> **来源：[研报客](https://pc.yanbaoke.cn)** # 解锁水与能源的协同潜力 # 简介 本册白皮书基于多方实证数据，深入阐明水与能源作为相互依存的资源的重要意义和价值。该报告着重介绍了具有前沿节能、节水和减排潜力的技术，尽管这些技术在供水行业和终端用水系统尚未普及，但它们的可获得性和良好的投资回报期是显而易见的。 特别感谢朱凯先生(世界资源研究所代表处可持续转型中心能源项目、工业转型研究员)和Laurens Speelman先生(落基山研究所主任)对本文初稿提出的宝贵建议和意见。 本文观点仅代表丹佛斯的立场。其完整性和准确性不应归责于任何外部审核人员或实体。 如有意见或问题，请联系丹佛斯分析及研究负责人Judith Neijzen judith.neijzen@danfoss.com。 # 目录 # 水与能源一能效如何实现二者的协同联结 4 # 概要 7 # 水与能源的紧密联系 8 # 水与能源的协同潜力 9 # 应对水循环浪费的三项举措 12 # 忽视能源在水循环中作用的经济代价 13 # 第一阶段：取水制水 14 # 淡水抽取 15 # 海水淡化 16 # 突破制水瓶颈 21 # 第二阶段：管网输送 22 # 无收益水 23 # 突破输配瓶颈 27 # 第三阶段：终端用水 28 # 29 # 工业 30 # 数据中心 32 # 突破用水需求端瓶颈 35 # 第四阶段：污水处理与回收利用 36 # 污水处理 37 # 工业用水回用 40 # 突破处理与回用技术瓶颈 43 # 政策建议 45 # 参考文献 46 前言 # 水与能源—能效如何实现二者的协同联结 水资源短缺是当今时代的核心挑战之一，其影响波及全球。全球水资源经济委员会指出，最早到2030年，全球水资源需求预计将超过供应量的 $40\%$ 。目前，全球已有超过二十亿人口无法获得安全饮用水。 全球水资源管理面临的一项重大挑战与能源问题密切相关，而其受关注程度远未达到应有水平。我们当前管理水系统中相关能源使用的方式既低效又昂贵，造成了远超必要范围的浪费。 # 然而我们却有办法改变这一现状。 根据国际能源署的数据，全球水务部门的电力消耗占总用电量的 $4\%$ 。这些能源主要用于水的生产处理、通过管网泵送以及向家庭、农业、工业和各类终端用户供水。但由于该领域长期投资不足，水务相关的基础设施陈旧，其承载的压力非常不可持续。 若不采取紧急行动解决水与能源系统关键节点管理低效的问题，高收入国家到2050年可能面临高达 $8\%$ 的GDP损失。对美国而言，这相当于2024年政府支出的近三分之一。 令人振奋的是，当前水务领域在提升效率、增强韧性和提高经济竞争力方面蕴藏着巨大潜力。 许多加剧水危机的结构性因素仍未被公众充分认知：管道持续渗漏、基础设施陈旧以及水系统能耗过高等问题。要修补我们低效漏损的水系统漏洞，我们必须首先修正为管理、保护和发展这些系统所制定的政策。这需要政府、企业和民间社会通力合作，共同建设高效且具韧性的水系统，为更繁荣的未来奠定基础。这正是本文的核心议题。 除了直接影响人类健康,水资源短缺还意味着全球各行业正面临生产用水困境,这给工业竞争力带来了重大挑战。 我们完全可以改变这一现状。 # “好消息是，如今水资源行业在提升效率、增强韧性和提高市场竞争力方面蕴藏着巨大潜力。” 无论是在海水淡化、输配管网、灌溉，还是污水处理领域，均已存在技术解决方案来提高水循环各阶段的水和能源效率。本报告展示了现有技术方案效能，并分析水与能源密切关联的战略意义。本文重点阐述了水循环中能源消耗的集中领域、减少水能和能源浪费的现有解决方案，以及如何通过有效政策弥合目标与实施之间的差距。 本文呼吁政策制定者转变视角——不应将水系统和能源视为孤立的挑战，而应将其理解为深度互联的系统：一方效率的提升将直接促进另一方效率与韧性的提升。为提升水与能源系统的协同潜力，我们建议政策制定者在四个方面采取行动：减少浪费、提高效率、实现数字化和合理利用水资源。最令人振奋的是，所有这些目标均可通过现有技术方案实现。当前正是推广这些方案的关键时期，以增进人类福祉、增强气候韧性、保障经济安全并加速提升工业竞争力。让我们即刻行动起来。 方行健 丹佛斯集团总裁兼首席执行官 # 到2030年,全球水资源需求预计将超过供应量的40%——这是我们不容忽视的严峻挑战。 # 概要 # 1 水资源浪费正加剧气候危机并危及经济韧性 当前水资源管理的实践与基础设施既存在效率低下问题，亦显能力不足。到2040年，水务行业的能耗预计将增长一倍以上，而能源行业的水资源需求可能增加近 $60\%$ 。若这些系统的能效未能快速提升，经济衰退、气候灾害和政治动荡将愈发普遍。在这一方面，解锁水与能源的协同潜力至关重要。通过采用更高效的泵送、水处理、加热与冷却技术，结合智能控制与数字化监控，我们完全可以在降低能源成本与排放的同时，显著增强水系统的韧性。 # 2 低效用水正在耗尽全球淡水资源 低效技术与落后工艺导致几乎所有行业都以不可持续的速度消耗水资源。以数据中心为例：数据处理需求的增长，正同步推高其能源与水资源的消耗量。据国际能源署估算，当前全球数据中心年耗水量约5,600亿升，到2030年可能增至约1.2万亿升。这一数字相当于欧盟2022年淡水抽取总量的六倍。然而，采用闭环式液冷系统可大幅降低数据中心的水资源和能源足迹。同样，半导体产业也是高耗水行业。尽管如此，预计到2030至2040年间，全球仍有 $40\%$ 的半导体制造基地将位于面临高或极高水资源压力的地区。这是高耗水需求与日益加剧的水资源短缺之间的高风险重叠，可能危及工业生产的韧性。 # 3 为提升竞争力与保障安全,水务领域亟须加大投资力度 水资源是维系竞争力与安全的核心要素。随着气候变化状况的恶化，洁净水、卫生设施的获取，以及水储量的减少可能会导致高收入国家到2050年的GDP下降8%。1 就美国而言，GDP的8%相当于2024年政府支出的近三分之一。12 低收入国家可能会出现更急剧的10-15%的下降。13 尽管如此，很多国家的配送网络泄漏正在损失大量处理过的水。在美国，2019年因管道泄漏损失的经处理水价值高达76亿美元，预计到2039年这一损失将增至167亿美元。14 投资现有解决方案(如传感器、水泵和变频器)可减少水资源流失，并提高配水管网的能源效率。 # 4 水资源短缺与需求增长要求采用更高能效的水资源管理、处理和生产方式 到2030年,全球用水需求预计将超过供水量的40%。为满足这一需求,许多地区需要通过高能耗的水生产方法(即海水淡化和废水处理)提高供水量。提升这些流程的能效,对于减轻对当地水与能源系统及自然环境的负面影响至关重要。例如,如果全球现有的所有海水淡化厂都升级成以当前的技术潜力 $(2.0\mathrm{kWh} / \mathrm{m}^{3})$ 运行,则可以节省345亿欧元的资金,并将二氧化碳排放量减少1.11亿公吨。同样,印度金奈的一家污水处理厂仅通过采用变频器这一现有技术就节省了大约22%的能源使用量。在全球范围推广这一潜力,是满足日益增长需求的关键所在。 # 水与能源的紧密联系 图1全球水资源分布（海洋、冰川与天然淡水资源）20 $\bullet$ 海洋 $97.2\%$ 冰川2.15% 地下水、湖泊河流、土壤水分及大气水 $0.65\%$ 自接受启蒙教育起，我们便知地球表面约 $70\%$ 被水覆盖。水资源是我们星球最丰富的资源之一。然而，其中仅极小部分以人类可利用的形式存在。事实上，只有 $3\%$ 的水是淡水，只有一小部分可供人类使用（见图1）。对于饮用水、食品生产、工业流程和卫生设施至关重要，确保可靠和充足的淡水供应是人类健康、经济竞争力和长期安全的基础。 然而，这一珍贵资源正承受日益加剧的压力。气候变化正扰乱水循环，对淡水资源供给造成严重影响。核心问题在于地下水——全球生活用水的一半依赖地下水源，其支撑着超过 $25\%$ 的灌溉农业。18 目前地下水消耗速度已超过补给速度，而气候变化正加剧这一失衡。气温上升与降水模式改变正在削弱地下水补给能力，危及这一关键资源的长期可持续性。19 此外，当前管理地球淡水资源的体系与实践同样存在显著低效问题。部分原因在于数据薄弱或不足导致的认识缺失与透明度不足。这导致水务领域长期投资不足，进而造成水利基础设施出现象征性与实质性的双重“裂痕”。在美国，2019年管道泄漏损失了相当于价值76亿美元的经处理水——预计到2039年将增加到167亿美元。21同样，在欧洲，到2030年大多数欧盟成员国需要在供水和卫生设施方面每人多花费500-1,000欧元才能符合现有的水法规。22 最后，水资源短缺部分源于水务行业自身的能源利用低效问题。全球水务行业消耗全球 $4\%$ 的电力，23 而这些电力大多来自化石燃料。化石燃料产生的排放进一步加剧气候变化，继而引发更严重的水资源危机。为降低水务行业的温室气体排放并增强其韧性，决策者必须重点关注水循环各环节的能源效率。这始于理解水与能源的共生关系。 图2 水务行业各环节电力消耗量(2014-2040年) ${}^{25}$ # 水与能源的协同潜力 无论是取水、制水、处理、输送还是终端用水，每个环节都需要能源驱动。随着人口增长与用水需求激增，水务行业的能源需求正急剧上升。到2040年，预计水务行业的能耗将会翻番。24能源消耗的增加主要归因于对污水处理和海水淡化需求的增加（见图2）。 水务系统能耗的激增，恰恰显示了提升能效的关键机遇。通过采用更高效的泵送、处理、加热与冷却技术，结合智能控制与数字化监控，我们完全可以在降低能源成本与排放的同时，显著增强水系统的韧性。 到2040年，水务行业能耗预计增长一倍以上。 图3既定政策情景下全球能源行业按燃料和发电类型划分的水消耗量(2021年与2030年对比)28 此外，正如能源对水行业不可或缺，水对能源系统也至关重要。能源行业高度依赖水资源，用于电厂冷却、水力发电、燃料提炼以及生物能源作物培育。当前，能源系统用水占全球淡水提取量的约 $14\%$ ，成为全球最大的淡水用户之一。26到2040年，能源生产对水资源的需求可能增长近 $60\%$ 。27图3显示了2021年和2030年能源领域按燃料和发电类型划分的水资源消耗量。 能源系统高度依赖水资源，这造成了重大的脆弱性。在干旱或热浪期间，冷却水匮乏，发电厂可能不得不降低出力甚至关闭。与此同时，水务系统在抽水、处理和输配过程中消耗的能源日益增加。这两种重要资源之间的相互依赖关系被称为水与能源系统的协同。 图4水与能源系统协同的四个阶段 # 了解水与能源系统的协同潜力 本文将以水的经济生命周期为框架，解析水资源与能源之间相互依存的关系。上图4展示了水的经济生命周期，划分为四个关键阶段： # 第一阶段：取水制水 水的生产是循环的第一阶段。这涉及“传统”水生产（如淡水提取）和“非传统”生产（如海水淡化）。这些过程需要大量的能源输入，因此给我们的能源系统带来了巨大压力。能源系统高度依赖水资源：既用于冷却燃烧过程，也作为能源载体（如通过水力发电与制氢）。 # 第二阶段：管网输配 水一旦生产出来，必须通过输送管网才能到达消费者手中。这一输配过程需要能源进行泵送、维持压力并确保整个系统的水质。 # 第三阶段：终端用水 第三阶段是水在各行业的消耗——尤其是在农业、工业和数据中心等高需求行业和用例中。在消耗过程中，加热、泵送和分散水需要能源，而水也可以用来吸收和传递能量，例如在数据中心的液体冷却系统中，或通过区域能源系统进行空间供暖和制冷。 # 第四阶段：污水处理与回收利用 值得注意的是，水循环并非止于终端用水阶段。使用后，污水通常需要处理，并且在许多情况下具有再利用的潜力。污水处理和回收利用已经有非常广泛的应用，但是耗能却非常高，意味着效率提升可为整个行业带来可观的水资源和能源节约。 