海水淡化与清洁能源协同发展现状与展望

陈 超，杨 禹，王 哲，王 伟，叶兆勇

(1．北京师范大学 环境学院，水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；2.全球能源互联网发展合作组织，北京 100875)

1 引言

水是生命之源，是人类经济社会发展的重要基础。地球上有97%的水是海水，而剩余3%的淡水中只有1%存在于湖泊和河流等易于得到的地方，使得淡水资源短缺成为全球发展面临的主要挑战之一[1]。2018年《世界水发展报告》指出，目前有36亿人(接近全球人口的一半)居住在每年至少会出现1个月水短缺的地区。世界经济合作与发展组织预测，到2050年，全球40%的人口将面临水资源短缺的问题，尤其在非洲南、北部以及亚洲的中部和南部地区。面对日益严峻的全球化淡水资源形势，海水淡化技术受到越来越多国家的重视与支持。

经过多年的发展，海水淡化已作为解决淡水资源不足的主要措施，但高能耗成为限制其发展的主要因素，这推动了更高能源效率和成本效益的研究，因此积极开发清洁可持续的海水淡化技术成为趋势。本文对海水淡化发展现状和概况进行了简单的介绍，从海水淡化的应用模式和特点等方面对各技术环节的耗能情况进行了评述，最后从海水淡化与清洁能源协同发展理论和关键技术等方面对海水淡化发展进行了分析。

2 海水淡化发展现状

2.1 全球海水淡化发展规模及现状

近年来，海水淡化技术与产业化规模得到高速发展。据国际水务情报海水淡化市场数据库统计，全世界已有约1.8万个海水淡化厂，遍布150多个国家，每年产水量约为380亿t，是2008年产量的两倍多[2]，年增长率达8%，可解决2亿多人的用水问题，预计到2030年将增长到540亿t/年。全球主要的海水淡化工程如表1所示，以沙特、阿联酋、科威特、卡塔尔和巴林5国为代表的中东地区是海水淡化技术的主要应用地区之一，其海水淡化装置总产水量占全球总产水量的44.3%。其中作为全球最大的海水淡化厂，沙特的RAs AI-Khair海水淡化厂采用热法耦合技术(MSF+RO)，产水量可达103.5万t/d。在其他地区，非洲规模最大的阿尔及利亚马格塔(Magtaa)海淡厂产水量达到50万t/d；澳大利亚维多利亚海水淡化厂日产淡水46.7万t的规模。近年来，一些内陆国家(如：哈萨克斯坦)也在积极发展海水淡化。

市政和工业是全球海水淡化的主要应用领域。如图1所示，市政使用占60%，产能5114万t/d；其次为工业34%，灌溉2%，旅游业2%，军用1%等。

2.2 中国海水淡化发展现状

中国淡水资源总量为2.8万亿t，占世界第6位，而人均水资源量仅为世界人均水平的1/4，排在第88位。因此积极开发利用海水资源，采取有效措施提高淡水资源量具有重要的战略意义。

中国自1958年开始研究海水淡化，并于1975年着手研制中大型海水淡化装置，如表2所示，现已建成投用的大规模海水淡化工程包括天津北疆电厂海水淡化工程一期(20万t/d)、青岛百发海水淡化工程(10万t/d)、天津大港新泉海水淡化工程(10万t/d)、河北国华沧电黄骅电厂海水淡化工程(5.75万t/d)、曹妃甸公约园区海水淡化工程一期(5万t/d)等。中国海水淡化工程主要分布在沿海重度缺水地区，如天津、舟山、青岛、大连等沿海城市。截至2016年底，全国建成海水淡化工程127个，产水规模达到120万t/d，最大海水淡化工程规模为20万t/d。我国海水淡化应用主要以反渗透和低温多效蒸馏技术为主。根据《全国海水利用“十三五”规划》目标，到2020年，全国海水淡化总规模将达到220万t/d，沿海地区新增海水淡化规模105万t/d以上，海岛地区新增海水淡化规模14万t/d以上。预计到2023年，海水淡化产水规模将达到285万t/d，产业发展将再上新台阶。

