水资源短缺通过限制冷却所需的淡水供应来影响热电发电（Behrens等人，2017年；Zheng等人，2016年）。可用水资源的减少会限制冷却用水的供应，从而直接降低热电发电厂的运行效率和可用容量（Sj?stedt等人，2025年；Tidwell等人，2019年）。当这种限制影响一个地区的多个发电单元时，其影响会波及整个电力系统，导致可调度容量减少、系统灵活性降低以及高峰需求期间的供电可靠性下降。在依赖热电发电且水资源相对有限的地区，由于水资源限制导致的容量损失会减少备用容量，加剧供需不平衡，并在极端气候条件下增加电力短缺的可能性（Rosińska等人，2024年）。

尽管已有研究从不同角度探讨了水资源短缺对电力系统的影响，但这些研究存在许多局限性。许多分析假设电力系统是静态的，仅在固定的发电组合和机组组合下评估运行限制。这种静态假设无法反映电力系统在机组退役、容量扩张和技术更新过程中的水资源短缺风险变化（Lohrmann等人，2019年；Qin等人，2023年；Zhang等人，2018年）。此外，大多数现有研究仅关注个别国家、河流流域或地区，缺乏全球统一的分析框架（Siddiqi和Anadon，2011年；Wang等人，2019年；Zhang等人，2018年；Zheng等人，2016年）。这限制了在不同水资源条件、电力系统结构和转型路径之间的系统比较，也妨碍了对水资源短缺风险在全球范围内的分布及其在能源转型过程中如何变化的理解。随着电力系统的发展，水资源短缺对电力系统运行的整体影响及其随时间的变化在全球范围内尚未得到充分评估。

为了解决这些不足，我们开发了一个统一的、基于发电厂的框架，用于研究不同气候情景下水资源限制与电力系统转型之间的相互作用。通过将气候驱动的水文信息与全球发电厂数据库相结合，并使用GCAM模型来模拟电力系统转型路径，我们评估了在发电单元退役、扩建和替换过程中，热电运行效率在水资源受限条件下的变化情况。此外，我们在不同气候情景下比较了冷却技术调整和发电结构调整对热电运行效率的影响，从而提供了关于水资源相关风险在能源转型期间如何持续存在、转移或加剧的系统级见解。这些结果为在日益严峻的气候压力下进行长期电力系统规划和水资源管理提供了依据。

方法

为了评估未来水资源短缺情况下全球发电厂的运行效率，我们开发了一个综合分析框架，该框架结合了全球能源和水文模型以及发电厂级别的数据（图1）。首先，我们将全球变化分析模型（GCAM）与全球能源监测（GEM）世界发电厂数据库相结合，构建了一个包含发电容量、燃料类型、冷却系统和取水强度的全球发电厂数据集。其次，我们结合了气候

发电厂和水资源短缺的全球分布

2015年，全球共有13,038座发电厂在运行，包括煤电、核电、油电、天然气发电以及生物质发电厂，总装机容量为3491.5吉瓦（图2a）。其中，29.1%的发电厂数量和26.1%的发电厂装机容量位于水资源短缺地区，这些地区的径流量较低，表明全球相当一部分电力生产受到水资源有限带来的限制。

在水资源短缺的地区，发电

讨论与结论

本研究表明，在低碳能源转型过程中，水资源短缺将继续成为热电发电系统的重要制约因素（Hou等人，2024年；Lohrmann等人，2023年；Ravinandrasana和Franzke，2025年）。其影响不仅受气候变化的影响，还受到现有基础设施和空间分配模式的制约。这项分析得出了三个相互关联的结论。

一个核心发现是，仅靠气候缓解措施无法解决电力系统中的水资源问题

利益冲突声明

我们声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（参考编号：72574026、72321002、72204025、72141302、W2412163）的支持。