十年期美国电力生产的水压力

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英文标题：
《Water Stress on U.S. Power Production at Decadal Time Horizons》
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作者：
Poulomi Ganguli, Devashish Kumar, and Auroop R. Ganguly
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最新提交年份：
2015
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英文摘要：
  Thermoelectric power production at risk, owing to current and projected water scarcity and rising stream temperatures, is assessed for the contiguous United States at decadal scales. Regional water scarcity is driven by climate variability and change, as well as by multi-sector water demand. While a planning horizon of zero to about thirty years is occasionally prescribed by stakeholders, the challenges to risk assessment at these scales include the difficulty in delineating decadal climate trends from intrinsic natural or multiple model variability. Current generation global climate or earth system models are not credible at the spatial resolutions of power plants, especially for surface water quantity and stream temperatures, which further exacerbates the assessment challenge. Population changes, which are difficult to project, cannot serve as adequate proxies for changes in the water demand across sectors. The hypothesis that robust assessments of power production at risk are possible, despite the uncertainties, has been examined as a proof of concept. An approach is presented for delineating water scarcity and temperature from climate models, observations and population storylines, as well as for assessing power production at risk by examining geospatial correlations of power plant locations within regions where the usable water supply for energy production happens to be scarcer and warmer. Our analyses showed that in the near term, more than 200 counties are likely to be exposed to water scarcity in the next three decades. Further, we noticed that stream gauges in more than five counties in the 2030s and ten counties in the 2040s showed a significant increase in water temperature, which exceeded the power plant effluent temperature threshold set by the EPA. Power plants in South Carolina, Louisiana, and Texas are likely to be vulnerable owing to climate-driven water stresses.
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中文摘要：
由于当前和预计的水资源短缺和河流温度上升，对毗邻美国的热电生产进行了十年期评估。区域水资源短缺是由气候变化和变化以及多部门用水需求驱动的。虽然利益相关者偶尔会规定0至30年左右的规划期限，但这些规模的风险评估面临的挑战包括，难以从固有的自然或多模型可变性中描绘十年气候趋势。当前一代全球气候或地球系统模型在发电厂的空间分辨率方面不可靠，尤其是在地表水量和河流温度方面，这进一步加剧了评估挑战。人口变化很难预测，不能作为各部门用水需求变化的充分替代指标。尽管存在不确定性，但仍有可能对处于风险中的发电量进行稳健评估，这一假设已被检验为概念证明。本文提出了一种从气候模型、观测和人口故事情节中描述水资源短缺和温度的方法，以及通过检查发电厂位置的地理空间相关性来评估处于风险中的发电量的方法，该发电厂位于能源生产的可用水供应更为稀缺和温暖的区域内。我们的分析表明，在短期内，200多个县可能在未来30年面临缺水问题。此外，我们注意到，在20世纪30年代，超过五个县和20世纪40年代的十个县的水位计显示水温显著升高，超过了EPA设定的电厂出水温度阈值。由于气候导致的水压力，南卡罗来纳州、路易斯安那州和得克萨斯州的发电厂可能很脆弱。
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分类信息：

一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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PDF下载：
--> Water_Stress_on_U.S._Power_Production_at_Decadal_Time_Horizons.pdf (3.82 MB)

2022-5-9 13:42:42 上传

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关键词：十年期 Quantitative observations Stakeholders correlations

!!十年周期内美国电力生产面临的水压力！向ARPA-E的初次陈述：2014年6月手稿完成：2014年9月发布日期：2014年9月DOE采购订单#DE-AR0000482：项目名称：“未来美国水资源可用性和质量研究”主要研究者和联系人：Auroop R.Ganguly地址：可持续性和数据科学实验室（SDS实验室），东北大学土木与环境工程，马萨诸塞州波士顿400SN亨廷顿大道360号，电话：617-373-6005；电子邮件：a。ganguly@neu.edu编制单位：波士顿东北大学Poulomi Ganguli、Devashish Kumar和Auroop R.Ganguly SDS实验室，MA-02115编制单位：高级研究计划署-美国能源部华盛顿特区西南独立大道1000号，20585本报告为美国能源部（DOE）编制，采购订单#DE-AR0000482下的高级研究项目机构能源（ARPA-E）。美国能源部和ARPA-E均不对所披露信息的准确性、完整性或有用性做出任何明示或暗示的保证，或承担任何责任。本文作者的观点和意见不一定陈述或反映美国的观点和意见。

