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德瑞克說碳金融》第四十一講:口渴的能源?談能源轉型下的水資源

「能源和水資源是密不可分的。隨著對資源需求的增加,與氣候變化帶來的挑戰日益增加,水資源短缺可能會威脅能源項目的長期生存能力並阻礙發展」,世界銀行副總兼氣候變遷大使瑞秋凱特(Rachel Kyte)這樣說。因此本篇文章的標題名稱「口渴的能源」,是取自於世界銀行的一項全球倡議「Thirsty Energy」。「Thirsty Energy」全球倡議希望能通過一些方式,協助政府們做好同時規劃能源發展與用水計畫的合作與權衡取捨。

大家好,我是德瑞克,我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣,同時也抱著高度質疑。

在能源轉型路上,水會越來越珍貴。(資料來源:https://pixabay.com/)

陽光、空氣、水,是生命的三要素。平常我們扭開水龍頭就能取得,而且在台灣水的價格低廉(如下表各國水價比較),台灣一度水(也就是一千公升)平均只要台幣九塊錢。在全球主要國家中水費中,算是非常便宜,中國的水價是我們的兩倍,而美國水價是我們的五倍。

便宜的用水價格是便民的德政,讓所有人都能負荷這項民生必需品,但是也可能讓我們有時忘記了,水其實是一項極為稀缺的資源。
全球的平均水價。(資料來源:台灣自來水公司)

水,是一個問題嗎?

地球上的水看起來很多,但是其實能用的淡水非常少,屬於非常稀缺的資源。

地球上的水,有97% 是鹹鹹的海水,只有3%是淡水;而在這3%的淡水當中,又有69% 的水鎖在冰川中,另外30% 是地下水,只有不到 1%的水,位於人類取得方便的地方,像是湖泊、河流和沼澤中。

也就是地球上的水,可供人類使用的只有大約萬分之三(3%的淡水再乘以1%位於湖泊與河流),這麼珍貴的比例,是不是很難想像?

地球的水,只有萬分之三的淡水是人類容易取得的,(資料來源:https://www.e-education.psu.edu/earth103)

地球上的水還不只是稀有,而且分布還很不平均。下面的地圖是世界上淡水資源的分布,藍色代表有水,橘色代表缺水,顏色越深代表狀況越嚴峻。巴西、俄羅斯、加拿大、印亞、中國、哥倫比亞和美國擁有世界上大部分的地表淡水資源。反之,大約世界上五分之一的人口,則生活在橘紅色的缺水地區中。

而且,水不只稀有、分布不均之外,氣候變遷還導致全球性的水資源問題加劇,更多乾旱在發生,如我們在第三十五講提到,今年(2022年)世界各地遭遇的百年乾旱。另外,從下圖三十年間(1995 vs 2025)的水資源比較來看,很多地區的水資源都在減少,像是美國西部、非洲中南部、中亞跟歐洲,2025年(下圖)的黃紅色區塊都比1995年(上圖)明顯變大了。

世界淡水供應1995-2025變化,(資料來源:https://www.grida.no/resources/5829)

能源與水,關係密不可分

「能源和水資源是密不可分的。隨著對資源需求的增加,與氣候變化帶來的挑戰日益增加,水資源短缺可能會威脅能源項目的長期生存能力並阻礙發展」,世界銀行副總兼氣候變遷大使瑞秋凱特(Rachel Kyte)這樣說。

因此本篇文章的標題名稱「口渴的能源」,是取自於世界銀行的一項全球倡議「Thirsty Energy」。「Thirsty Energy」全球倡議希望能通過一些方式,協助政府們做好同時規劃能源發展與用水計畫的合作與權衡取捨。

Thirsty Energy協助能源與水的協同整合,(資料來源:https://www.worldbank.org/)

各式各樣的能源都需要用到水,不管是傳統能源或是可再生能源都是如此。

火力發電站與核電廠依賴水進行冷卻;水力發電需要有足夠的水量才有充裕的發電;生質燃料(目前主要從農作物提煉而來)需要非常大量的水灌溉;而綠色氫需要靠電解水來生產氫;太陽能與風力發電則相對用水較少。

下圖是各項能源的單位發電的用水量,請留意橫軸座標是對數座標,也就是橫軸多增加一個刻度,代表用水量多10倍。可以看出生質燃料(最上面灰色方塊Biomass)的單位能量消耗水量最大(中位數mdn=85100),幾乎是用水最省的風力(最下面綠色方塊Wind,中位數mdn=43)的2000倍用水量。這麼大的用水量,也讓生質燃料的發展未來,在糧食疑慮之下,又需要多了一層水用量的考量。

各種能源的單位能源生產用水量比較,(資料來源:https://www.powermag.com/)

稀缺的水資源,將對能源帶來巨大影響

既然能源生產離不開水,那麼前面提到的稀缺水資源,就有可能造成能源行業的危機。由於氣候變遷,水資源將會變得越來越稀缺,這樣不只會阻礙現行傳統化石燃料能源的生產,也可能阻礙綠色能源轉型的進展。
先讓我們看看世界各地的例子,因為水資源因素而造成電力能源短缺:

1. 美國:火力發電廠因為缺水或是水溫過高而導致發電量減少(因為無法冷卻)