表1 国外主要海水淡化工程

注：多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、反渗透(RO)、超滤(UF)、冷冻法(FD)

我国海水淡化主要用在工业领域，其次用在市政领域。如图2所示，我国海水淡化所产生的淡化水64%用于工业领域，其中36%用于电力、12.5%用于石油和化工、9.8%用于钢铁、其余5.7%用于其他高耗水工业领域；市政供水规模相对较小，占海水淡化总规模的36%。

图1 全球海水淡化水用途

名称地区产淡水量/(万t/d)技术类型投运或计划投运时间大港电厂天津0.6MSF1989浙江嵊泗一期浙江0.05RO1997大连长海县海水淡化厂辽宁0.1RO1999山东黄岛电厂山东0.3MED2004国华沧东电厂河北2MED2006玉环华能电厂浙江3.5RO2006乐清电厂浙江2.16RO2007大港新泉海水淡化工程天津10RO2009舟山六横岛浙江10MED2009国投北疆发电厂一期工程天津20MED+RO2009宁德核电厂福建1.08RO2010曹妃甸河北5RO2011黄骅电厂海水淡化二期工程河北5.75MED2012百发海水淡化工程山东10RO2012国华黄骏发电厂河北2.5MED2013丰海新能源淡化海水发展有限公司江苏0.5RO2014舟山六横电厂浙江2.4RO2015湛江钢铁基地广东1.5MED2015红沿河核电厂辽宁1.5UF+RO2016

图2 中国海水淡化水用途

3 海水淡化技术及用能情况

3.1 应用模式

目前，海水淡化技术可分为热能驱动技术和膜技术两大类，如图3所示，热能驱动技术主要包括多级闪蒸[3](MSF)、多效蒸馏[4](MED)和蒸汽压缩蒸馏[5](VC)以及增湿除湿[6](HDH)等，由于不受进水盐度的影响，在中东地区应用较多[7]。膜技术[8]主要为反渗透(RO)和电渗析(ED)[9～11]，具有低能耗、低环境影响和操作性强等特点，近年来被广泛应用。另外，膜蒸馏[12](MD)作为热能驱动与膜技术的结合技术，具有可利用海水余热或工业废热驱动海水淡化的优点。在中东地区已成规模运行的海水淡化厂主要采用MSF和MED技术，而位于大洋洲的澳大利亚，其海水淡化厂多采用RO技术。

图3 海水淡化技术

目前全球海水淡化主流技术是反渗透、多级闪蒸和低温多效蒸馏。如图4所示，截至2018年，全球海水淡化技术中RO占总产水量的65%，其次分别是MSF占21%，MED占7%，ED等其他技术总占比约7%。《2018-2023年中国海水淡化产业深度调研与投资战略规划分析报告》指出在我国海水淡化中，RO占总产水量的65%，MED占34%，MSF与ED占1%，RO技术占主导地位。从利用场景来讲，反渗透将成为沿海干旱地区供水的主要技术，新型膜材料的研发可促进反渗透技术的进一步发展。

3.2 用能特性

3.2.1 能耗分析

海水淡化技术的主要特点是能耗高，常规的地表水处理能耗[13]约为0.06 kW·h/t，而海水淡化平均能耗约为8.4 kW·h/t，是常规水处理的140多倍，其用能成本占总成本的40 %左右。热能驱动技术为主导的脱盐工艺平均耗能约为20.5 kW·h/t；以膜技术为主导的脱盐工艺在生产同量淡水的情况下，平均耗能约为3 kW·h/t，相对较低。各类海水淡化技术耗能情况如表3[20、62、63、64、65、66]所示。从耗能情况来看，膜技术脱盐具有较好的经济效益[14～16]。反渗透作为最节能的脱盐技术[17,18]，其淡化水量占目前淡化总量的60%以上，其装置耗能1.5～5 kW·h/t，能耗占产水总成本的30%～50%[19]。该系统可通过能量回收装置回收高压浓海水的压力能，从而大幅度降低反渗透海水淡化的产水能耗和成本[20]，具有广阔的应用前景。