DOE或ARPA-E.2！目录确认3执行摘要4第1章：导言6第2章：数据和方法13第3章：未来的水资源可用性和温度30第4章：有风险的发电41第5章：讨论和结论44第6章：挑战和未来50附录593!!                                                                                !确认资金主要由美国能源部（美国能源部）能源高级研究项目局（ARPA-E）通过能源部采购订单#DE-AR0000482“未来美国水资源可用性和质量研究”提供，东北大学教务长办公室和工程学院通过二级拨款予以补充。ARPA-E帮助定义问题、获取与电厂相关的数据以及评估解决方案策略。气候数据来自美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的气候模型诊断和相互比较项目（PCMDI）档案。水文数据来自美国地质调查局（USGS）网站。人口数据来自美国人口普查局。东北大学工程学院和土木与环境工程系提供了ArcGIS等软件和所需的计算资源。Janet Yun是东北大学土木与环境工程专业的本科生，在最初的分析阶段通过一个独立的学习项目提供帮助。

我们感谢东北大学学者、机械工程系本科生泰勒·霍尔在撰写本报告时提供的技术和编辑帮助。这项工作是在东北大学土木与环境工程系可持续性与数据科学实验室（SDS实验室）进行的。4.执行摘要：根据十年尺度，对毗邻的美国因当前和预计的缺水和河流温度上升而面临风险的热电生产进行了评估。区域水资源短缺是由气候变化和变化以及多部门用水需求驱动的。虽然利益相关者偶尔会规定0至30年左右的规划期限，但这些规模的风险评估面临的挑战包括，难以从固有的自然或多模型可变性中描绘十年气候趋势。当前一代全球气候或地球系统模型在发电厂的空间分辨率方面不可靠，尤其是在地表水量和河流温度方面，这进一步加剧了评估挑战。人口变化很难预测，不能作为各部门用水需求变化的充分替代指标。尽管存在不确定性，但仍有可能对处于风险中的发电量进行稳健评估，这一假设已被检验为概念证明。

本文提出了一种从气候模型、观测和人口故事情节中描述水资源短缺和温度的方法，以及通过检查发电厂位置的地理空间相关性来评估处于风险中的发电量的方法，该发电厂位于能源生产的可用水供应更为稀缺和温暖的区域内。我们的分析表明，在短期内，200多个县可能在未来30年面临缺水问题。此外，我们注意到，在20世纪30年代，超过五个县和20世纪40年代的十个县的水位计显示水温显著升高，超过了EPA设定的电厂出水温度阈值。由于气候导致的水压力，南卡罗来纳州、路易斯安那州和得克萨斯州的发电厂可能很脆弱。总之，我们的分析表明，在合理的气候变化和人口增长情景的各种组合下，处于缺水和/或不可接受的高温风险的县将产生4.5到9四分之一的电力（来自现有工厂）。工艺流程：由于可用性降低和温度升高，水压力直接使热电生产面临风险。气候变化和可变性会影响水文循环，从而影响水供应和溪流温度。人口和多部门用水的变化会影响水需求。同时减少用水5！供应和需求的增加导致发电厂运行面临水资源可用性压力，水温升高导致水质压力。

暴露分析需要电厂属性，包括类型、容量和位置，以及有关区域水资源的信息，以了解整体脆弱性。缺水和变暖造成的水压力需要与电厂暴露和恢复力相关联，以进行风险评估。这些挑战来自预测的规模和范围，以及风险和决策权衡空间的复杂性。该概念如图ES1所示。图ES1流程图！\"#$%&\'(!)%*+\'(%*,(-%.#%/#\"#&0(1234\"%52*(6.27&)(!\"#$%&\'(\"%()#*&&+&%)\'$&),&-$.\",-&/01$%&/%0-2(30,&&\"#&4)\'5&8\'+.%,%52*(#*(9%&\'.(:4%\"#&0(;<\'$3\'.%&4.\'=(!)%*+\'>（一）A（B.B....................................................................................................................................9%..........................................9%9%及.9%.................................................JK（！“#$%&”（F*&.*%“（-.#%/#”#&0（A（L%？M）（2G（N*，）>&%*，#*+（2G（1）0>#？>#4> #2*（2G）（！“#$%&\'（F*&.*%）（-.#%/#“&&0（9%&”。（<\'3\'.%&4\'）（；，$%9*&<，\'2%）#*&6!!                                                                                !第一章：导言能源安全、水资源可持续性和气候变化是美国和全球社会面临的最紧迫的威胁之一。在热电生产的背景下，这三个领域密切互动，形成了一个复杂的“能源-水-气候关系”。气候变化对未来淡水供应的影响（从而对能源生产的影响）以前就有过研究；然而，这些研究大多集中在本世纪中后期以及大陆到全球的空间尺度上。