这种循环方法凸显了将水资源与能源统筹考量，充分认识到某一环节的效率提升可对整个系统产生积极影响的重要性。 # 应对水循环浪费的三项举措 解决水循环中的水资源和能源浪费问题，需要企业、公用事业机构、政策制定者和监管机构采取以下三项关键行动： # 降低需求 降低用水需求是减少水资源和能源浪费的关键一步。这在终端用水阶段尤为重要。通过只使用真正需要的水量，我们可以减轻淡水资源的压力，并降低通过能源密集型流程生产水的需求。终端用水需求以及工业和农业等特别耗水的行业都是如此。只使用所需水量也减少了上游和下游水循环所有阶段的水和能源消耗，因为我们需要生产、输送和处理的水量减少了。实际上，减少需求意味着提高终端用户的用水意识，通过更好地设计住宅、城市空间或整体土地利用来规划减少用水需求。同样，这也意味着改造或升级现有的水基础设施，并在新设施中使用现有的能效解决方案。 # 减少浪费 在水的输送过程中，存在着惊人的水资源浪费。目前，我们生产和输送的水量远超实际使用量，其中大部分由于低效的压力管理和输配网络中老化的基础设施导致的泄漏而损失。同样，提高水处理过程的能源效率可以带来显著的能源节省，减少排放并降低成本。有效管控水资源浪费现象，对减少满足用水需求所需的能源及资源消耗具有决定性作用(详见第37页)。 # 高效供应 通过应用现有高效节能技术方案升级水务基础设施，并强化监测系统部署，可显著优化水循环全流程运行能效。单位供水能耗可显著降低，实现同等水量供给。当地淡水抽取无法满足需求时，需要通过替代方法来供应。这意味着使用更高能耗的生产方式，如海水淡化，以及增加污水处理和重复利用。为了最大限度地减少对能源系统的压力，这些过程应进行优化以实现最高效率。 # 忽视能源在水循环中作用的经济代价 忽视水和能源的内在关联将带来重大的财务和竞争风险。制造业和资源开采等严重依赖水和能源的行业，如果低效问题得不到解决，将面临成本上升的压力。例如，与水相关的问题已经导致全球发电行业的成本增加了96亿美元，这主要归因于运营支出的增加。此外，随着气候变化的恶化，洁净水、卫生设施获得和水储量的减少可能会导致高收入国家到2050年的GDP下降8%。对于美国，8%的GDP相当于2024年政府支出的近三分之一。低收入国家的收入可能会急剧下降10%-15%。 但这不仅仅是财务或环境的代价：它还与人类健康和地缘政治安全密切相关。当水或能源变得难以负担或无法获取时，家庭可能面临经济困难，公共基础设施也会日益紧张。若未能有效管理能源和水资源，随着资源竞争加剧，甚至可能增加冲突风险。33这在依赖进口能源和共享水源的地区尤为突出。加强安全性和构建资源弹性始于对水和能源内在关联的识别和解决。 # 第一阶段 # 取水制水 在大多数情况下，在使用水之前，必须进行取水或者制水——无论通过淡水提取还是海水淡化。虽然水的生产与处理（更多关于第四阶段处理的内容详见第36页）对于确保其具备适用于不同终端用途的特性是必要的，但这些通常是使用低效设备的高能耗过程。例如，海水淡化占全球供水行业所有能源的 $26\%$ 。随着水资源短缺的加剧，对淡化的需求也随之增加。虽然在通过海水淡化生产水之前需要采取许多步骤，但关注能源效率将使淡化成为确保足够供水的合理解决方案。 本节介绍提高水生产系统效率以高效供水的关键解决方案，并特别关注了提高海水淡化这一发展最快的水生产方法的效率。但在此之前，本节将讨论现有淡水资源管理中的一些常见挑战。 # 淡水抽取 淡水取自地下水或湖泊、河流等地表水源。全球范围内，农业(72%)、工业(15%)和市政(13%)部门取用了这些淡水。35与此同时，全球淡水使用量持续增长，这意味着取水能耗日益增加，而我们的淡水资源正面临更大压力。自1900年以来，全球淡水使用量增长了六倍，36到2030年，全球需求可能超过供应量的40%。37目前，全球已有36亿人口每年至少有一个月面临供水不足问题。38除此之外，农业化肥、农药、未经处理的生活污水和工业废水正在污染我们的水源地。2023年，全球45.5%的河流、湖泊和地下水库水质未达标。39这些都凸显了以负责任和高效的方式取用淡水的重要性。 取水过程能耗巨大，但优化这些流程存在巨大潜力。例如，地下水抽取占灌溉农业能耗的 $89\%$ ，而仅有 $40\%$ 的灌溉用水来自地下水。灌溉农业的地下水抽取消耗469TWh能源，排放1.92亿吨二氧化碳，约占农业生产总排放和能耗的 $13\%$ 。40水泵由电机驱动，而传统电机通常只有全速运转或关闭两种模式。通常，电机无须全程全速运转，变频器可通过调节电机转速以适应实际需求， 从而实现显著的节能效果。变频器投资回收期短，通常不超过两年，41可为驱动水泵的电机带来 $20\%$ 至 $50\%$ 的节能效果。42同时，变频器还能确保用水量精准匹配需求。这意味着对稀缺淡水资源的压力得以减轻。 替换老旧变频器同样可以实现节能降耗。英国切特西水务公司的案例即明证：该公司通过用新型号替换老旧变频器，优化了水泵的运行效率。此举实现年节电量超16.8万kWh，在变频器生命周期内减少二氧化碳排放1,776吨，并为该公用事业公司节省超过30万英镑的电费。43此案例表明，应用现代驱动技术可使现有水基础设施效率得到显著提升。 当无法以负责任和高效的方式取水时，就需要通过现代工艺生产水来满足需求。尽管技术不断进步，但这些过程仍然能耗极高，选择正确的技术将对我们的能源系统至关重要。最有前途的方法之一是通过海水淡化来生产淡水。 图5淡化厂的工作原理44 # 海水淡化 解决水资源短缺问题需要许多地区采用更为耗能的水生产方式，例如海水淡化。在面临水资源短缺问题的地区，已采用海水淡化作为解决方案。中东地区占全球淡化产能的 $48\%$ ， $^{45}$ 淡化占2024年总最终能耗的 $7\%$ 。 $^{46}$ 到2050年，这一数字预计将达到两倍以上，达到 $15\%$ 。 $^{47}$ 然而，全球许多地区已经需要通过淡化生产淡水。例如，该技术在西班牙和希腊已广泛采用多年，而且意大利和英国等国家也在扩大其淡化能力，以满足其淡水需求。因此，聚焦于这些过程中的能源效率，对于减少其对环境和经济的负面影响至关重要。 图6国际能源署：淡化的能源需求增长(按地区划分)50 近几十年来, 海水淡化已经非常高效 $^{48}$ , 但它仍然是一种能源密集型的满足水需求的方法。因此, 在使用海水淡化以确保稳定的供水之前, 重要的是减少当地配送系统中的水损失并降低最终用水量。您可分别在第24页与第28页查阅相关详细内容。然而, 即使采取了这些步骤,淡化生产水的需求仍然会很大。国际能源署 (IEA) 预测,全球海水淡化过程的能源需求将从2023年的562TWh翻倍到2030年的1,079TWh(图6)。 $^{49}$ 这种增长主要是由中东和非洲驱动的。到2030年, 中东地区将占全球海水淡化耗能的四分之三以上。因此, 选择最高效的解决方案对当地水资源与能源安全都至关重要, 而目前从海水生产淡水最高效的技术是海水反渗透技术。 虽然海水淡化不是提供足够饮用水的首选方法，但它是非传统方法中最可靠和最广泛使用的方法。如今，海水反渗透技术提供洁净安全的饮用水，这可能是面临水资源短缺的地区和城市的解决方案。瓶装水常常成为首选，但这种水确实会带来环境影响。仅瓶装水运输的能耗通常就能达到海水反渗透技术生产水的数百倍。随着更小型、更模块化和更灵活的淡化系统的兴起，水可以在当地生产、装瓶和配送，从而减少对瓶装水运输的需求。这些模块化系统的另一优势在于其可集装箱化，并能运输至因干旱等原因突发缺水的地区。 图7 海水反渗透 # 海水反渗透工作原理 在海水反渗透工艺中, 高压循环段是最关键且能耗最高的环节。海水经提取后进入高压泵, 在高压作用下通过反渗透膜, 在此过程中滤除盐分及其他杂质。淡水被收集产出, 同时能量回收装置 (ERD) 将浓盐水中残余的压力回收, 并反馈至压力循环系统, 从而降低高压泵的负荷, 实现节能。浓盐水随后被输送至远离海岸、海水环流活跃的区域, 以确保其充分稀释与扩散。 # 海水淡化过程中的能效 改装传统的淡化设备可节省大量成本。然而，尽管近年来海水反渗透技术的效率显著提高，但仍有许多传统的淡化厂运行效率低下。在典型的淡化厂的整个生命周期内， $75\%$ 的运行成本为运营费用(OPEX)。特别是高压管路(见图7)需要消耗大量能源。尽管高压管路的设备仅占投资的 $5\%$ ，但其运营成本却占总成本的 $45\%$ 。 利用当今现有技术，海水反渗透厂可将能耗降至每立方米2kWh以下（参见第20页案例“海水反渗透能效世界纪录”）。虽然与地下水提取相比，这仍然属于能源密集型，但在淡化的能源效率方面却取得了巨大进步。特别是在高压管路中，能量回收和高压泵送方面的改进潜力巨大，能够实现显著的节能效果。 能量回收装置的核心功能是捕获未通过反渗透膜的浓盐水中的压力，并将其传递至下一循环，从而避免压力重复产生(见图7)。通过在设计中加入能量回收装置，海水反渗透厂运营商仅需相对较小的前期投资，通常即可节省高达 $60\%$ 的总能源成本。尽管过去15年间能量回收装置已日益普及，但仍有大量海水反渗透厂未配置该装置。55 同样，海水反渗透系统中高压泵的耗电占全部电力成本的 $80\%$ ——即超过总运营成本的三分之一。选择现有能效最高的高压泵，从长远来看也能产生显著效益。在许多可行的情况下，与传统泵相比，高压泵可降低总能源成本 $20\% - 30\%$ ，相对较高的初始投资也能较快收回。 但如果改造升级效益如此显著，为何仍有大量厂主和运营商未付诸行动?鉴于改装具有显著的节能潜力，人们会认为所有采用旧技术的淡化厂业主已经将旧技术更 换为最新的一流替代品。事实上，许多企业已经行动，未来还会有更多跟进。然而，仍有不少企业持续观望。 对改造效益认知不足、不愿率先采用新技术，以及“未坏不修”的惯性思维都是重要影响因素。但最主要的障碍在于前期投资(CAPEX)和对投资回报周期的顾虑。对部分厂主而言，获取改造工厂所需的资金存在困难。而对另一些厂主来说，超过一年的投资回收期就会引发疑虑——即便他们明知改造能够节约能源、资金并减少二氧化碳排放。然而，相对较小的前期投资可能对运营成本及总拥有成本产生超比例的影响。然而，并非所有淡化投资决策都以总拥有成本思维为基础。 # 海水淡化作为灵活性杠杆 尽管现代海水反渗透技术仍属高能耗工艺，但其能效已取得重大飞跃。但需注意的是，这些系统也可能出现超产现象，即产量超过需求，导致每立方米水的能耗轻微上升。这意味着当电力系统出现盈余时——例如日照充足或风力强劲——这些电能可被用于制水。然而当前的情况是，当电网电力过剩时，可再生能源发电企业会因减产而获得补偿，这通常被称为“限电”。尽管超量制水可能导致每立方米水电耗增加，但通过确保电力被实际利用，并避免限电成本，这种模式最终将使全社会受益。 在恰当时机超量制水,可成为电力转型中诸多需求侧灵活性调节手段之一;与此同时,储水既简便又经济。事实上,需求侧灵活性已被欧盟《可负担能源行动计划》视为基石,据估算,该措施最高可降低42%的电费支出,并为社会节省高达290亿欧元的成本。57 # 案例 # 海水反渗透能效世界纪录 如今，水行业占全球耗电量的 $4\%$ ，其中包括海水淡化的耗电量。通过海水淡化生产水耗费大量能源，但在水资源短缺时是最佳解决方案。这意味着，在任何水资源获取受限的地区，其能源系统也必须被纳入考量。因此，必须优先关注任何淡化装置的长期能效。 这正是加那利群岛技术研究所 (ITC) 的想法, 在这里, 2024年的实验性 DESALRO 2.0 淡化厂在海水反渗透 (SWRO) 的能效方面设定了新的世界纪录。该研究所采用模块化高压淡化系统, 首次以 $1.86 \mathrm{kWh} / \mathrm{m}^{3}$ 的能耗突破了生产水的 $2.0 \mathrm{kWh} / \mathrm{m}^{3}$ 的特定能耗壁垒。