《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Dynamic analysis of energy -water synergy technologies for regional power generation with prospective LCA towards carbon neutrality
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本研究基于前瞻性生命周期评估（PLCA）方法，评估了陕西省风光电及煤电耦合碳捕获技术的能源水协同效应。结果表明，风电环境负荷最低，煤电通过后燃烧膜碳捕获可显著减排。建议优先发展风电光伏，2030年前扩大规模，2060年前部署物理吸附碳捕获技术，为类似地区提供决策支持。
吴培泽|刘颖颖|张兰特天|陈莎|李素梅|李汉兵|高吉|姜柯军
北京工业大学环境科学与工程系区域空气污染控制重点实验室，中国北京100124
摘要
在碳中和目标下的区域能源转型面临着能源和水资源短缺的双重约束，能源与水资源的紧密关系对可持续路径的形成具有关键性影响。在分析水资源约束时，还必须考虑气候变化的影响。本研究建立了一种基于前瞻性生命周期评估（PLCA）的方法，用于评估区域转型情景中的能源-水资源协同技术，该方法使用了与生命周期影响（LCI）参数相关联的低排放分析平台（LEAP）情景清单数据。随后，该方法被应用于评估2020年至2060年间在陕西省部署的多晶硅光伏发电技术、陆上风力发电技术以及九种不同碳捕获技术的五种环境影响（ADP、EP、FAETP、GWP、TFU）。结果表明，2020年陆上风力发电技术的环境影响最小，而采用燃烧后膜碳捕获技术将大大降低燃煤发电的影响。可再生能源的影响主要集中在材料生产阶段，而超过90%的碳捕获系统影响发生在运行期间。除了陆上风力发电技术外，其他能源-水资源协同技术通过减少材料生产过程中的碳排放和优化碳捕获系统的吸附效率，使环境影响降低了20%以上。考虑到不同发展阶段的约束和技术成熟度，陕西省应在2030年前优先发展风能和光伏发电，在2030至2060年间扩大太阳能-风能混合系统的规模，并为燃煤发电部署基于物理吸附的燃烧后碳捕获技术。本研究为类似地区在能源转型过程中选择能源-水资源协同技术提供了决策支持。
引言
作为世界上最大的碳排放国之一，中国承诺在2060年前实现碳中和[1]。能源行业占总碳排放量的近80%，是实现碳达峰和碳中和的核心领域[2]、[3]、[4]。许多国家计划将能源系统从高碳型转变为以可再生能源为基础的深度脱碳系统[5]、[6]。电力行业在这一过程中发挥着重要作用[7]。1.5℃情景要求电力行业在2050年前实现碳中和，使其净零转型成为实现碳中和目标的核心支柱[8]。然而，当前的能源转型受到水资源的限制，给能源-水资源关系带来了新的挑战[9]、[10]。这种现象在可再生能源丰富但水资源有限的地区尤为明显，严重阻碍了可持续发展[11]、[12]、[13]。有效应对全球气候变化需要管理能源和水资源之间的相互依赖关系，并促进水资源开发与能源行业增长之间的良性协同[14]。因此，在碳中和目标下的能源转型路径必须明确考虑水资源的影响，量化水资源使用与能源转型之间的双向互动。
近年来，大多数研究分别关注能源系统或水资源，通常侧重于能源转型相关的碳排放减少或环境效益，或者对能源-水资源互动进行零散的分析[15]、[16]，缺乏从能源-水资源系统耦合角度的全面考虑[17]。此外，一些研究主要关注国家、城市或个别行业部门[18]、[19]、[20]、[21]，这些研究主要基于在不同地理尺度上分析历史数据的趋势和当前特征，使用生命周期评估（LCA）、水足迹评估（WFA）和投入产出表（IO）[22]、[23]。例如，刘等人使用多区域投入产出模型（MRIO）确定了京津冀地区的水资源和能源节约的关键区域和部门[24]。然而，现有研究在很大程度上忽视了该地区的实际水资源需求，依赖缺乏前瞻性的现有数据。此外，对于未来情景中特定生产阶段和技术的需求和环境影响（EIs）也存在研究空白。
对于正在经历绿色和低碳转型的区域部门来说，研究不同能源技术路径下的能源和水资源的协同管理尤为重要，特别是对于那些能源资源丰富但水资源有限的地区。由于电力行业是最有可能在2050年前实现零排放的行业[25]，优化该地区的电力结构将从长远角度大幅减少碳排放和环境负担[26]。不同技术转型对碳排放的影响相对较小，但会对水资源消耗产生显著影响。相反，一些能够有效控制水资源消耗的技术变化可能会显著增加碳排放[27]，电力行业中的不同发电技术也是如此[28]、[29]。近年来，关于发电行业与水资源之间互动的研究有所增加。然而，大多数研究集中在传统发电技术上，对改进的传统发电技术和其他发电技术对水资源影响的探索有限[23]、[30]、[31]。因此，研究应重点关注当前能源转型情景下适合不同区域电力部门的技术，特别强调它们的能源-水资源互动。促进区域水资源和能源系统的协调发展，根据区域特征选择合适的能源-水资源协同技术至关重要[32]。
