气候变化和水资源短缺是当前全球面临的两大重要挑战。火电行业作为全球最大的二氧化碳人为排放源，一方面是导致气候变化的重要原因（人类活动影响自然环境）；另一方面，气候变化下水文循环的改变（如水资源稀缺、水温升高）又会严重制约火力发电，威胁能源安全（自然环境反馈人类社会）。能源行业冷却技术的转型（如采用干式冷却技术）可缓解火电行业面临的水资源压力，但同时存在热交换效率低、风机耗能高等缺点，且其发电效率和碳排放将进一步随着气候变化非线性增长。与此同时，非常规水资源利用及二氧化碳捕集技术则可能有效缓解诸如干式冷却技术带来的碳-水权衡效应。因此，在人地耦合视角下，综合冷却技术转型、非常规水源利用以及碳封存等技术，识别电力部门的碳-水双向耦合机制，是气候变化及水资源短缺双重挑战下电力部门面临的重要科学瓶颈及现实问题之一。


图1. 人-地耦合视角下电力部门的水-碳权衡关系示意图
基于全球电厂数据集、气象水文数据集、非常规水源和碳封存潜力估算，北京大学环境科学与工程学院覃栎研究员和合作者搭建了全球高精度的冷却技术-非常规水资源-碳封存技术的电力部门碳-水权衡关系综合评估框架，为电力行业应对人地耦合视角下气候变化和水资源短缺双重挑战提供科学依据。研究发现，全球主要燃料类型的干式冷却技术存在明显的碳-水权衡关系。从空间分布来看，取水量减少较大的电厂主要集中在中国北方、美国西部和非洲南部，二氧化碳排放量大幅增加的机组则集中在印度和中国北方。环境温度升高会导致更高的背压，干式冷却机组的效率损失将非线性增加。在RCP6.0和RCP8.5情景下，环境温度和效率损失将持续增加，且效率损失的增加速度快于环境温度的增速。通过对冷却技术、非常规水资源和碳封存潜力的耦合评估，研究发现，提高污水回用比例可使非常规水满足冷却水需求的火力发电容量从25%增加到85%，而将非常规水收集距离从10km增加到50km，冷却水满足率将从15%增加至42%。因此，积极开发非常规水源回收利用和碳封存技术将为解决电力部门的碳-水权衡提供机会；同时，研究还发现，对于中国东部、印度和泰国等干式冷却技术-非常规水资源-碳封存技术耦合都难以应对其电力部门碳-水权衡的地区，迫切需要可再生能源转型等策略来解决碳-水权衡困境，从水资源角度提出了碳中和目标下电力部门低碳转型的优先布局。
本研究聚焦于气候变化下厂级冷却技术部署及其碳-水权衡的综合评估框架，在全球尺度上揭示了水资源与碳排放权衡关系的双向耦合机制和空间分布特点，探究了非常规水源和碳封存技术在全球电厂尺度的灵活应用潜力，从多维视角更加系统地分析电厂尺度气候变化下碳-水权衡关系的时空动态演变，为碳中和目标下的电力系统规划和能源安全提供科学依据。
以上研究成果以“Global assessment of the carbon-water tradeoff of dry cooling for thermal power generation”为题发表在Nature Water上。覃栎为论文第一作者及共同通讯作者，论文共同通讯作者为清华大学深圳国际研究生院的洪朝鹏助理教授。论文其他合作者还包括美国能源部橡树岭国家实验室王耀平博士，北京大学工学院邓航研究员，北京大学环境科学与工程学院博士研究生李诗雨、硕士研究生黄亮点，以及荷兰乌得勒支大学、荷兰拉德堡德奈梅亨大学、俄亥俄州立大学、纽约州立大学等相关领域知名专家。该研究工作得到了国家自然科学基金委（72140003, 42277482, 42130708）等项目的支持。
作为该成果的前期基础，课题组还在Nature Climate Change （2022 CYWater Outstanding Paper, 2020 NCC封面文章）, Nature Sustainability （2019 Nature Research Highlights, 2018）, PNAS （2017）发表了系列基于人地系统耦合的水-能-粮系统脆弱性及适应性机制相关研究。课题组长期招收博士后，诚邀对气候变化及碳中和下水资源-能源-粮食系统脆弱性及适应性领域感兴趣的研究者加入课题组开展合作研究。
课题组详细信息可参考：http://scholar.pku.edu.cn/qinyue
博士后招聘：https://mp.weixin.qq.com/s/imk5S8PxYnjAEjqTnBfFKA
气候变化与能源转型相关前期研究：
Qin Y, Mueller ND, Siebert S, Jackson RB, AghaKouchak A, Zimmerman JB, Tong D, Hong CP, Davis SJ.Flexibility and intensity of global water use.
Nature Sustainability. 2019; 2: 515-523. （Nature研究亮点报道）
https://www.nature.com/articles/s41893-019-0294-2
Qin Y.Global competing water uses for food and energy. Environmental Research Letters. 2021; 16(6): 064091.
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ac06fa
Qin Y, H?glund-Isaksson, L, Byers, E, Feng, KS, Wagner, F, Peng, W, Mauzerall DL. Air quality-carbon-water synergies and trade-offs in China's natural gas industry. Nature Sustainability. 2018; 1(9): 501-508.
https://www.nature.com/articles/s41893-018-0136-7
Qin, Y, Wagner, F, Scovronick, N, Peng, W, Yang, Zhu T, Smith KR, Mauzerall DL. Air quality, health, and climate implications of China's synthetic natural gas development. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 2017;114(19):4887-4892.
https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.1703167114