实际上, 这意味着该装置的能耗比类似淡化厂的传统设计低 $25\%$ 。 DESALRO 2.0项目的成功标志着海水反渗透技术在能效提升方面迈出了重要一步。事实上, 如果将全球所有现有的淡化厂改装为以 $2.0 \mathrm{~kWh} / \mathrm{m}^{3}$ 运行, 其潜在节省也是巨大的:60 - 节能：247TWh，相当于西班牙2020年全国总用电量。 - 经济效益：345亿欧元，足以建造七个与全球最大海上风电场之一的霍恩西1号规模相当的风电场。 二氧化碳减排：1.11亿吨二氧化碳，相当于国际航空排放量的 $20\%$ 。 若将这一潜力应用于特定国家现有的海水反渗透基础设施，其具体效益将如何呈现？让我们以西班牙和塞浦路斯为例进行剖析。 西班牙目前海水反渗透年产水量为13亿立方米。62这占欧洲总产能的78%，年耗电量高达3,514GWh。63其中许多海水反渗透厂属于老旧高耗能设施。然而，正如前文所述，通过技术改造可将海水反渗透能耗降至每立方米2.0kWh，这一潜力适用于所有老旧设施。改造海水反渗透厂可实现年节电量966GWh，超过西班牙海水反渗透总耗电量的四分之一。运营方可累计减少1.65亿欧元电费支出，64同时降低152,654吨二氧化碳当量的电力相关排放。65 这不仅惠及运营方的收益; 西班牙当前正面临电网拥堵挑战并承担着高昂的限电成本。66 这意味着西班牙必须同时加速可再生能源发电建设与电网扩建, 以应对未来的电力需求。然而, 作为能源转型全局策略的一部分,投资提升海水反渗透厂的能效, 将减少对进一步电网扩张和可再生能源基础设施建设的需求。换言之, 通过充分挖掘现有海水反渗透设施的改造潜力, 西班牙可节省1,550万欧元的电网扩建费用,67 这些资金可重新用于支持绿色转型。 另一个典型案例是塞浦路斯。尽管人口仅占欧盟总人口的 $0.2\%$ ，68这个岛国的海水反渗透产能却占欧盟总量的 $7.2\%$ 。在满负荷运行时，海水反渗透年耗电量达343GWh，69相当于塞浦路斯全国发电量的 $6.4\%$ 。70但其中多数工厂设备陈旧、能效低下。通过技术改造，每年可节省107GWh电力。这相当于全国发电量的 $2\%$ 。71由于塞浦路斯 $80\%$ 的电力依赖石油发电，72改造海水反渗透设施可为逐步淘汰化石燃料做出重要贡献。 # 突破制水瓶颈 水生产是水循环中能耗最高的阶段。特别是，淡化需要大量投资才能达到效率水平，这实际上使其成为满足不断增长的淡水需求的可持续的长期解决方案。为激发此类投资，政策制定需破解以下障碍： # 1 制水过程虽能耗密集,却是应对水资源短缺的必要手段 随着水资源日益短缺，作为获取淡水标准方式的淡水抽取正面临巨大压力。这要求受水资源短缺影响特别严重的地区探索新的水生产途径，例如高度能源密集型的海水淡化。为此，政策必须为制水设施设定最低能效性能标准。虽然其影响可能不会立竿见影，但从长远来看，若节能效益能支撑此类标准要求，其作用将十分显著。同样，优先采用并激励采购符合ISO标准的泵系统组件，可确保制造质量、安全性和环保责任——这在公共采购流程中尤为重要。最后，可持续性评级和能效标签有助于通过需求端驱动变革，而非在市场中增设更多监管条例。 # 2 淡化厂运营的短期合同抑制了能源效率投资的积极性 大多数淡化厂并不是由同一实体拥有和运营的。相反，这些设施通常以短期合同运营，导致运营商缺乏投资能效提升的动力。这是因为在某些情况下，投资回收期可能超过合同期限本身。为解决这一问题，能效改进的成本应在运营商与业主之间分摊。根据效率评级，效率评级低的淡化厂业主应承担更高的运营成本比例，以激励更长期的合同和对能源效率的更大投资。 # 3 人们对现代化厂的环境影响存在误解 过去，淡化主要在热电厂中进行时，排气含有高盐度（参见壁垒#4）、更高的重金属含量和更高的温度。这导致公众一直认为，淡化本质上对环境有害。然而，海水反渗透不会改变水的温度，它可以有效地过滤掉水中的许多非自然元素。73为了解决这一问题，需要有效的信息宣传活动来引导和教育公众，并向监管机构展示淡化技术的革新对环境影响的积极发展。 # 4 在多数国家,薄弱的监管未对浓盐水合规排放作出严格要求 尽管多数针对浓盐水排放的水质法规关注浓盐水本身的盐度水平，但忽视了排放后可能对环境造成的盐度累积效应。74为此，法规应激励最佳排放实践，例如将浓盐水输送至远离海岸、海水环流活跃的区域以确保充分稀释与扩散。具体措施可包括开展环境评估以确定最佳排放点位。 # 第二阶段 # 管网输送 水与能源系统紧密关系的第二阶段是将水从生产商配送给用户。输水过程需要消耗能源，且当前常使用低效设备与基础设施进行分配，导致能源与水资源双重损耗。减少浪费有助于准确反映真实用水需求。 本节将探讨当前配水管网面临的挑战——尤其是全球几乎所有地区普遍存在的高比例无收益水现象。接着提出减少水资源与能源浪费的解决方案，包括高效的管网压力管理以及用于精准计量和渗漏检测的数字化技术。 # 无收益水 全球每天有数百万升水被提取、生产、处理并配送给各类用户一包括民用与商用领域。在许多国家， $30\%$ 至 $60\%$ 经过净化处理的清水在配送至用户过程中流失且未产生任何收益。75这被称为无收益水。部分损耗源于计量不准、计费错误甚至非法盗水。甚至存在少量出于消防等特殊用途而主动排放的无收益水。然而，大部分损耗源于配水管网中本可预防的渗漏。 全球无收益水比率差异显著，这在很大程度上归因于配水基础设施的老化程度。据全球估算，无收益水年损失量达1,260亿立方米。这一水平的无收益水相当于390亿美元的经济损失。76若全球无收益水能减少三分之一，节约的水量足以满足8亿人口的需求。77利用现有技术减少无收益水是可行的，此举将使地方政府、公用事业公司、公民和环境共同受益。 图8 无收益水是指所有已生产,但在到达用户前流失或计量错误的水资源 智能压力管理可降低 $38 \%$ 的水泄漏率、减少 $37 \%$ 的压力水平,并将管道破损率降低 $53 \text{‰}$ 。 # 应对无收益水问题 无收益水给公用事业公司带来巨大财务损失，使其难以投资于基础设施的升级、维修和扩建。这个问题在人口增长且基础设施老化的城市地区尤为突出。它阻碍了城市发展，并降低了宜居性与可持续性。无收益水还导致严重的能源效率低下，因为需要泵送和处理更多的水。78 这也意味着，社会因未能减少无收益水而错失了机遇。例如，减少无收益水将降低本地水资源取用量，并使同一水源能够服务更多人口。同样，由泄漏造成的间接损害也将减少。最后，从经济角度看，由于原先流失的水现在可以送达消费者，收入将会增加。 解决无收益水问题并非易事，且历来成本高昂，但技术的飞跃使得在整个配水管网应用数字化解决方案成为可能。这有助于检测泄漏并以比硬件方案更高的成本效益降低泉水能耗。传感器、水泵和变频器等解决方案可 减少水损失并提高配水管网的能源效率（参见案例“智能泵控与监测系统大幅降低能耗与泄漏率”）。此外，这些解决方案的数字化实现了实时监控，从而能够更快地检测并制止泄漏。79 所有这些在今天都已能实现，并将带来社会和经济双重效益。例如，它将使市政部门能够回收处理和泵送所产生的成本。一个日产45万立方米水但损失 $25\%$ 作为无收益水的中型城市，每年在不可回收的人工、化学品和能源费用上损失超过1,300万美元。80 在智利的另一个案例中，两家水务公司实施了物联网软件解决方案以减少无收益水。它们每年减少了1,300万立方米的真实损失（如泄漏造成的损失）和310万立方米的表观损失（如计量不准或偷水造成的损失）。总体而言，无收益水减少了 $8\%$ ，三年内节省了580万欧元。 # 案例 # 智能泵控与监测系统大幅降低能耗与泄漏率 在许多国家/地区，超过 $30\%$ 经处理的自来水在抵达用户前就已流失。这些流失不仅造成浪费，更会推高能源费用、增加运营成本，给本已紧张的水资源供给带来额外压力。 失控的水压是其中一个主要肇因。如同气球过度充气易导致爆裂,管道内压力过高同样会增加泄漏风险,在老旧或脆弱的管网中尤其如此。压力骤增会给基础设施带来持续压力,久而久之会加速其损耗。智能压力管理系统有助于保持压力稳定,并与当地实际需求相匹配。通过将管网划分为不同的压力区域,供水部门能够更精准地调控水压。如此可减少因水体流失造成的泄漏现象与不必要的能源消耗。83这种方法可将漏水量降低 $38\%$ ,压力减少 $37\%$ ,管道破损率下降 $53\%$ ,从而显著延长基础设施的使用寿命。84 现代科技让这一目标的实现变得前所未有的便捷。数字传感器与集中监控系统为管网运行状态提供了实时可 视化监测。变频泵控技术可根据实际需求调节水压，其原理如同温控器仅按需供热制冷来调节室温。这种柔性的自适应调控也有助于防止突发性压力骤增。这类压力冲击可能导致管道破裂、接口松动或阀门损坏，从而引发代价高昂的泄漏与水损问题。通过逐步调节水泵转速，变频器在优化能耗的同时，有助于保护基础设施并降低维护需求。 实施成效显而易见。以波兰上西里西亚地区为例，通过划分压力分区并部署数字泄漏检测系统，当地一年内能耗就降低了 $12\%$ 。在伊朗北部某服务超过4.4万人口的供水系统中，通过实时调节水泵输出来匹配工况，漏损率减少 $41.7\%$ ，能耗下降 $28.4\%$ 。即便是相对简单的技术升级也能产生显著的节流效益。借助数字化工具与智能水泵控制技术，水务企业能够实现水资源与能源损耗的双重降低。 # 在许多国家,超过 $30 \%$ 的经过处理的自来水在抵达用户前就已流失,这同时导致了水资源与能源的双重损耗。 # 突破输配瓶颈 配水管网是水务系统中最为老旧的环节之一。基础设施存在渗漏和老化问题，导致水资源流失，影响了水循环的上下游环节。不当的压力管理会导致更严重的水资源浪费，同时也会增加将水输送给用户的能耗。由于泄漏或用水量骤增引发的压力骤变，不仅会增加维修成本，还会推高能源开支。 # 1 降低无收益水方面的投资 据全球估算,无收益水年损失量达1,260亿立方米。如此规模的无收益水意味着约390亿美元的经济损失,并给水生产与输配基础设施带来巨大压力。这同样构成人道主义风险:即便全球无收益水仅减少三分之一,所节约的水量便足以供应8亿人口的用水需求。要解决这一问题,各城市及水务部门必须运用现有技术实现更高效的压力管控。这将减轻管道及系统硬件的损耗。同样,运用数字化解决方案对管网进行现代化改造,将帮助水务运营商实时掌握管网运行状况(更多内容参见壁垒#2与#3)。 # 2 配水管网中的压力控制不当问题 状态不佳的管网与基础设施需要更高的压力才能满足终端用户的用水需求，而这种压力控制必须根据当前需求进行动态调整。为解决这一问题，可采用变频与智能传感等技术，根据实际需求精确调节压力，既降低基础设施损耗，又避免管网承受不必要的高压，这种高压往往伴随着巨大的能源消耗。然而，要克服投资成本障碍，需要建立激励节水节能技术应用的政策环境。 # 3 配水管网数据缺失 要实现对水压的精准调控，必须具备实时数据支撑。该领域数字化程度较低，意味着难以获取能大幅节约能源、水资源及成本的关键数据。为解决这一问题，亟需通过意识提升与政策激励推动配水管网的数字化进程。其中需重点关注先进压力管理与漏损监测技术，以最大限度地减少并快速识别泄漏，从而降低无收益水及相关能耗成本。数字化程度与数据可用性的提升，能进一步将低效环节定位至流域层面，从而推动该领域的技术创新。 # 第三阶段 # 终端用水 水资源渗透于社会各个领域，无论是农作物种植、服装生产、汽车制造，还是维持生命本身，都离不开水的滋养。然而，尽管水资源短缺与供水安全问题日益严峻，随着人口增长和新兴工业用途的出现，用水需求仍在持续攀升。