2. 美國:用水力裂解去開採頁岩油,因為水資源稀缺或水價過高而受限

3. 巴西與委內瑞拉:因為水量比過往少而導致水力發電能源供應受限

美洲部分,(資料來源:https://www.worldbank.org/)

4. 法國:缺水而導致核電廠運作受影響,供電減少

5. 非洲(剛果與肯亞):因為乾旱而導致水力發電受限

6. 南非:因為缺水,新蓋的發電廠被迫採取乾冷式降溫(Dry-cooling),而乾冷式與傳統的水冷式相比,成本較高但是效率卻較差。

歐洲與非洲的部分,圖片來源:https://www.worldbank.org/)

7. 印度與東南亞:超過半數的電廠設置在缺水的高風險地區,這在未來可能造成能源危機

8. 中國:缺水造成水力發電的危機,今年長江流域的缺水導致三峽大壩發電量較去年減少四成,造成四川大停電。

9. 澳洲:乾旱導致發電廠被迫減少發電,把水資源優先留給都會民生用水。

亞洲與澳洲的部分,圖片來源:https://www.worldbank.org/)

看完了水資源對現在主要能源來源的重要性,如果轉型到新能源時代,情況會更好一些嗎? 我們來看看國際能源署(IEA)在2020年報告的分析。

國際能源署有一個野心勃勃的願景,叫「可持續發展場景(簡稱SDS)」,這是希望透過各種方式將全球平均氣溫控制在只升高1.5°C。在這麼理想且野心勃勃的願景下,換算出來2030的「取水量」會比2016年少兩成,但是「用水量」會多五成。

先說明一下甚麼是「取水量」跟「用水量」。「取水量」指從河流、湖泊、地下水等等獲得的水量。但是水取來之後有些會被使用掉了,像是灌溉或是電解,這部分被消耗掉不會再排回去的水,就稱為「用水量」;而其餘可能用來冷卻降溫、水力發電的水,則還會再排放回水系統中。所以一般來說「取水量」會大於「用水量」。

2016-2030 年可持續發展情景中能源部門的取水量與用水量。資料來源:國際能源署)

為什麼在能源總量增加的情況下,能源類別的取水量還可以減少兩成?因為可持續發展場景樂觀地假設,太陽能光伏發電與風力發電會有更多部署(這兩者屬於需水量較少的),以及發電與用水效率提高,導致未來的「取水量」會下降。

但是即使是在這麼樂觀的假設下,2030年能源類別的「用水量」還是會比現在多五成。最主要是因為生質燃料的增加以取代化石燃料,前面已經提過,生質燃料是非常消耗水的能源。另外聚光太陽能(CSP),也就是用太陽產生的熱能,去推動蒸氣輪機產生電力,因為跟火力發電依樣牽涉到熱能,就需要用水來冷卻,因此對用水的需求也很高。

另外值得一提的是,被認為是火力發電救星的CCUS(碳捕獲/使用/儲存)方法,因為CCUS能讓現在主力的燃煤電廠以幾乎零排放的方式,未來得以再繼續運行。但是,CCUS也是高度耗水的,根據美國能源部的研究,CCUS雖然可以將燃煤電廠的碳排放減少80%到90%,但是卻會導致電廠的用水量翻倍。

所以即使在最樂觀的假設前提下,轉型後的能源還是需要消耗掉更多的水,而能源類別的用水量增加,就代表其他需求的可用水量減少。別忘了水是一種生活必要資源,因此能源需求未來可能與民生需求、農業糧食需求、都會清潔需求甚至生態環境,發生強烈的水資源競爭。

「Energy Needs Water, Water Needs Energy」

除了前面已經闡述的「能源需要水」之外,其實「水也需要能源」。

從取水、供水到廢水處理,整個水循環都需要能源。事實上,隨著世界上人口增加,對水資源與能源的需求都將日益增加,而這兩者之間的交互關係將會更加深化。

為了取得更多的可用淡水資源,海水淡化項目將會越來越多,而海水需要很多能源才能淡化成可用水。在缺水的中東沙漠,到了2040年預估全國將有16%的電力是用在水部門(當中最主要就是海水淡化)。
因此未來的趨勢就是,能源會越來越依賴水,水也會越來越依賴能源,兩者在規劃時需要一併做考慮。如下圖所示,已經有研究用多目標優化的方式,在配置能源時,把水資源也考慮進去,試圖找出衡量各種權重之後的折衷方案。

基於多目標優化的能源規劃,圖片來源:https://pubs.acs.org/)

水的商品金融化

除了多目標優化之外,另一個減少水消耗的方式,就是商品化。就像現在的碳排放權一樣,使用者付費,讓付得起的企業使用,而付不起的企業受到市場壓力而必須省水。

水是人類生活的基本必需品之一。所有的生命都離不開水。出於這個簡單的原因,水可能是地球上最有價值的商品。但也恰恰因為是生命必需品,人權專家認為水不應該是可供開發的商品與金融資產,因為這將會危害享有飲水與衛生的人權。

不過現實是,在能源轉型下水的珍貴性更加重了,水正越來越被視為一種商品與金融資產,這是個值得研究的議題,我們將於後續專文討論之。

下一講,我們將順著此講的軌跡,來談談一個被遺忘的清潔能源,水力發電的愛恨情仇。

水力發電,圖片來源:https://pixabay.com/)

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