自哈维飓风创纪录的降水量对德克萨斯州造成严重破坏已经过去9个月了，如今该州的大部分地区都处于干旱之中。与此同时，美国西部有超过15%的地区都处于极度干旱的状态，而一年前这一百分比几乎为0。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。
为了应对这些挑战，我们需要在技术上和基础设施的建设上进行投资，节约用水并增加常规用水。节约用水的一个明显目标就是每年消耗数万亿加仑水的电力部门。问题是，我们应该把重点放在减少发电厂的耗水量上，还是应利用产生的电力来进行海水淡化。下面就让我们深入研究一下这两种策略的比较情况。
发电厂是如何消耗水的？
据估计，全球每年发电需要消耗超过3万亿加仑的水。为什么发电厂这么“渴”？大多数发电厂使用蒸汽涡轮机发电。涡轮机产出的蒸汽必须通过冷却，冷凝成水，然后通过系统循环使用，如下图所示。发电消耗的大部分水就源自这个过程。
根据美国能源信息管理局(EIA)的数据，美国大多数发电厂使用的是“封闭循环”或“再循环”冷却系统。再循环冷却系统的图示如下。在再循环冷却系统中，需要运用一个单独的水流来冷却和冷凝来自涡轮的蒸汽。这个过程会将冷却水加热，然后冷却水将被喷入冷却塔。其中一些热水珠会蒸发并从冷却塔中漂浮出来，这就是热量如何从冷却系统离开的。蒸发损失的水就是发电厂“消耗”的水。这种“消耗”并不意味着水永远消失了，因为它最终会通过降水重新进入水系统，但是水在蒸发后就无法在当地使用了。
我们能在没有水的情况下给发电厂降温么？
基于对发电厂耗水量的担忧，你可能会问：“为什么不把水从这个过程中剔除，用一个大风扇来冷却涡轮机排出的蒸汽呢？”这种“干式冷却”系统的确存在，并已经应用在了世界各地的缺水地区，例如南非、中国和美国的一些地方。不幸的是，干式冷却系统往往会降低发电厂的效率。当蒸汽被冷却的温度越低，蒸汽涡轮机产生的能量就越多。因此，在炎热的天气中，干冷系统的发电厂的能量输出和效率将比类似的湿冷系统发电厂要低的多。因此，干式冷却系统作为保护水资源方法的可行性取决于需要多少额外的燃料来弥补发电厂减少的效率以及这部分额外的能源消耗与其它供水策略（例如淡化海水）相比哪个更合适。简而言之，重点就在于我们是否应该应用一堆额外的能量把发电厂转换成干式冷却系统，又或者将这些能量应用于海水淡化。那让我们深入地探讨一下这个问题。
干冷系统节水的能量成本可以基于两个因素来估算：1)将湿冷转换为干冷所节约的水量以及2)干冷系统对发电厂效率的影响。干冷系统的节水量取决于发电厂的类型，例如燃煤电厂的耗水量比联合循环天然气电厂(现有的化石类燃料效率最高的电厂)要多。干冷系统对电厂效率的影响也取决于电厂的类型，像燃煤电厂转换为干冷系统损失的效率就要比联合循环天然气电厂要多。下面的表格总结了干冷系统的节水量和对效率的影响。
最重要的是，将电厂从湿冷系统切换到干冷系统大约需要55-130千瓦时的电力才能节约1000加仑的水。相比之下，美国家庭平均每天消耗大约30千瓦时的电和300加仑的水。
节约水的最好办法是什么呢？
这些数字与海水淡化所需要能量强度相比如何呢？最常见的海水淡化技术是应用高压泵迫使海水通过薄膜来分离淡水和浓缩废水的。利用这种技术淡化地下咸水每千加仑只需要4-6千瓦时，而淡化盐度更高的海水，每千加仑则需要10-15千瓦时。海水淡化需要的能量强度较传统的水处理高出数倍，后者每千加仑所需的用电量不超过2千瓦时。即便如此，咸水淡化所需的能量强度也远低于通过改变发电厂冷却方式节水对应的能量强度。
本分析仅考虑了通过干冷系统节水与海水淡化处理之间的能耗差异。当然还有其他因素需要纳入考虑范围。比如，海水淡化厂造价昂贵，并且需要靠近咸水或海水。然而归根结底，低能耗的水资源管理策略比高能耗的替代策略更为可取。气候变化可能会使导致水资源短缺变得更加严重，节约或处理水资源需要的能量的增加会对减少碳排放的计划造成额外的压力。因此，虽然减少发电站的耗水量是节约用水的一项有价值的策略，但与替代方案相比，干冷系统等技术的环境成本可能超过其收益。
关于作者
Andrew Reimers
Andrew Reimers是得克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)的市场运营工程师。所述观点仅代表作者，不代表ERCOT。可以在Twitter上关注他，ID是@AndrewSReimers。
（翻译：梁玉麟；审校：戴晨）
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