缓解水资源短缺是我们所能采取的最关键的一步，就是尽可能减少用水消耗。 本节将聚焦若干高耗能行业及终端用水领域，这些领域存在巨大的节水潜力。重点探讨农业、工业和数据中心在降低水能与能耗需求方面面临的挑战及解决方案。 # 农业 农业是全球最大的用水部门，约占全球淡水取用量的 $72\%$ 。尽管农业在粮食和资源生产中扮演着至关重要的角色，但其用水效率却往往不尽如人意。事实上，世界自然基金会估算，约 $60\%$ 的农业用水被浪费，部分原因在于灌溉系统的渗漏和低效的用水方式。此外，本世纪超过半数的灌溉扩张发生在本世纪初就已面临水资源压力的地区。另有估算显示，到21世纪中叶，灌溉用水量仍需增长 $146\%$ 。不断增长的灌溉用水需求是一个巨大的挑战，且不存在简单的解决方案。相反，必须通过多种途径应对这一挑战。例如，虽然通过战略性作物选择和土地利用设计等方法可以大幅减少灌溉用水，但技术解决方案也能显著降低用水量。通过优化水耗和能耗，现有创新方法和技术能够降低浪费和成本。 # 高效灌溉：实现节水节能 灌溉是能源密集型作业，因为需要将水从井或河流等水源抽取出来，并输送到大面积的农田中进行分配。虽然灌溉几乎总是需要消耗大量能源，但在许多情况下，所用技术的效率还有很大的提升空间。例如，一项研究估计，通过改进灌溉方法和采用更先进的技术，与传统灌溉方法相比，全球用水量最多可减少 $68\%$ 。92 此外，通过采用变频器、智能传感器和电动泵等更高效的技术升级灌溉系统，可以显著降低灌溉所需的能源。根据不同工况条件，仅使用变频器就能将灌溉相关能耗降低一半的案例已屡见不鲜。93,94 现代灌溉方法通过可控方式直接作用于植物根部，从而减少了蒸发和径流造成的水分流失，因此更加节水。想象一下用软管全力喷射（即地表灌溉）与使用慢滴灌工具直接浇灌每株植物根部（即滴灌）的区别。 除了灌溉方式，升级灌溉技术也蕴藏着巨大的未开发潜力。全球范围内，用于灌溉的地下水抽取能源中， $74\%$ 来自柴油泵，而仅有 $26\%$ 来自电动泵。柴油泵的能耗通常是电动泵的两倍以上，用新型高效电动泵替代柴油泵可减少 $51\%$ 的能耗，从而显著节约成本并降低排放。在电网覆盖有限的更偏远地区，转向电动泵可能尚不可行，但基础设施和技术的不断进步正在提高农业电气化的可行性。在这种情况下，离网解决方案（如电池支持的灌溉系统）可能在支持向更高电气化水平转变方面发挥关键作用。归根结底，任何解决方案的可行性都将取决于当地的具体情况和地理位置。 事实上，仅通过实施现有且成熟的灌溉方法和技术，如今就已能实现显著的效率提升和排放减少。 # 随着制造业和技术领域的持续扩张，预计到2050年，工业和能源用水需求将增长至 $24\%$ 。 # 工业 全球范围内，工业用水约占淡水总取用量的 $15\%$ 。此外，在制造业和技术领域不断扩张的推动下，预计到2050年，工业和能源用水需求将增长至 $24\%$ 。无论以何种形式存在，水都是工业生产的基石。无论是用于冷却、清洗、稀释、加工、运输还是融入产品，水几乎是工业活动每一步的基础。与能源类似，水是维持工业运转的关键资源。但在当今环境下，工业再也不能将水资源视为理所当然。 由于能源和水成本的不断上涨，工业界被迫重新思考如何在运营中获取、使用和再利用水。对于在水资源短缺地区运营的行业来说，风险甚至更大。在2030年至2040年之间的某个时候，全球 $40\%$ 的半导体制造基地将位于面临高或极高水资源压力的地区。98半导体对电动交通、可再生能源以及许多其他对绿色转型至关重要的行业都很重要。然而，它们的生产也是高度耗水的。这是高耗水量与日益严重的水资源短缺之间的危险重叠，可能会危及工业的韧性。 其他高耗水行业也面临着日益严峻的运营风险，例如食品和饮料生产。例如，生产一公斤谷物需要1,644升水，而生产鸡蛋需要3,265升水。更耗水的是肉类生产，猪肉(5,988升)、绵羊/山羊(8,763升)和牛肉(15,415升)以及坚果(9,063升)位居榜首。虽然这些水足迹大部分来自牲畜饲料的作物生产，但食品加工本身也消耗了大量水。在生产设施中，水用于清洁、加热和烹饪等过程——这些都需要能源来进行泵送、喷洒、煮沸等操作。 饮料生产也是如此，一般来说，生产1升啤酒需要4-6升水。100 然而，在工业规模酿造时，战略性地部署节水设备和水管理技术也可以将这一数字减少近一半（参见案例“嘉士伯波兰公司采取系统性方案降低用水强度”）。 无论是生产半导体、牛肉还是啤酒，工业部门都采用了许多高耗能、高耗水的工艺，这些工艺可以通过更节能的解决方案进行优化。正如第31页嘉士伯波兰公司的案例所示，这尤其正确，不仅考虑了单个组件的效率，还优先考虑了整体系统效率。 # 案例 # 嘉士伯波兰公司采取系统性方案降低用水强度 饮料生产是高度耗水的流程，嘉士伯波兰公司正在采取令人瞩目的措施来降低啤酒生产过程中的用水量。作为其ESG重点领域“零水浪费”的一部分，嘉士伯波兰公司正通过系统性方法降低水耗。 在波兰的四家工厂，嘉士伯正持续加强水回收与再利用、投资节水设备、强化用水监测以挖掘节水潜力并检测泄漏、改进员工用水习惯、设定可量化目标，并将节水举措纳入特定员工的绩效考核体系。 通过综合实施这些措施，嘉士伯波兰公司在生产中的水效管理得到了全面提升。自2015年以来，该公司已成功将相对用水量降低了 $17\%$ 。因此，嘉士伯波兰公司目前生产每升啤酒仅需2.55升水，显著优于4-6升水的行业常规标准。通过持续优化工艺流程，该公司计划到2030年将水啤比进一步降至2:1。 啤酒生产中的水效管理 嘉士伯波兰公司生产每升啤酒耗水 2.55升 市场标准生产每升啤酒耗水 4-6升 # 数据中心 数据中心不断增长的能源需求在围绕人工智能和数字技术崛起的讨论中备受关注，这具有充分的理由：到2030年，全球数据中心的能源需求将翻一番。然而，较少被讨论的是数据中心的水足迹。一些数据中心的水耗非常高，既有直接用于冷却服务器的部分，也有间接通过其消耗大量化石燃料发电的部分，而化石燃料发电本身就需要大量的水进行冷却。全球范围内，数据中心每年消耗5,600亿升水，到2030年可能上升到1.2万亿升。103这是2022年欧盟淡水抽取总量的六倍。104提高数据中心的冷却效率对于降低能源和水消耗至关重要。 降低数据中心冷却系统的用水和用能需求历史上，数据中心普遍依赖使用空气冷却服务器的系统，无论是通过干空气冷却还是蒸发冷却。105长期以来，这两种冷却技术都能有效地确保芯片和服务器的最佳运行温度。然而，随着人工智能、机器学习和互联网服务的日益普及，数据需求变得更大、更复杂，为这些服务提供动力的芯片显著强大，因此热密度随之攀升。简而言之，在物理空间大致相同的情况下，现在每台服务器产生的热量更多。功率密度的上升正在将传统的空气冷却方法推向极限。对于依赖大量水的蒸发冷却来说，这一挑战尤其严峻。 因此，许多运营商现在转向更高效、更节水的技术，例如闭环芯片级液冷系统。这不仅能使冷水在物理上更靠近热源（即处理器单元），从而提高冷却效率，而且与传统的蒸发冷却系统相比，液体冷却系统的耗水量要少得多。直接芯片式液冷系统的能效至少比风冷系统高 $15\%$ 。它们还能更容易地回收和再利用数据中心产生的大量废热用于其他目的（参见第34页的案例“液冷技术提升数据中心余热利用”）。 其他知名的液体冷却形式，如“单相”和“双相”浸没式冷却也存在——它们仍处于发展阶段，很少在商业环境中部署。这些过程需要将服务器机架完全浸没在非导电冷却液中以维持工作温度。尽管这些方法有望实现能源和水的效率提升，但它们也存在缺点——高易燃性导致安全隐患、高黏度可能造成泵送困难，或使用受到严格管制的液体。 数据中心液体冷却是满足高密度和人工智能驱动的数据中心快速增长需求的最有效方式，同时也能最大限度地减少其对水和能源系统的影响，从而降低对气候的影响。确定哪种形式的液体冷却最适合某个特定数据中心，将取决于当地的资源可用性、监管环境以及所需的冷却能力。 # 数据中心效率 政策制定者在评估数据中心能效表现时，需要重点理解以下几项核心指标： - 水利用效率 (WUE) 是数据中心系统用水量与IT设备能耗的比值。数据中心的水利用效率比值越低，表明其水资源利用效率越高。 - 电能使用效率(PUE)是衡量数据中心能源利用效率的指标,其定义为数据中心总能耗与IT设备能耗的比值,用于反映计算设备能耗占比情况。PUE是数据中心总能耗与输送给计算设备的能耗之比。 - 能源再利用率(ERF)是指数据中心内被重复利用的能源(例如回收的废热)与数据中心总能耗的比值。能源再利用率反映了非数据中心内部的热能回收流程效率。 - 碳利用效率 (CUE) 是由绿色网格联盟制定的指标，用于衡量数据中心碳排放方面的可持续性表现。碳利用效率是数据中心总能耗产生的二氧化碳排放总量与IT设备能耗的比值。 - 可再生能源系数 (REF) 代表可再生能源消耗总量与能源消耗总量的比例。与碳利用效率类似，该指标有助于理解输入数据中心能源的碳强度。 这些指标均可通过建模或实时性能评估，应用于特定类型或实际数据中心的绩效评价，有助于量化中心的财务成本、环境社会治理影响及其改进成效。 # 案例 # 液冷技术提升数据中心余热利用 现代数据中心高性能处理单元产生的过剩热量日益增多，这不仅促使运营商采用创新冷却方法，同时也为满足其他领域的热能需求提供了再利用可能。根据国际能源署的数据，到2030年数据中心的余热可满足欧洲 $10\%$ 的建筑供暖需求。107 它的工作原理如何？虽然大型数据中心的选址通常远离城区，难以有效利用其余热，但距用户数公里范围内的数据中心余热可满足300TWh的热能需求。108例如，英国政府支持的一个项目将利用附近数据中心的余热，为1万户家庭和25万平方米商业空间供暖。109未来，若决策者与城市规划者能进行系统化战略布局，该潜力还可大幅提升。 从技术角度看，传统数据中心风冷系统需要借助热泵来收集废热并将其提升至可用温度。而液冷系统可提供更高温度的余热（超过 $40^{\circ} \mathrm{C}$ ），经升温后可直接接入区域供热网络。110 液冷采用热导率和热容远超空气的流体直接从服务器组件捕获热量，使其能以更高温度离开数据中心。这消除了空气冷却的热量损失和温度限制，使得热量无需热泵即可直接适用于低温区域供热网络。 这种余热再利用不仅效率更高，在经济上也更具合理性。据国际能源署报告，数据中心余热供应区域供热网络的成本为每兆瓦热量19-25万欧元，而未经减排的天然气热电联产厂每兆瓦热量成本超过73万欧元。111 # 突破用水需求端瓶颈 用水需求主要受两大部门驱动：农业与工业。然而，人工智能的兴起及相应的数据基础设施，对日益增长的用水和能源需求构成了新的挑战。这些影响首先在地方层面显现。要突破这些行业及终端应用领域的障碍，需要融合现代水与能源管理技术、更高效的设备以及创新的水资源核算方法。 # 1 用水效率未受足够重视,水资源浪费现象触目惊心 在消费端,水资源浪费现象随处可见,尤其是在农业、工业和数据中心等高耗水部门。为解决这一问题,实施欧盟倡导的“能效优先”原则,将确保用水效率标准在所有应用领域得到贯彻。 # 2 水价定价机制是复杂且备受争议的议题 水价必须保持低廉，以确保这种维系生命的资源能够被轻松获取。然而，低廉的价格也会刺激过度用水，从长远来看威胁着水系统的韧性。为解决这一矛盾，我们需要提高水真实价格的透明度，这要求更全面的数据收集工作。这需要在输配端和消费端部署更先进的数字监测系统。更清晰地掌握水的真实价格，将有助于强化商业论证，并厘清用水行为对本地水管网及水资源的具体影响。 # 3 人工智能与数据中心可能对区域水资源韧性构成挑战 数据中心扩张及其对能源与水的高需求不会很快停止，数据中心的耗水量可能对当地水资源韧性构成挑战。