技术评估一直是社会管理和政策规划中的重要问题，需要全面考虑技术在生产、使用和处置等多个生命周期阶段的能源、环境、经济等方面的影响。然而，技术具有动态性、集成性和系统性，明确能源-水资源协同的技术评估机制一直是一个热门且困难的问题。目前，主要的技术评估方法包括经济评估[33]、[34]、模型评估[35]、多属性决策评估和博弈建模[36]、[37]。在各种技术评估方法中，LCA具有全面性和持续改进的优势，可以帮助决策者做出更科学和可持续的技术选择[38]、[39]。LCA考虑了技术整个生命周期的所有阶段的多种环境和社会影响，同时使用一致的方法和指标，使不同技术之间的评估更加科学和可比。最近，学者们[40]改变了LCA生命周期清单中的一些未来情景假设，以分析未来情景下的环境影响（EIs），这种面向未来的LCA通常被称为前瞻性生命周期评估（PLCA）[41]。当前的研究已经证实了PLCA在分析产业转型影响的供应链直接和间接总体EIs方面的价值。然而，它仍然存在局限性，一是未来情景和背景系统的发展和变化时间不一致，二是未来情景发展的不一致性[42]。更好的方法是将在生命周期清单和生命周期影响评估阶段将LCA与能源模型的情景分析信息联系起来[43]、[44]、[45]。
本研究旨在解决中国碳中和目标和高质量区域经济发展中整合能源-水资源协同管理的关键挑战。通过充分考虑技术进步和社会经济发展等关键因素，探讨如何合理评估各种技术的长期环境和水资源影响。本研究以不同的技术为研究对象，利用低排放分析平台（LEAP）的情景分析能力来解决与未来发展、背景系统变化和技术时间不一致相关的问题。此外，建立了一种基于PLCA的能源-水资源协同技术评估方法，以评估不同技术在其未来发展生命周期中的综合性能。本研究选择陕西省作为一个典型地区，该地区面临着区域低碳转型和碳中和目标下的水资源约束双重挑战，并重点关注电力部门，探索能源-水资源协同技术的环境影响。本研究的结果可以为类似地区的未来能源转型、发展和规划提供科学指导。本研究不仅为评估能源-水资源技术互动提供了坚实的框架，还为面临类似挑战的地区政策和利益相关者提供了实用建议。
方法
本研究全面考虑了技术发展因素，包括技术进步、政策变化和市场需求，以及资源禀赋和工业发展等区域特征因素，并提出了一种基于PLCA的电力生成能源-水资源协同技术评估方法（图1），该方法有助于识别具有区域特征的关键技术，并量化它们在未来发展中的整个生命周期影响。
研究区域
陕西省是黄河流域中游典型的生态脆弱地区，也是中国西部重要的能源和化工基地（图2）。该地区的能源生产和消费结构较为重，面临水资源短缺、水资源需求增加和污水排放量增加等挑战[49]、[50]。以重工业为主导的工业结构和不合理的能源消费结构严重阻碍了其绿色和低碳发展
当前发电技术的能源-水资源影响
图3显示了当前阶段11种发电技术的5种环境影响（EIs）。结果表明，在这11种发电技术中，陆上风力发电技术的环境影响最小，这与Guidi[61]、Quek[62]等人的研究结果一致。陆上风力发电技术的ADP为137.54 MJ，仅为采用MEA燃烧前碳捕获技术的燃煤发电最大ADP的1.62%。此外，TFU和
结论
基于能源-水资源协同的发展目标和动态系统技术的特点，建立了一种基于前瞻性生命周期评估（PLCA）的能源-水资源协同技术评估方法。通过陕西省能源-水资源协同技术评估的案例研究，验证了该方法的有效性和优越性，该方法可以为识别具有区域特征的关键技术和量化其影响提供方法论支持
作者贡献声明
吴培泽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理。刘颖颖：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论。张兰特天：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论。陈莎：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，概念化。李素梅：撰写 – 审稿与编辑，监督。李汉兵：撰写 – 审稿与编辑，监督。高吉：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢北京工业大学在技术和实验室方面提供的支持。本研究得到了“生态资源状况对煤炭三角地区能源转型路径影响研究”（项目编号：C2025148）、“中国二次铝、铅、锌和锂金属的绿色生产和可持续发展项目”（项目编号：GEF-10673）以及“促进和利用气候行动实现净零排放”（项目编号：）的支持。
