Does water scarcity shift the electricity generation mix toward fossil fuels?

Empirical evidence from the United States

Author:

Jonathan Eyer, University of Southern California, United States

Casey J. Wichman, Resources for the Future, United States

Journal:

Journal of Environmental Economics and Management 87 (2018) 224–241

 

由Jonathan Eyer和 Casey J. Wichman 撰写,并于2018年发表在Journal of Environmental Economics and Management的论文探讨了水源短缺对美国发电组合的影响，文章主要利用美国2001——2012年月度电厂层面的面板数据，使用固定效应模型，进行实证研究，结果表明，水力发电因水源短缺而大幅减少，其减少的发电量主要被天然气发电量的增加所抵消。此外，由于各种类型发电的排放也存在差异，水源短缺造成发电结构变化的同时，也会影响一些污染物的排放，实证结果表明水源短缺增加了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放。

 

引言

这篇论文从经济学角度估计了气候变化对经济活动的影响，以预测气候变化造成的损害。以往研究多集中在气温上升对电力消费的影响，很少关注水源短缺对电力的影响，随着气候的变化，干旱也出现的越来越频繁，对这一问题的研究变得越来越重要。在美国，电厂用水在淡水使用中占大头，其中水力发电需要用水转动涡轮机，火力发电需要用水来冷却蒸汽，因此当水源短缺时，电厂发电也会受到影响。由于零售电价受到管制，总发电量需保持相对固定，因此当水力发电减少时，非水力发电必须增加，但目前尚不清楚各种类型的发电在多大程度上替代水力发电。例如，水源短缺可能会减少水力发电，增加燃煤电厂面临的剩余需求，但同时燃煤电厂也面临遵守水排放温度规定的约束，其并不能随意增加发电量。

有别于以往利用工程模型来研究干旱对发电的影响，本文使用计量经济学方法来研究水源短缺对电厂发电的影响。文章利用美国电厂月度发电量的面板数据，包括2001年至2012年(含2001年至2012年)，在控制影响电力需求的天气冲击等其他因素后，利用线性的固定效应模型，实证研究了发电量的变化在多大程度上可以归因于干旱这一因素，其中干旱使用Palmer干旱严重指数(PDSI)来衡量，相比季节性趋势、温度及其他对电力需求产生冲击的因素，水源短缺可视为对发电的一种外生冲击。

文章除了估计干旱对不同能源结构的电厂发电的影响外，还估算了干旱对电厂发电的异质性影响。具体来说，因电力的水源类型、冷却发电机的技术类型的不同，干旱对电厂发电的影响存在异质性。此外，文章也直接估计了干旱对电厂排放的二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫的影响，结果表明,缺水增加了这三种污染物的排放。

 

数据来源

电厂层面的发电数据：Energy Information Administration（EIA）和Federal Energy Regulatory Commission（FERC），其中同一电厂不同能源类型的发电，按能源类型进行拆分。

排放数据：EPA’s Air Markets Program，包含了每个发电厂小时级的二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物的排放。

水源短缺指标：使用Palmer干旱严重指数（PDSI）,该指数区间为[-10,10]，在稳健性检验中也使用了PHDI、降水量、河流径流等表示水源短缺的严重程度。

天气数据：制冷度日数（cooling degree days）：指在采暖期中，室外逐日平均温度低于室内温度基数的度数之和。

水源类型和冷却类型数据：来源UCS EW3 Energy-Water 数据库。

样本描述：

在三个互连区（互连区内电力可以自由输送，互连区之间电力几乎不能相互输送）分别按发电类型和制冷技术对电厂进行统计：

 

实证方法

(一)            干旱对各类型电厂发电的影响

为第 i 电厂第 r 气候区第 n 个互连区在第 t 时刻的净发电量,PDSI为干旱指数，CDD为制冷度日数，Fuel为燃料类型，X为其它控制变量。

实证结果表明，水源短缺(PDSI的减少)大大减少了水力发电量。PDSI的1个标准差降低(= 2.7σ)大约减少27%的水力发电，减少的水力发电主要被天然气发电所替代，其导致天然气发电净增加13.4%，此外水资源短缺对可再生能源发电或核能发电并没有显著的统计影响。西部和东部互联区的结果类似:干旱引起的水力减少，其主要被天然气发电量的增加所抵消。此外，东部地区煤炭发电量下降，表明发电由耗水较多的燃煤发电转向耗水较少的化石燃料发电。

此外，现有发电厂在多大程度上受到水源短缺的影响取决于其水源类型和冷却技术。

水源类型对结果的影响：使用地表水的电厂发电量减少，使用城市水源和地下水源的发电厂发电增加。

冷却类型对结果的影响：在西部，缺水使发电由不需用水来冷却的电厂转向使用直流冷却、循环冷却、冷却池的电厂。在东部和德州，缺水减少了不用水冷却电厂和使用冷却池电厂的发电。

 

(二)            干旱对排放影响的实证研究:

 

 

实证结果表明，干旱增加了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，这些排放物的增加主要是由于天然气发电所造成的。此外，文章还对每个互连区分别进行了估计，不同互连区其分析结果也都存在差异。

为了研究结果的稳健性，文章使用PHDI（一种衡量干旱的长期指数），降水和河流径流分别作为衡量干旱的指标进行回归，此外，还利用不平衡面板估计、使用因变量的对数形式进行了稳健性检验，结果表明，与前面的分析结果相比，得到的结论基本类似。

 

(三)            利用分析结果对未来进行预测

 

由于气候的变化，预计下个世纪水源情况将发生改变，干旱通常会变得更加频繁和严重。随着水资源越来越稀缺，美国的电力结构可能会从相对耗水的发电方式转向其他发电方式，文章利用前面分析得到的回归系数，使用预测的干旱指数，对五十年后的发电类型进行了分析，结果表明水力发电会大幅减少，天然气发电在西部和德克萨斯这两个互连区会增加。

 

结论

本文揭示了水源短缺对美国发电组合的影响，强调了短期和中期干旱变化对水力发电的影响。此外，还发现了水源短缺也会增加二氧化碳等污染物的排。具体而言，在美国大部分地区，当缺水加剧时，发电更多转向天然气发电而不是煤炭发电，虽然文章也发现了一些证据，表明随着水资源短缺的加剧，东部互连区的煤炭发电量会下降，但在大部分情况下，除了水力和天然气发电之外，其它电力类型的发电几乎没有变化。可能是由于煤炭和核能发电的电厂在水资源使用方面面临着其他物理或法律上限制，其并不能随意增加发电量。此外，虽然水源短缺没有增加煤炭发电，但随着天然气使用量的增加，二氧化碳等污染物的排放量仍大幅增加。

为了帮助制定政策，我们的结果也需要注意，长期的缺水将影响到新建发电厂的类型，因此在分析中，本文假设电厂新建和水力发电的决定是短视的。如果缺水会使水源趋向于节约，那我们的估计结果会被高估。但是在某种程度上，我们政策关注的是水源短缺对发电组合的影响，而这一分析为气候变化的核心问题——水源短缺与电力供应的关系——提供了新的思路。接下来，也需要进一步研究水源短缺对电厂使用水源的类型和冷却技术类型的直接影响。