要解决这一问题，政策制定者必须聚焦数据中心最耗水的环节：冷却。纯粹出于技术必要性，向液冷的转型已在进行中，但并非所有液冷形式都同等有效。它们在能源效率、用水效率和环境风险方面存在差异——制定行业法规时必须考虑的因素。同样，对于数据中心运营商而言，对现有及未来数据中心进行生命周期评估，对于理解其对当地社区资源可用性的长期影响至关重要。 # 4 节水灌溉方法仍未得到充分利用 与传统的地面灌溉相比，滴灌和喷灌系统可以大幅减少耗水量。障碍包括高昂的前期投资成本、安装技术能力有限以及缺乏经济激励措施。然而，尽管需要投资，这些改进后的系统通常运营成本更低，随着时间的推移，总拥有成本（TCO）也更低。为解决这一问题，政策制定者应考虑为投资高效节水灌溉的农民提供财政支持，如补贴、低息贷款或税收优惠。此类机制应优先支持运营支出和总拥有成本较低的项目。 第四阶段 # 污水处理与回收利用 水的经济生命周期中最后一个，或者说是第一个环节是水处理与再利用阶段。这个阶段是水资源的再生阶段，通过对受污染水体进行净化处理，使其恢复可供分配与使用的品质，从而赋予水资源新的价值。处理与再利用完成了水循环闭环，确保水资源不被视作一次性消耗品，而是成为循环高效供水体系中的重要组成部分。 在此阶段，污水处理和工业水回用这两个领域因其高能耗特性与改善潜力尤为突出。这两大领域都是实现水务系统脱碳、提升资源韧性的重要机遇。本节将聚焦这两个过程中的挑战与解决方案。 # 污水处理 水在使用后往往会受到污染——无论是来自家庭、工业还是农业。例如，从马桶冲走的水或从工厂排出的水必须在污水处理厂进行处理，这些水才能安全排放到环境中或重新利用。 然而，污水处理是高度能源密集型的。从泵送、曝气到污泥处理和消毒，每个步骤都需要大量的能源投入。事实上，全球约 $4\%$ 的电力消耗用于供水和污水处理系统，其中污水处理是主要的耗能环节。113 研究发现，污水处理厂的能耗可占到市政总电力预算的 $30\% -40\%$ 。此外，电费是污水处理企业继人工成本之后的第二大运营开支。这些工厂通常设备陈旧，采用固定转速设备且监测系统有限，导致能源浪费和工艺效率低下。现代化改造污水处理厂，是增强水务行业韧性，同时降低其对能源系统依赖的关键一步。 通过数字化运营和优化过程控制，污水处理厂可以显著降低能耗和运营成本。例如，安装变频器可使电机和水泵根据实时需求调整转速，而非以固定速度运行，从而 提高整个系统的效率。在将空气泵入废水以支持污染物生物降解的曝气池中，变频器可使鼓风机精确匹配微生物的需氧量，而非持续全功率运行。基于传感器的监测系统在此发挥着关键作用，通过提供实时数据实现水泵和鼓风机转速的自动调节。16正如马塞利斯堡废水处理厂等设施的实践所证明的，这些改进不仅降低了能耗，还减少了设备磨损并延长了资产寿命。 # 实现废水处理厂的能源中和 污水并非仅是废弃产物——其蕴含大量可利用的嵌入式能源。采用适宜的技术可实现此类能源的系统化回收。污泥可从污水中分离并泵入消化池。这些消化池会产生沼气（主要为甲烷），随后可燃烧产热发电。在净化水排放前，可通过热泵进行冷却，同时提取余热供应给区域供热网络。因此，污水处理厂具有从能源消费者转变为能源生产者的潜力。 # 案例 # 中国实现污水处理厂需求增长与电力消耗脱钩 由于快速的城镇化和工业化，中国面临着处理日益增长的污水量的挑战。中国的污水处理量在2006年至2019年间增加了五倍，同期污水处理厂的相对电力消耗也大幅增长(图9)。中国的自标是对总污水量的 $95\%$ 实现有效处理，这一目标正在推进中。117如果中国的污水处理行业不能打破电力消耗的增长曲线，这将对电网造成巨大压力。同样，由于市政能源账单的很大一部分用于处理污水，降低污水处理厂的能耗可以节省大量资金。 鉴于城市与工业的发展趋势,若2006年至2019年的增长态势持续,中国到2035年需要处理的污水量很可能至少增加 $25 \text{‰}$ 。 $^{118}$ 尽管污水处理厂可通过回收有机物中的嵌入能源,在2040年前实现耗电量降低 $55 \%$ 的目标, $^{119}$ 但该方案并非普遍适用。例如,在中国的许多城市,这并非经济可行 的解决方案，因为相对干净的雨水和废水共用同一管道，这意味着有机物的浓度显著下降。然而，一项适用于中国的解决方案——变频器——可以实现 $20\% - 60\%$ 的节电效果。这些节能效果通过确保原本高能耗的污水处理厂电机仅输出所需功率实现，从而精准匹配能耗需求。变频器的投资回收期通常为一到五年，这在很大程度上取决于电价。 如果中国在所有新建污水处理厂安装变频器，同时对现有工厂进行改造，到2035年可多处理 $25\%$ 的废水，同时比2019年减少 $2.5\%$ 的用电量。然而，如果中国错过这个机会，该行业处理相同水量将多消耗 $25\%$ 的电力。这是基于变频器的保守节能潜力估算。除此之外，电机升级也蕴含着巨大潜力。许多电机老旧且低效，将现代电机与变频器结合，才能真正实现污水处理厂需求增长与电力消耗的脱钩。 图9 2006-2019年中国污水处理量及电力消耗， ${}^{121,122}$ 以及按常规情景与采用变频器能效情景预测的2035年污水处理量及电力消耗。采用变频器能效情景，是指现有污水处理厂进行了变频驱动器改造，而所有新建污水处理厂从一开始就配备了变频驱动器 # 案例 # 玛尔丽斯堡污水处理厂的数字化转型 在丹麦奥胡斯，由奥胡斯水务运营的玛尔丽斯堡污水处理厂展示了数字化与能源优化如何将传统公用设施转变为能源自给型系统。在2016年至2021年间，玛尔丽斯堡污水处理厂持续实现能源产量超过污水处理能耗的 $100\%$ 。这些盈余能源足以支撑一座20万人口城市的完整水循环系统，包括饮用水配送和污水回收处理。通过这种方式，该水务企业成功实现了城市水务服务与外部能源需求的脱钩。123 这一成就主要得益于战略性数字化与自动化改造，这些改进贡献了约 $70\%$ 的整体能效提升。全厂电机驱动设备共安装了125台变频器，实现了能耗的实时精准控制。这些变频器与在线传感器网络相结合，持续提供关键的运行数据。这套基础设施使工厂的控制系统能够自动计算设备的最佳设定值，确保持续优化性能的同时最大限度地减少能源浪费。124 除了节能，玛尔丽斯堡污水处理厂还凸显了污水作为热源的潜力。处理后的污水中的余热可以被回收并泵入区域供热网络，有可能满足全球 $10\% - 15\%$ 的住宅供热需求。125 玛尔丽斯堡污水处理厂的绿色转型为能源生产设施带来了可观的经济效益：投资回收期仅为4.8年。126 若在全球范围内推广，这种方法可能产生变革性影响。为现有及未来的污水处理厂配备先进的能源优化技术，到2030年每年可减少高达3亿吨二氧化碳当量的排放127——约占欧盟2023年二氧化碳当量总排放量的 $10\%$ 。128 此外，每年还可节省约350TWh的能源，129 相当于德国能源供应的约十分之一。130 从财务角度看，在全球污水处理行业应用能源优化流程和技术，每年可节省高达2,000亿欧元的成本。131 玛尔丽斯堡污水处理厂展示了将数字技术与能效解决方案融入关键基础设施所能实现的可能。它表明，污水处理可以从能源负担转变为具有韧性且经济可行的资产。 # 案例 # 印度金奈:将废水转化为资源 面对日益严峻的水资源压力，印度金奈等城市亟需提升关键基础设施的水安全与能源效率。印度规模最大的污水处理厂之一——科亚姆贝杜污水处理厂正全力应对这一挑战。 该厂每日处理高达1.2亿升污水，为保障公共卫生和保护当地水体发挥了重要作用。132 然而，与许多处理设施一样，它也面临着高耗电问题，尤其是生物处理过程中所需的高能耗鼓风机和水泵。 为此，该厂在其运营中安装了55台变频器。这些变频器能够持续调节电机转速，使能源使用与实际需求相匹配。通过避免过度使用并确保流程控制平稳，该解决方案减少了能源浪费并提高了运营可靠性。 成果：工厂冷却和电机控制系统的能耗降低了 $22\%$ ，15年间运营成本减少超过70万美元，碳足迹也相应减少，同时仍能满足不断增长的人口所需的处理性能。133 # 工业用水回用 从食品饮料到制药和数据中心等各个行业,水的流向依然是单向的:流入、流经、流出。淡水被抽取后,仅使用一次便排放,通常含有污染物。考虑到工业是世界某些地区(如许多欧洲国家)最大的取水部门,占年度取水量的50%以上,这种一次性使用的影响尤为显著。134 减少用水和回用水的潜在节约空间是巨大的。如果在轻工业的所有相关流程中采用减量和回用方法，用水量可减少 $50\%$ 至 $75\%$ 。这相当于6,700万欧盟家庭的年用水量。这些努力不仅节约了水资源，还减少了泵送、加热和处理水所需的能源，从而节省了成本并减少了排放。简而言之，减少用水也意味着降低成本。 # 减量与回用方法 优化工业用水需要双重聚焦：减少水消耗和尽可能回用水。减少工业用水始于提高能见度。通过更密切地监测水流，企业可以发现浪费并找到提高效率的机会。有时，改进来自运营调整，通过完善内部流程减少不必要的水使用。在其他情况下，安装流量计、自动泄漏检测或实时传感器系统等技术改进可以使用水更加精确。这些工具帮助操作员密切监测用水量，发现低效之处并实时调整，在不影响性能的情况下减少浪费。仅通过“减量”举措，工业流程中就能实现高达 $20\% - 30\%$ 的节水效果。136 # 如果在轻工业的所有相关流程中采用减量和回用方法，用水量可减少 $50\% - 75\%$ 。 回用是指在工业流程中收集已使用过的水，并对其进行处理，以便再次使用——通常用于不同的、敏感度较低的应用。公司不再让水在单一循环后离开设施，而是安装系统，使水在多个生产阶段再循环，特别是用于漂洗、冷却或清洁等质量要求适中的操作。这在不影响性能的情况下，显著减少了淡水取用量和排放量。 成果已经显而易见。通过应用包括膜过滤(如反渗透)和蒸馏在内的技术,全球化妆品品牌欧莱雅将其生产过程中的水消耗减少了54%,在2005年至2022年间,将每件 成品用水量从0.72升降至0.33升。137高压泵确保了高效的膜性能，而数字工具和传感器则提供了关于流量、质量和系统稳定性的实时洞察。 在许多情况下，回用的水不需要达到饮用水标准，只需要适合其用途即可。这使得工业回用不仅更可持续，而且通常比获取新水更具成本效益。随着水资源系统面临的压力增大，将回用纳入核心工业运营正成为提升韧性和竞争力的关键战略。 # 案例 # 德国半导体生产中的大规模工业水回用 赛米控丹佛斯公司生产用于电动汽车、可再生能源组件及其他先进应用的电力电子元件。与许多半导体生产厂一样，该工厂在生产的关键步骤（如清洗、切割和漂洗）中依赖大量超纯水，所有这些步骤都会产生废水。为了确保高效用水，他们将水回用作为资源战略的关键部分。 为了减少淡水消耗并提高运营韧性，该工厂实施了一个多流路水回用系统，覆盖了其总用水需求的 $50\%$ 以上。来自各个工艺步骤的水经过过滤、超滤和反渗透处理，然后根据质量和用途，进入一系列有针对性的回用路径。 切割和研磨过程的滤液被重新用作漂洗水或切割水，部分也用作工艺水。漂洗水回收的排放水用于建筑系统，而浓缩液则用于废气净化系统。此外，反渗透产生的浓缩液被重新用于冲厕和室外景观灌溉。 在反渗透过程中采用了高压泵，以回收水用于回用或进一步净化为超纯水。对于无法直接使用的水，则导入工厂的超纯水生产系统，进一步最大化现场的用水效率。 赛米控丹佛斯的实践表明，即使在对水质要求极高的工业环境中，也能在不影响性能的前提下大幅减少淡水使用量。仅在2023年，该工厂就提供了超过12万立方米的回用水。这大约相当于总需求的 $54\%$ ，有助于降低成本、减少环境影响，并建立长期的水安全。 # 突破处理与回用技术瓶颈 废水处理厂通过赋予“旧水”新生，是重建水循环的关键环节。