图4 全球(a)与我国(b)海水淡化技术产量占比

当前全球海水淡化设备主要以化石燃料为能源，年耗能约为3550亿 kW·h时，每年产生CO2共计3.1亿t，降低用能成本或采用清洁能源是降低海水淡化成本和环境影响的关键。

表3 海水淡化技术能耗

3.2.2 负荷特性

蒸馏法耗能巨大，用能分为蒸发用能和动力设施用电。蒸馏法的电负荷主要为电动机负荷，在正常工况下，应维持一定功率，以保证适宜的进水量和压力，但可根据需要在一定范围内进行调节。以多级闪蒸为例，可根据高温蒸汽的进汽开关，调节动力设备的输出功率，必要时可中断。因此通常与火电厂配套建设，利用火电厂的余热进行蒸馏，或直接使用太阳能对海水进行加热蒸馏。

反渗透法海水淡化装置主要由给水泵、高压泵、反渗透膜和能量回收装置等设备组成。给水泵通过变频器接入电网，是负荷能耗的主要组成部分。反渗透法正常工况下为恒定负荷，具有一定可调节性，最小负荷可降低至额定负荷约40%左右，但为了保障出水质量，负荷不宜中断。

总体来看，海水淡化负荷具备较好的调节能力，属于柔性负荷，可以参与需求侧响应等服务，对提升电网弹性有较大帮助。同时，可以通过科学配置储能的方式，进一步提升海水淡化系统的调节能力。

4 海水淡化与清洁能源协同发展

全球清洁能源极为丰富，理论可开发量超过1.5×105万亿kW·h/年，仅开发其中的万分之五就可以满足人类社会全部能源需求。预计到2050年全球清洁能源的利用将占一次能源消耗的72%。推动海水淡化与清洁能源协同发展，可以解决海水淡化高能耗带来的高排放问题，推动海水淡化在更大范围应用推广，从而实现淡水的清洁永续供应。目前清洁能源类别与主要利用方式如表4所示。

表4 清洁能源类别及其主要利用方式

基于清洁能源的可靠性、水源的盐度、过程后处理、经济性和工厂生产能力[22]，图5总结了利用清洁能源驱动不同脱盐过程的潜在途径。主要分为太阳能海水淡化系统、风能海水淡化系统、海洋能海水淡化系统、生物质能海水淡化系统以及地热能海水淡化系统。

图5 清洁能源与海水淡化过程的可能组合形式

4.1 太阳能海水淡化系统

太阳能海水淡化可以分为直接法和间接法，如图6所示。直接法中太阳能以热能形式收集利用，与脱盐过程在同一个装置内进行。其中，太阳能蒸馏是直接法中最为广泛使用的一种，不消耗常规能源，并且结构简单、操作容易，适用于太阳光充足而又缺乏动力和电能的沿海偏远地区[23]，具有技术和经济优势。根据是否使用太阳能集热器，太阳能蒸馏可分为被动式和主动式。被动式太阳能蒸馏[24]通过太阳能直接对海水加热产生蒸汽，冷凝后获得淡水，虽然产水质量高，但产水量较低，单位面积产水量约2～5×10-3t/d。因此已开发多种主动式太阳能蒸馏用于克服被动式产水量低的问题，其中提高能源利用效率，是提升产水效率的重要方式。有研究提出双斜坡太阳能蒸馏与平板集热器结合的主动式太阳能蒸馏反应器比传统被动式的热效率要高23.5%，其中震荡热管(OHP)中以氧化铁分散纳米颗粒作为基础流体能有效增强传热效果，还可通过铝制平板与脉动热管形成管道互连，减少单向流体阻力，进而增加流体的总传热[25～27]，有效降低单位能耗。