然而，私营和公共部门的广泛利益相关者一直在强调，需要在未来30年以及从地方到区域的范围内研究气候变化对多部门的影响。电厂管理人员和能源规划者所需的时间和空间尺度与气候或水模型和观测可靠生成的数据之间的不匹配导致了重大挑战。与电厂风险和脆弱性相关的成本效益权衡加剧了这一挑战，需要考虑行为和资源可用性的多个尺度。本报告提供了应对这些挑战的概念证明。1.1动机2011年，美国91%的电力由核电站和化石燃料热电厂产生（约9%的电力由水力发电厂和其他可再生能源产生），占美国所有地表水提取量的40%，用于各种操作，包括冷却（美国能源部/EPSA-000220014；EIA，2011）。美国电力需求将增长29%（每年0.9%），从2012年的38260亿千瓦时增长到2040年的49540亿千瓦时（EIA，2014）。电力消耗往往会随着人口增长而增加，从2012年到2040年，每年约为0.8%（EIA，2014年）。水在发电厂的运行中起着至关重要的作用。水在不同阶段被提取，例如冷却和冷凝驱动涡轮机的高压蒸汽，为发电设备生产能量，以及建造发电站（Fthenakis和Kim，2010）。

用于冷却的水是世界上总用水量的最大部分！发电厂；它占总用水量的90%以上（美国能源部/EPSA-000220014；EIA，2013）。美国的电力生产已经受到水资源利用率降低和溪流温度升高的影响。例如，2013年8月中旬，康涅狄格州沃特福德的Millstone核电站的一个反应堆不得不关闭，因为从长岛湾抽取的水的温度超过了反应堆的安全极限约1°C（即23.89°C）。2012年夏天，当热浪席卷中西部地区时，伊利诺伊州中部的Powerton煤电厂的一台发电机不得不暂时关闭，因为可用的水太热，无法有效地冷却热蒸汽。气候变化导致的降水模式变化可能会增加现有发电厂的脆弱性，并可能威胁到新能源项目的可行性。此外，由于全球变暖导致环境空气温度升高，预计美国大部分地区的溪流温度都会升高。进水温度的升高会降低冷却效率（Linnerud et al.，2011），随着水流温度的升高和供水变得稀缺，发电厂的发电量低于装机容量，尤其是在夏季。关注科学家联盟的一份报告（Rogers等人，2013年）强调，到2040年；低流量和高水流温度可能会降低新马德里煤厂和密苏里州南部密西西比河流域直流冷却系统的发电能力。美国的几个地区。

遭受极端干旱或最近经历过严重干旱；即使在正常年份，这些地区的未来用水需求也可能超过可用供水量，尤其是在西海岸。因此，对气候变化所有这些后果的潜在影响进行更深入、定量的理解是这项工作的重点。1.2问题陈述在这里，我们评估了由于预计的水资源短缺，美国大陆（不包括阿拉斯加和夏威夷）县级热电生产面临的风险有多大！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！1.http://green.blogs.nytimes.com/2012/08/13/heat-shuts-down-a-coastal-reactor/!2.http://spectrum.ieee.org/energywise/energy/fossil-fuels/collision-between-water-and-energy-is-underway-and-worsening !8.河流温度上升。这项工作的动机来自于人们的担忧，即在美国的某些地区，淡水可用性的降低和溪流温度的上升已经影响了能源生产。为了满足加利福尼亚、德克萨斯和佛罗里达等水资源紧张地区日益增长的淡水需求，各地正在考虑使用替代水源，如微咸水、海水或其他需要替代处理和使用更多能源的水源。在水温升高的地区，发电厂不得不减少，在某些情况下，完全停止能源生产。人们担心，气候变化和人口增长等因素可能会加剧这些问题，使它们更加普遍。

在这项工作中，我们对未来30年（2010-2040年）气候变化下发电的脆弱性进行了一级评估，在30年的时间段内，采用多个时间窗口的5年气候平均值。1.3文献状况、最佳实践和关键差距表A1和A2总结了评估美国在缺水和河流温度上升情况下面临风险的发电的最新文献和最佳实践。大多数现有的电厂风险评估研究（表A1）都集中在取水方面，假设人口和热电用水需求不断增加。其他部门的未来用水需求假定不变。一些研究使用水文模型（如可变渗透能力[VIC]模型）绘制了与电厂风险相关的缺水情况（van Vliet et al.，2012）。这些研究采用了前几代全球环流模型（GCM）的气候数据和未来温室气体（GHG）排放的社会经济情景（Blanc等人，2014年；Roy等人，2012年和2005年）。最新一代的大气环流模式能更好地描述大气化学、改善物理学、提高空间分辨率，并且在模拟降水模式方面略有改进。这些研究大多集中在多个气候模型和温室气体排放情景下的水资源可用性上，没有解决各种来源造成的相关不确定性。