然而，它们的高能耗意味着我们必须尽可能提高效率。这也意味着我们必须尽可能多地回用水，尤其是在工业领域。 # 高昂的资本支出与运营成本阻碍了先进水处理技术的投资 反渗透、紫外线消毒、膜生物反应器等先进处理与回用技术能显著节约水和能源，但其高昂的初始资本成本和能源需求限制了其普及。为解决这一问题，政策制定者应激励各行业优先采用“按需处理”方案，即仅将废水处理至符合下一次使用要求的质量即可。例如，用于设备冷却或表面冲洗的水通常经过最低限度的处理后即可回用，从而避免将其提升至饮用水标准的高昂成本。 # 2 监管与制度的不确定性阻碍技术应用 在许多国家，缺乏清晰一致的法规、水质标准和许可程序，使得工业企业和市政部门难以对水回用系统进行可靠投资。为解决这一问题，技术提供商必须与政策制定者合作，共同制定水回用标准。自愿采用标准可以积聚势头并证明可行性，正如ISO46001水效管理标准的推广展示。同时，向监管机构提供培训和资源，有助于建立更明确、更具支持性的水回用规则。 陈旧的废水处理系统限制技术可行性工业废水中常含有用标准技术难以处理或处理成本高昂的物质，这阻碍了回用。为解决这一问题，政府和产业界应投资于研究与创新合作，旨在开发针对难处理废水的解决方案。例如，采用模块化或分散式处理系统也能使规模较小或更难处理的场地更易操作且成本更低。此外，实时监测有助于跟踪水进入系统时的质量，从而根据需要调整处理工艺，提高效率并降低风险。 # 污水处理厂以热能形式浪费大量能源 污水并非仅是废弃产物，其蕴含大量嵌入式能源，主要以热能形式存在。这种热能是一种清洁且易获取的资源，目前却白白浪费。为解决这一问题，可利用现有技术捕获这些废热，并将其重新用于满足其他热需求，例如通过区域供热网络、附近的工业用户，甚至用于现场空间供暖和水加热。这有助于实现该行业的能源中和。 # 解决水与能源系统协同中的效率问题需要从技术提供商到决策者的所有参与者采取行动,需要大胆的政策行动才能将抱负变为现实。 # 政策建议 到2030年，全球用水需求将超过供应量 $40\%$ ，138而水务行业的能源消耗预计将增加一倍以上。139此外，在许多国家，超过 $30\%$ 的处理后的水未能送达终端用户。140这不仅是气候风险，更是竞争力和安全的挑战。为了让政策制定者能够满足节约更多水资源的需求，各级政府需要采取综合的方法来解决水一能关联问题。解决水-能关联问题意味着在四个方面采取行动：减少浪费、提高效率、实现数字化和合理利用水资源。 # 最大限度减少水损失 - 制定国家层面的宏伟目标，降低取水量、泄漏率和消耗量。 - 投资于成熟的检漏、压力管理和智能计量技术，以减少无收益水。 - 认识到水损失也是能源和收入损失，基础设施升级应以总拥有成本为指导，而不仅仅是前期价格。 # 将能效要求纳入水务政策 建立数据收集要求和共享平台，以展示水的真实价值。 · 要求污水处理厂、淡化设施和数据中心达到最低性能标准。 - 考虑将用水效率纳入能源审计,考量对当地资源的影响。 - 制定工业水回用指南并分享最佳实践,设定国家工业水回用目标。 # 激励数字化建设 - 资助能够实时传输能源价格、输配成本和关税数据的数字化解决方案。水价的透明度以及价格与水和能源浪费之间的关联性，对于决策者做出明智决策以提高效率至关重要。 - 设定数据收集目标。提高水资源管理效率的数字工具已经存在，但尚未被广泛采用。 # 合理利用水资源 - 鼓励分散式和灵活的供水解决方案，以增强对干旱、气候冲击和地缘政治风险的抵御能力。 - 通过明确的效率要求支持水的重复利用、适合用途的处理和淡化。 - 将水质与终端用途匹配：饮用水采用高纯度水，灌溉或冷却采用较低纯度水。 # 参考文献 1 全球水资源经济委员会 (2024)。水资源经济学:将水文循环视为全球公共利益。访问日期:2024年5月20日。 2 WHO & UNICEF (2023)。2000-2022年家用饮用水、卫生设施及卫生习惯方面的进展情况：对性别问题的特别关注。 IEA (2018)。世界能源展望。访问日期：2025年8月15日。 4 全球水资源经济委员会 (2024)。水资源经济学:将水文循环视为全球公共利益。访问日期:2024年5月20日。 2024年，美国GDP为28.83万亿美元。其中 $8\%$ 为2.31万亿美元。2024年美国政府支出为6.75万亿美元（2025年财政数据）。美国政府今年花了多少钱？访问日期：2025年8月14日）。因此， $8\%$ 的GDP相当于2024年政府支出的三分之一。 IEA (2018)。能源在实现普遍获得清洁水和卫生设施方面发挥着重要作用。发布日期:2018年3月22日。访问日期:2025年8月15日。 7 IEA (2025)。能源与人工智能。发布日期:2025年4月。访问日期:2025年7月29日。 2022年，欧盟27国每年的淡水总取水量为197,000百万立方米(来源:EEA (2024)。欧洲按水源和经济行业的取水量。访问日期：2025年8月14日)。预计到2030年，数据中心的水耗量将达到12,000亿升，是欧盟27国淡水总取水量的六倍。 9 Alissa, H., Nick, T., Raniwala, A. et al (2024)。使用生命周期评估推动可持续制冷云的创新。《自然》, 641:331-338。https://doi.org/10.1038/s41586-025-08832-3 10 世界经济论坛 (2024)。水资源短缺如何危及半导体供应链。发布日期：2024年12月2日。访问日期：2025年8月15日。 11 全球水资源经济委员会 (2024)。水资源经济学：将水文循环视为全球公共利益。访问日期：2024年5月20日。 2024年，美国GDP为28.83万亿美元。其中8%为2.31万亿美元。2024年美国政府支出为6.75万亿美元（2025年财政数据）。美国政府今年花了多少钱？访问日期：2025年8月14日。因此，8%的GDP相当于2024年政府支出的三分之一。 13 全球水资源经济学委员会 (2024)。水资源经济学：将水文循环视为全球公共利益。访问日期：2024年5月20日。 14 ASCE (2020)。投资水资源基础设施的经济效益：未能采取行动将如何影响美国经济复苏。访问日期：2025年8月15日。 15 全球水资源经济学委员会 (2024)。水资源经济学:将水文循环视为全球公共利益。访问日期:2024年5月20日。 16 丹佛斯 (2021)。通过改装现有海水淡化设备可以节省多少能源, 减排多少二氧化碳? 发布日期: 2025年7月15日。访问 日期：2024年2月3日。 17 USBR (2020)。水资源事实 - 全球水供应 | ARWEC | CCAO | 区域办公室 | 加利福尼亚大盆地 | 水利局。访问日期：2025年8月15日。 18 UN (2023)。2023年联合国世界水资源发展报告：水资源伙伴关系与合作-联合国教科文组织数字图书馆。访问日期：2025年6月。 19 UN (2023)。2023年联合国世界水资源发展报告：水资源伙伴关系与合作-联合国教科文组织数字图书馆。访问日期：2025年6月20日。 20 EarthHow（无日期）。地球上有多少水资源？访问日期：2025年8月25日。 21 ASCE (2020)。投资水资源基础设施的经济效益:未能采取行动将如何影响美国经济复苏。访问日期:2025年8月15日。 OECD (2020)。投资供水、卫生设施和防洪设施：欧盟成员国的挑战和政策选项。OECD水资源研究。https://doi.org/10.1787/6893cdac-en. 23 IEA (2018)。世界能源展望。访问日期：2025年8月15日。 24 IEA (2020)。介绍水-能关联。访问日期：2025年8月15日。 IEA (2020)。介绍水-能关联。访问日期：2025年8月15日。 26 UN (2024)。联合国2024年世界水资源发展报告：促进繁荣与和平的水资源 - 联合国教科文组织数字图书馆。访问日期：2025年5月26日。 27 IEA (2018)。能源在实现普遍获得清洁水和卫生设施方面发挥着重要作用。发布日期:2018年3月22日。访问日期:2025年8月15日。 IEA (2023)。2021年和2030年公布的政策方案中的能源行业全球用水量(按燃料和发电类型划分)。最后更新日期:2023年3月22日。访问日期:2025年8月25日。 29 Adamovic等 (2019)。欧洲的水-能关联,第5页。欧盟联合研究中心出版物库。https://dx.doi.org/10.2760/968197. 30 全球水经济委员会 (2024)。水经济学:将水文循环视为全球公共利益。访问日期:2024年5月20日。 31 2024年,美国国内生产总值 (GDP) 为28.83万亿美元。其中 $8 \%$ 为2.31万亿美元。2024年美国政府支出为6.75万亿美元(2025年财政数据)。美国政府今年的支出情况如何?（访问日期:2025年8月14日）。因此, $8 \%$ 的GDP相当于2024年政府支出的三分之一。 32 全球水经济委员会(2024年发布)。水资源经济学：将水文循 环视为全球公共利益。访问日期：2024年5月20日。 33 联合国水机制(2014年发布)。《2014年联合国世界水资源开发报告》。《水与能源》。访问日期：2025年8月15日。 34 联合国(2024年发布)。《2024年联合国世界水资源开发报告：水促繁荣与和平》——联合国教科文组织数字图书馆。访问日期：2025年5月26日。 35 联合国粮农组织(未注明日期)。全球水信息系统。访问日期：2025年7月1日 36 我们的数据世界 (2015年)。《水资源利用与压力》。2024年2月更新。访问日期：2025年7月1日。 37 全球水经济委员会(2024年发布)。水资源经济学:将水文循环视为全球公共利益。访问日期:2024年5月20日。 38 世界气象组织(2021年)。《2021年气候服务状况——水资源篇》。访问日期：2025年8月15日。 39 联合国环境规划署全球环境监测系统/水计划(2024年)。《环境水质进展——可持续发展目标指标6.3.2的中期评估与加速需求,特别关注健康领域》。访问日期:2025年8月15日。 40 灌溉领域每年排放2.16亿吨二氧化碳, 消耗1,896拍焦耳 (527TWh) 能源。这占农业运营中温室气体排放和能源消耗的 $15\%$ 。地下水抽取占灌溉总能耗的 $89\%$ 。将这 $89\%$ 的比例应用于温室气体排放和能源消耗, 可以得出结论: 灌溉抽取地下水排放1.92亿吨二氧化碳, 消耗469 TWh能源, 占农业运营中温室气体排放和能源消耗的 $13\%$ 。数据来源: Qin, J.等(2024年)。《灌溉农业的全球能源使用与碳排放》。《自然- 通讯》。第15卷。文章编号: 3084. https://doi.org/10.1038/s41467-024-47383-5. 41 国际能源署(2025年)。《抢占先机:能效提升在工业竞争力中的作用》。访问时间2025年8月15日。 $^{42}$ 欧盟委员会（2018年）。生态设计水泵审查：欧盟委员会法规(EU)第547/2012号研究(水泵生态设计要求)——扩展报告（最终版）。2018年12月。由Viegand Maagøe与Van Holsteijn en Kemna B.V.公司联合编制。(VHK公司)。 43 丹佛斯(2016年)。丹佛斯传动助力Affinity水务公司节省30万英镑运营成本。2016年10月12日发布。访问日期:2025年8月15日。 44 海水淡化工作原理——悉尼海水淡化厂。