间接法中太阳能收集的过程和脱盐的过程是分开的，太阳能可通过太阳能集热器转换为热能，也可以通过光伏(PV)发电转换为电能，用于驱动脱盐过程。热能驱动包括MSF，MED，MD等方法，电能驱动包括RO，ED等方法，与RO和MED系统组合是当前主流的两种方法。

图6 太阳能海水淡化导图

太阳能RO组合系统主要是依靠光伏组件将太阳辐射产生的热转化为电能从而驱动输水泵[28]，在目前已投入生产的组合方式中太阳能与膜法RO技术组合方式占总装机量的32.3%。余热可使进料液的温度升高，有利于膜通量的提高，还可以通过有机朗肯循环(ORC)将其转换为机械能用于驱动RO中的高压泵[29]。将清洁能源用于小规模RO淡化系统是实现其商业化的有效途径，小规模的PV-RO系统用于偏远地区[30]，每天可持续运行10 h，产淡水5.1 t，耗能为1.1 kW·h/t，相比柴油驱动RO系统，光伏驱动RO系统产水成本更低[31]。

太阳能MED系统的优势在于可在低温(60～90 ℃)下进行脱盐，而且具有较高的技术可靠性和产品安全性[32]。Frantz.C[33]等人对太阳能MED系统各参数进行了数值模拟，分析得出当加热蒸汽温度从65 ℃提升到90 ℃时，产水量提高了一倍；当热转换器表面积增加30%时，产水量提高50%。同时，为了降低太阳能集热器和脱盐单元的能量损耗，提高能源效率，Chen.Q等人[34]研究提出采用喷雾低温太阳能脱盐系统来提高脱盐效率，降低单位能耗。

4.2 风能海水淡化系统

风能可以直接或间接地通过四种能源介质为海水淡化厂提供动力：电能、热能、重力势能和动力能(轴功率)[35]，如图7所示。其中电能主要为分离式系统，通过将风能转化为电能驱动脱盐单元进行海水淡化。主要有两种实施方式：一种是并入电网，另一种是不并网，作为独立能源直接为海水淡化厂供电。其他几个动源主要为耦合式系统，通过将风能转化为机械能实现供能。风能的不连续性和不稳定性导致风力发电机电功率不恒定，进而影响海水淡化系统的性能，因而整个系统中需要加入蓄电池、柴油发电机或飞轮等备用供电系统[36]。风能脱盐系统作为沿海地区最常见的可再生脱盐设备之一，其可减少75%的废气排放[37]。Shahabi.M.P[38]等人评估了可再生能源海水淡化厂的环境效益，结果表明，可再生能源海水淡化厂与电网方案相比，实现了温室气体90%的减排。

图7 风能海水淡化导图

风能不仅可以用于驱动ED或MVC等不同海水淡化系统，还可以与光伏结合驱动RO和MVC等系统，与ORC结合驱动RO系统[39]，以弥补风能波动的缺点，维持稳定的能源供应。

从经济性和低能耗等角度考虑，目前风能主要与RO结合，通过改进与创新膜材料能够提高该类结合方式的脱盐效率[40]，包括石墨烯在内的工程纳米材料有潜力改进现有的脱盐技术[41～43]，在目前已投入生产的组合方式中风能与膜法RO技术组合方式占总装机量的18%。

4.3 海洋能海水淡化系统

利用海洋能驱动海水淡化具有广阔的应用前景，其解决了能源与物料的双重问题(图8)。潮汐能和波浪能主要以势能和动能的形式被收集与转换为电能，也可直接通过轴功驱动泵对海水增压，将压力足够高的海水送入膜系统产生淡水[45,46]。利用不同深度海水温度的不同引起热交换从而产生的热能，可提供大规模的、稳定的电力，也是海洋能与海水淡化结合的重要形式。2015年8月，美国夏威夷建成世界上最大连接电网的海洋热能转换(OTEC)电厂；同年10月，日本在冲绳建成了OTEC电厂，集清洁能源、海水淡化与海产品生产于一体[48]。

图8 海洋能海水淡化导图

4.4 地热能海水淡化系统

地热能具有蕴藏量丰富、分布广泛等特点，可直接利用热能驱动海水淡化系统，也可通过投入热电联产模式被间接使用[49～51]。根据目前利用现状，地热能可分为低温(100 ℃以下)、中温(100 ℃～150 ℃)和高温(150 ℃以上)[52]。地热能与海水淡化系统的结合采用直接与间接方式，直接法是利用中高温地热以蒸汽的方式直接驱动MSF和MED等热法蒸馏系统，间接法利用高温地热发电间接驱动RO和ED等海水淡化系统。随着膜技术的发展，目前已开发出可以承受温度高达60 ℃的商业化RO膜[53]，可直接应用于地热海水淡化系统，且滤液的温度升高有助于提升膜通量[54]。Salehi.S[55]等人通过构建双闪式地热发电厂，结合吸收热转化(AHTs)和海水淡化系统，实现了水电联产。沙特阿卜杜拉国王科技大学开展了基于地热与太阳能混合系统的研究，以12 h为一个周期交替循环供能，且不需要储存单元[56]。

4.5 生物质能海水淡化系统

目前大多数生物质能海水淡化系统，采用的是混合清洁能源系统(HRE)的形式，将生物质与太阳能、风能和地热等清洁能源联合利用[57]，实现高效运行，解决由气候条件导致的太阳能与风能不稳定供应问题[58]。另一方面，可利用微生物在生长过程中氧化有机物质触发电子流，使得中间室的阴离子和阳离子分别向阳极和阴极移动，进而透过离子交换膜实现脱盐，达到99%的脱盐率[59]。生物脱盐燃料电池(MDCs)海水淡化联用是可实现水质净化、海水脱盐和产生电能于一体的新型技术，在偏远荒芜地区，可作为膜脱盐工艺的前处理[60]。Kokabian.B[61]等人在MDCs的基础上，提出了光合微生物脱盐燃料电池(PMDCs)，进一步提高了该类系统的产能。

5 结语

海水淡化作为可实现水资源可持续利用的开源增量方式，在改善生态环境、促进社会文明和经济发展方面具有重要的战略价值，是全球解决淡水资源短缺的重要途经。随着缺水问题的日益严重，以及海水淡化技术的逐步成熟、成本下降，海水淡化在沿海缺水城市、海岛地区大规模发展，并通过向内陆城市远距离输送淡化水，或是淡化当地苦咸水或微咸水，进而解决城市市政供水问题。

近年来，海水淡化产业保持着20%～30%的年增长率，远高于普通设备制造业增长，具有广阔的商业前景。全球海水淡化的主流技术RO及MSF，其耗能成本占系统运行总费用的40%，因此改进关键淡化技术与设备、促进能源清洁化、提高能源利用率，是实现海水淡化技术可持续发展的重要手段。

将以太阳能和风能为主的清洁能源与海水淡化相结合，进一步推动清洁能源与海水淡化联合利用，可从以下三个方面加强研究：一是提高海水淡化系统可调节能力。通过改进材料和工艺流程，如优化RO膜结构、提高蒸馏系统性能，使海水淡化蒸馏系统能够在更低温度和更小压力下，保证出水质量，从而提升整个系统的可调节性，克服清洁能源的波动性和随机性。二是采用联合供能模式。建立风能和太阳能联合供能系统，充分利用风光出力互补特性，实现海水淡化连续稳定运行。三是合理配置储能装置。按比例配置储能，平抑太阳能和风能的波动性。