作者：悉尼海水淡化厂(2025)。 45 Zolghadr-Asli, B等(2023年)。海水淡化行业发展史深度剖析:从历史脉络看海水淡化实践的演进轨迹。《供水》,第23卷第6期:2517。https://doi.org/10.2166/ws.2023.135. 46 国际能源署 (2024年)。能源是保障水务部门良好运转的关键要素。发布日期:2024年3月22日。访问日期:2025年8月18日。 47 国际能源署 (2024年)。能源是保障水务部门良好运转的关键要素。发布日期: 2024年3月22日。访问日期: 2025年8月18日。 48 丹佛斯（2021年）。海水淡化能耗强度的简要发展历程。2021年7月7日更新。访问日期：2025年8月29日。 49 2023年全球海水淡化能源需求为2024拍焦耳，预计到2030年将达3883拍焦耳。分别相当于562TWh和1,079TWh。资料来源：国际能源署(2024年)。既定政策情景下1990-2030年海水淡化能源需求趋势。2024年3月22日更新。访问日期:2025年6月30日。 50 国际能源署（2024年）。既定政策情景下1990-2030年海水淡化能源需求趋势。2024年3月22日更新。访问日期：2025年6月30日。 51 Zolghadr-Asli, B.等人(2023年)。海水淡化作为可持续水源的潜力与局限综述——PMC数据库收录文献。环境科学与污染研究。30(56):118161-118174。https://doi.org/10.1007/s11356-023-30662-x. 52 Parag等人(2023年)。瓶装水:经济可行性、环境影响与社会公平性的循证综述。《可持续发展》2023年第15卷:9760。https://doi.org/10.3390/su15129760. 53 T运输每升瓶装水需消耗1.4至5.8兆焦耳能量(Parag等人,2023年),即每立方米耗电389至1,611kWh。现有海水反渗透设施经改造后单位能耗可降至2kWh/立方米,而最先进的工厂仅消耗1.86kWh/立方米。 全球水情报/海水淡化数据库。非公开数据。丹佛斯作为全球水情报组织成员，享有更广泛的行业洞察获取权限。 全球水情报/海水淡化数据库(2025年)。文件：海水淡化数据库-2025-08-13。该数据集涵盖已知在运行的4,646座工厂。968座 $(21\%)$ 在2000年前投产的工厂目前未配置能量回收装置（统计标准为“ERD类型”与“ERD供应商”字段留空的工厂）。 56 丹佛斯(2021年)。海水反淡化技术的成本驱动因素解析。访问日期:2025年6月13日。 57欧盟委员会（2025年）。可负担能源行动计划。访问日期：2025年5月13日。 58 国际能源署(2018年)。世界能源展望。访问日期:2025年8月15日。 59 加那利群岛技术研究所 (2024年)。加那利群岛成功完成创新海水淡化项目DESALRO 2.0。发布日期:2024年5月15日。访问日期:2025年2月3日。 60 丹佛斯(2021年)。通过改装现有海水淡化设备可以节省多少能源,减排多少二氧化碳?发布日期:2021年7月15日。访问日期:2024年2月3日。 2023年，国际航空排放了5.4491亿吨 $\mathrm{CO}_{2}$ (IEA(无日期))。航空业。访问日期：2025年7月8日。对全球海水反渗透淡化设施进行改造，可减少1.11亿吨二氧化碳排放，相当于国际航空业排放量的 $20.4\%$ 62 欧洲海洋观测与数据网络 (2021年)。EMODnet_HA_Desalination_Plants_20210830。访问日期: 2025年6月23日。数据筛选条件: TECHNOLOGY = "RO (Reverse Osmosis)"; FEEDWATER = "Seawater (TDS 20000ppm - 50000ppm)"; PLANT_STATUS = "Online" and "Presumed Online". 63 耗电量假设SWRO电厂为满负荷生产，并遵循Kumar, M. 等人所述的老化效率。(2017)。水淡化：历史、进步和挑战。国家科学、工程和医学院。工程领域前沿：2016年研讨会前沿工程研究报告。华盛顿特区：国家科学院出版社。https://doi.org/10.17226/23659. 64 2024年下半年，西班牙的电价为0.1703欧元/kWh，包括非家庭消费者的税费和征税(Eurostat(2025)。nrg_pc_205。访问日期：2025年8月18日。改装西班牙的SWRO产能可以节省966GWh,从而节省165,537,737欧元的电力成本。 65 根据欧洲环境局的数据, 西班牙发电行业的排放因子为 $158 \mathrm{~g} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{e} / \mathrm{kWh}$ (欧洲环境局 (2024年)。发电行业温室气体排放强度, 国家级别。访问日期: 2025 年 6 月 23 日。改装西班牙的 SWRO 产能可节省 966 GWh, 从而减少 1152,654 吨 $\mathrm{CO}_{2} \mathrm{e}$ 。 66 Aurora (2025)。在电网限制下, 西班牙可再生能源产能翻了一番。发布日期: 2025年3月4日。访问日期: 2025年8月18日。 67 根据ACER的数据，到2030年，新电网成本将达到16欧元/MWh (ACER (2024))。支持具有竞争力和可持续性的能源系统的电力基础设施发展-2024年监控报告。访问日期：2025年8月18日。改装西班牙的SWRO产能可节省966GWh，从而在新电网建设中节省15,458,625欧元。 Wikipedia (无日期)。欧盟成员国人口数量排行榜。最后编辑于2025年7月12日。访问日期：2025年8月18日。 69 根据欧洲海洋观测与数据网络(2021年)统计，塞浦路斯 的海水淡化设施年产能达117,698,891立方米。假设SWRO工厂满负荷生产，并遵循Kumar，M.等人所述的老化效率。(2017年)，该产能对应年耗电量为343GWh。 2023年，塞浦路斯发电量为5,329 GWh（国际能源署，未注明日期）。塞浦路斯。访问日期：2025年8月18日。若塞浦路斯的海水反渗透设施满负荷运行，年耗电量将达343 GWh，相当于该国发电总量的 $6.44\%$ 。 2023年，塞浦路斯发电量为5,329GWh（国际能源署，未注明日期）。塞浦路斯。访问日期：2025年8月18日。若将塞浦路斯的海水反渗透设施改造至单位能耗2kWh/立方米的水平，每年可节电107GWh，相当于该国发电总量的 $2.01\%$ 。 72 国际能源署(未注明日期)。塞浦路斯。访问日期:2025年8月18日。 73 Omersphahic等(2022年)。海水淡化浓盐水特性及其对海洋化学与生态健康的影响——以波斯湾/阿拉伯湾为重点研究区域:综述。海洋科学前沿。章节:海洋污染。第9卷。https://doi.org/10.3389/fmars.2022.845113. 74 Lee, J.与Lee, S. (2025年)。海水淡化浓盐水资源化利用的挑战、机遇与技术进展:短篇综述。工业与工程化学进展。1(7). https://doi.org/10.1007/s44405-025-00007-y. 75 丹麦环境保护局(未注明日期)。防止水资源流失。访问日期：2025年8月4日。 76 Liemberger, A.与Wyatt (2018年)。全球无收益水问题的量化研究。供水。第19卷(第3期):831-837。https://doi.org/10.2166/ws.2018.129. 77 Liemberger, A.与Wyatt (2018年)。全球无收益水问题的量化研究。供水。第19卷(第3期):831-837。https://doi.org/10.2166/ws.2018.129. 78 AbuEltayef, H.T.等(2023年)。无收益水作为全球性问题及其与可持续发展目标的关联性探讨。水实践与技术。18(12):3175-3202. https://doi.org/10.2166/wpt.2023.157. 79 Cassidy, J. 等 (2021年)。将用水效率提升至新高度: 减少无收益水的数字化工具。水信息学杂志。23(3):453-465。https://doi.org/10.2166/hydro.2020.072. 80 联合国教科文组织与国际水资源系统模拟学会（2019年）。水安全与可持续发展目标（系列一）。收录于：全球水安全问题系列丛书。访问日期：2025年8月18日。 Cassidy, J.等(2021年)。将用水效率提升至新高度:减少无收益水的数字化工具。水信息学杂志。23(3):453-465。https://doi.org/10.2166/hydro.2020.072. 82 丹麦环境保护局(未注明日期)。防止水资源流失。访问日期：2025年8月4日。 $^{83}$ Adedeji, K.B.等(2018年)。大型输配水管网漏损控制的压力管理策略:综述。收录于:Gourbesville, P., Cunge, J., Caignaert, G. (编者)《水信息学进展》。施普林格水资源系列。新加坡施普林格出版社。https://doi.org/10.1007/978-981-10-7218-5_33. Thornton, J.与Lambert, A.O.(2007年)。压力管理可延长基础设施寿命并降低不必要的能源成本。国际水协会水资源漏损大会。访问日期:2025年8月20日,来源:https://www.waternz.org.nz/Attachment?Action=Download&Attachment_id=3680。 85 Ociepa, E.等(2019年)。选定供水系统的漏损分析与减漏措施评估。水。11(5):1037. https://doi.org/10.3390/w11051037. 86 Monsef, H.等 (2018年)。配水系统中的压力管理:降低能耗与背景漏损的解决方案。供水杂志:研究技术-水处理。67(4):397-403. https://doi.org/10.2166/aqua.2018.002. 87 Liemberger, A.与Wyatt(2018年)。全球无收益水问题的量化研究。供水。第19卷(第3期):831-837. https://doi.org/10.2166/ws.2018.129. 88 联合国粮农组织(未注明日期)。全球水信息系统。访问日期:2025年7月1日 89 世界自然基金会（未注明日期）。水资源短缺。访问日期：2025年7月2日。 Mehta, P.等(2024年)。21世纪全球灌溉面积扩张中，有半数位于水资源紧张地区。自然水。2:254-261. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00206-9. 91 Davis, K.F.等(2017)。水资源限制对缩小产量差距的影响。水资源研究进展。99:67-75. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.11.015. 92 Jägermeyr, J.等(2015年)。灌溉系统的节水潜力:全球过程模拟与关联性分析。水文与地球系统科学。19(7):3073-3091. https://doi.org/10.5194/hess-19-3073-2015. 93 Azari, M. D.等(2021年)。加压灌溉系统中作为节水节能策略的变速泵水力设计与运行优化。清洁技术与环境政策。23:1493-1508. https://doi.org/10.1007/s10098-021-02043-w. 94 Salmasi, F.等(2022年)。加压配水系统中变速泵的效能评估。应用水科学。12:文章编号51. https://doi.org/10.1007/ s13201-022-01577-8。 95 Qin, J.等 (2024年)。《灌溉农业的全球能源使用与碳排放》。《自然-通讯》。15:文章编号:3084. https://doi.org/10.1038/s41467-024-47383-5。 96 联合国粮农组织(未注明日期)。全球水信息系统。访问日期：2025年7月1日 97Burek等(2016年)。水未来与解决方案快速通道倡议。国际应用系统分析研究所工作论文WP-16-006号。2016年5月发布。访问日期：2025年8月25日。 98世界经济论坛(2024年)。水资源短缺如何危及半导体供应链。2024年12月2日发布。访问日期：2025年8月15日。 99 世界经济论坛 (2021年)。哪些食物生产过程中耗水量最大?发布日期:2021年6月7日。访问日期:2025年8月14日。 100 Goldammer, T. (2022年)。啤酒酿造手册: 啤酒酿造全书。第3版。 嘉士伯波兰公司(2023年)。2023年环境、社会及治理报告。访问日期：2025年8月25日。 102 Goldammer, T. (2022年)。啤酒酿造手册:啤酒酿造全书。第3版。 103 国际能源署(2025年)。能源与人工智能。发布日期:2025年4月。访问日期:2025年6月11日。 104 2022年，欧盟27国每年的淡水总取水量为197,000百万立方米欧洲环境署(2024年)。欧洲按水源和经济行业的取水量。访问日期：2025年8月14日。预计到2030年，数据中心的水耗量将达到12,000亿升，是欧盟27国淡水总取水量的六倍。 105 Gnibga, W. E.等（2024年）。FlexCoolDC:协调水资源、能源、碳排放与成本平衡的数据中心冷却弹性—e-Energy' 24会议论文：。第15届ACM未来与可持续能源系统国际会议论文集。第108-122页。https://doi.org/10.1145/3632775.3661936. 106 Alissa, H., Nick, T., Raniwala, A.等人 (2024年)。使用生命周期评估推动可持续制冷云的创新。《自然》，641:331-338。https://doi.org/10.1038/s41586-025-08832-3. 107 国际能源署(2025年)。能源与人工智能。发布日期:2025年4月。访问日期:2025年6月11日。 108 国际能源署(2025年)。能源与人工智能。发布日期:2025年4月。访问日期:2025年6月11日。 109 英国政府 (2023年) 英国首次利用数据中心废热为数千家庭供暖。发布日期: 2023年11月3日。访问日期: 2025年8月5日。 110 国际能源署(2025年)。能源与人工智能。发布日期：2025年4月。访问日期：2025年6月11日。 111 国际能源署（2025年）。能源与人工智能。发布日期：2025年4月。访问日期：2025年6月11日。 112 德国计算机学会 (2025年)。人工智能、数据中心与半导体对水资源可用性及水质的影响。发布日期: 2025年6月。访问日期: 2025年8月4日。 113国际能源署（2018年）。世界能源展望。访问日期：2025年8月15日。 114 Copeland, C.与Carter, N.(2017年)。能源-水关联关系:水务部门的能源消耗(美国国会研究服务局报告)。发布日期:2017年1月24日。访问日期:2025年8月25日。 115 Maktabifard, M.等人(2018年)。通过节能与提升可再生能源产能实现废水处理厂的能源中和。环境科学与生物技术综述。17:655-689. https://doi.org/10.1007/s11157-018-9478-x. 116 丹麦水力研究所 (2022年)。丹麦技术在全球废水处理行业中对实现能源与气候中和的潜在贡献分析。发布日期：2022年9月5日。访问日期：2025年8月25日。 117 美国商务部国际贸易管理局 (2023年)。中国国家商业指南——环境技术篇。最后更新日期: 2023年4月7日。访问日期: 2025年7月10日。 118 2019年, 中国人口为14亿1,008万人。(Statista, 2025年) 中国总人口: 1980年至2024年数据及2030年预测。(数据获取于2025年8月11日), 城镇化率为 $62.7\%$ (中国城镇供水排水协会, 2024年)。中国城镇水务行业年度报告。由此计算得出城镇人口为884,261,168人。到2035年, 中国人口预计将降至1,360,682,112人(世界银行, 未注明日期)。数据库: 中国人口预测(15-50岁年龄组)。最后更新于2025年2月7日。(数据获取于2025年8月11日), 预计城镇化率将达到 $73.9\%$ (联合国经济和社会事务部人口司, 2019年)。世界城市化展望报告: 2018年修订版。数据获取于2025年8月19日。据此测算, 城镇人口将达到1,005,544,081人, 较2019年增长 $13.7\%$ 。人均污水处理能力从2019年的每日254.41升提升至2023年的每日290.45升。这意味着增长了 $14.2\%$ 。假设2035年人均污水处理能力保持2023年水平(这是一个保守估计, 因为2014-2023年期间该指标以每日每8.0527升/人的速度线性增长, $R^{2} = 0.98$ ), 且污水量随城镇人口线性增长, 预计污水总量将增加 $29.8\%$ 。考虑到城镇人口到2035年将采取更优化的用水实践, 丹佛斯保守估计污水总量将增长 $25\%$ , 至2035年达到836亿立方米。 119 国际能源署(2016年)。水与能源关联性——摘自《2016年世界能源展望》。访问日期:2025年8月25日。 基于Wang D.等人(2022年)的研究，已对污水总量及电力消耗作出至2035年的预测。2006年至2019年期间，“污水处理厂”及“污水处理厂或其他设施”的年耗电量呈现线性关系 $(R^2 = 0.97)$ ，年污水量亦呈现线性关系 $(R^2 = 0.99)$ 。在此期间，单位处理水量的耗电量并未下降（2006年为0.324TWh/亿立方米，2019年为0.332TWh/亿立方米）。如前所述，可保守估计污水总量到2035年将增长 $25\%$ 。这意味着污水总量将从2019年的670亿立方米增至2035年的840亿立方米。针对2035年污水处理电力需求，已按两种情景进行预测：1）常规情景：电力需求增长与污水量增长同步；2)采用变频驱动技术的能效提升情景。根据丹佛斯评估数据，在此情景中，假设对现有污水处理厂进行变频驱动改造可实现 $20\%$ 的节能效果，而新建污水处理厂的能效预计提升 $30\%$ 121 Wang, D.等(2022年)。2006年至2019年中国城镇污水处理设施温室气体排放情况。9:文章编号317。https://doi.org/10.1038/s41597-022-01439-7. 122 Wang, D.等（2022年）。2006年至2019年中国污水处理厂温室气体排放数据。Figshare数据平台。https://doi.org/10.6084/m9.figshare.19158206.v1. 123 丹佛斯（2022年）。玛尔丽斯堡：迈向能源中和的行业路径。访问日期：2025年8月25日。 124 丹佛斯(2022年)。玛尔丽斯堡:迈向能源中和的行业路径。访问日期:2025年8月25日。 125 丹麦水力研究所(2022年)。丹麦技术在全球废水处理行业中对实现能源与气候中和的潜在贡献分析。发布日期：2022年9月5日。访问日期：2025年8月25日。 126 丹佛斯（2022年）。玛尔丽斯堡：迈向能源中和的行业路径。访问日期：2025年8月25日。 127 丹麦水力研究所(2022年)。丹麦技术在全球废水处理行业中对实现能源与气候中和的潜在贡献分析。发布日期：2022年9月5日。访问日期：2025年8月25日。 128 根据欧洲环境署数据,欧盟在2023年共排放约29亿吨二氧化碳当量。通过升级污水处理厂实现每年减少3亿吨二氧化碳当量(即0.3吉吨)排放,约相当于欧盟总排放量的 $10 \%$ 。百分比计算: $(0.3\mathrm{Gt} / 2.9\mathrm{Gt})^{*}100 = 10.3\%$ 。国际能源署（2025年）。欧洲环境署温室气体数据查询平台。最后编辑于2025年5月16日。访问日期：2025年8月20日）。 129 丹麦水力研究所 (2022年)。丹麦技术在全球废水处理行业 中对实现能源与气候中和的潜在贡献分析。发布日期：2022年9月5日。访问日期：2025年8月25日。 130 国际能源署（2022年）。欧洲。德国2020年能源供应总量为11,654,314太焦耳，相当于3,237TWh。350TWh/3,237TWh=0.11，即约十分之一。 131 丹麦水力研究所 (2022年)。丹麦技术在全球废水处理行业中对实现能源与气候中和的潜在贡献分析。发布日期：2022年9月5日。访问日期：2025年8月25日。 132 《新印度快报》(2013年)。科亚姆贝杜污水处理厂预计将于明年三月建成投运。2013年1月31日更新。访问日期：2025年7月2日。 133丹佛斯(2023年)。科扬贝杜污水处理厂实现能耗降低 $22\%$ 最后更新于2023年1月23日。访问日期：2025年8月25日。 134 Ritchie, H. & Roser, M (2021年)。水资源利用与压力——数据看世界。最后更新于2024年2月。访问日期: 2025年8月25日。 135 格兰富(2024年)。工业节水措施：轻工业领域尚未开发的水资源节约潜力。访问日期：2025年6月10日。 136 格兰富(2024年)。工业节水措施：轻工业领域尚未开发的水资源节约潜力。访问日期：2025年6月10日。 137 格兰富(2024年)。工业节水措施：轻工业领域尚未开发的水资源节约潜力。访问日期：2025年6月10日。 138 全球水经济委员会(2024年发布)。水资源经济学:将水文循环视为全球公共利益。访问日期:2024年5月20日。 139 国际能源署(2018年)。能源在实现普遍获得清洁水和卫生设施方面发挥着重要作用。发布日期:2018年3月22日。访问日期:2025年8月15日。 140 丹麦环境保护局(未注明日期)。防止水资源流失。访问日期：2025年8月4日。 # 丹佛斯影响力系列白皮书简介 丹佛斯影响力系列白皮书旨在阐述我们对于能效提升与电气化驱动能源体系变革潜力的核心观点。在围绕绿色转型的讨论中，能源效率的重要性常被忽视。其主要原因在于，专家与行业领袖未能充分阐明能源效率在加速电气化进程、推动可再生能源主导的未来能源体系中的关键作用。 丹佛斯影响力系列白皮书基于可信来源的实证，汇集多行业案例，重点展示那些能以成本效益高、可规模化方式实现节能降碳潜力的解决方案。通过本系列内容，我们同时旨在证明：实现快速且可持续的绿色转型所需的技术，目前已然具备。 节约下来的能源,才是最绿色的能源。