海水淡化與清潔能源協同發展現狀與展望

陳 超，楊 禹，王 哲，王 偉，葉兆勇

(1．北京師范大學 環境學院，水環境模擬國家重點實驗室，北京 100875；2.全球能源互聯網發展合作組織，北京 100875)

1 引言

水是生命之源，是人類經濟社會發展的重要基礎。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，使得淡水資源短缺成為全球發展面臨的主要挑戰之一[1]。2018年《世界水發展報告》指出，目前有36億人(接近全球人口的一半)居住在每年至少會出現1個月水短缺的地區。世界經濟合作與發展組織預測，到2050年，全球40%的人口將面臨水資源短缺的問題，尤其在非洲南、北部以及亞洲的中部和南部地區。面對日益嚴峻的全球化淡水資源形勢，海水淡化技術受到越來越多國家的重視與支持。

經過多年的發展，海水淡化已作為解決淡水資源不足的主要措施，但高能耗成為限制其發展的主要因素，這推動了更高能源效率和成本效益的研究，因此積極開發清潔可持續的海水淡化技術成為趨勢。本文對海水淡化發展現狀和概況進行了簡單的介紹，從海水淡化的應用模式和特點等方面對各技術環節的耗能情況進行了評述，最后從海水淡化與清潔能源協同發展理論和關鍵技術等方面對海水淡化發展進行了分析。

2 海水淡化發展現狀

2.1 全球海水淡化發展規模及現狀

近年來，海水淡化技術與產業化規模得到高速發展。據國際水務情報海水淡化市場數據庫統計，全世界已有約1.8萬個海水淡化廠，遍布150多個國家，每年產水量約為380億t，是2008年產量的兩倍多[2]，年增長率達8%，可解決2億多人的用水問題，預計到2030年將增長到540億t/年。全球主要的海水淡化工程如表1所示，以沙特、阿聯酋、科威特、卡塔爾和巴林5國為代表的中東地區是海水淡化技術的主要應用地區之一，其海水淡化裝置總產水量占全球總產水量的44.3%。其中作為全球最大的海水淡化廠，沙特的RAs AI-Khair海水淡化廠采用熱法耦合技術(MSF+RO)，產水量可達103.5萬t/d。在其他地區，非洲規模最大的阿爾及利亞馬格塔(Magtaa)海淡廠產水量達到50萬t/d；澳大利亞維多利亞海水淡化廠日產淡水46.7萬t的規模。近年來，一些內陸國家(如：哈薩克斯坦)也在積極發展海水淡化。

市政和工業是全球海水淡化的主要應用領域。如圖1所示，市政使用占60%，產能5114萬t/d；其次為工業34%，灌溉2%，旅游業2%，軍用1%等。

2.2 中國海水淡化發展現狀

中國淡水資源總量為2.8萬億t，占世界第6位，而人均水資源量僅為世界人均水平的1/4，排在第88位。因此積極開發利用海水資源，采取有效措施提高淡水資源量具有重要的戰略意義。

中國自1958年開始研究海水淡化，并于1975年著手研制中大型海水淡化裝置，如表2所示，現已建成投用的大規模海水淡化工程包括天津北疆電廠海水淡化工程一期(20萬t/d)、青島百發海水淡化工程(10萬t/d)、天津大港新泉海水淡化工程(10萬t/d)、河北國華滄電黃驊電廠海水淡化工程(5.75萬t/d)、曹妃甸公約園區海水淡化工程一期(5萬t/d)等。中國海水淡化工程主要分布在沿海重度缺水地區，如天津、舟山、青島、大連等沿海城市。截至2016年底，全國建成海水淡化工程127個，產水規模達到120萬t/d，最大海水淡化工程規模為20萬t/d。我國海水淡化應用主要以反滲透和低溫多效蒸餾技術為主。根據《全國海水利用“十三五”規劃》目標，到2020年，全國海水淡化總規模將達到220萬t/d，沿海地區新增海水淡化規模105萬t/d以上，海島地區新增海水淡化規模14萬t/d以上。預計到2023年，海水淡化產水規模將達到285萬t/d，產業發展將再上新臺階。

表1 國外主要海水淡化工程

注：多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)、反滲透(RO)、超濾(UF)、冷凍法(FD)

我國海水淡化主要用在工業領域，其次用在市政領域。如圖2所示，我國海水淡化所產生的淡化水64%用于工業領域，其中36%用于電力、12.5%用于石油和化工、9.8%用于鋼鐵、其余5.7%用于其他高耗水工業領域；市政供水規模相對較小，占海水淡化總規模的36%。

圖1 全球海水淡化水用途

名稱地區產淡水量/(萬t/d)技術類型投運或計劃投運時間大港電廠天津0.6MSF1989浙江嵊泗一期浙江0.05RO1997大連長海縣海水淡化廠遼寧0.1RO1999山東黃島電廠山東0.3MED2004國華滄東電廠河北2MED2006玉環華能電廠浙江3.5RO2006樂清電廠浙江2.16RO2007大港新泉海水淡化工程天津10RO2009舟山六橫島浙江10MED2009國投北疆發電廠一期工程天津20MED+RO2009寧德核電廠福建1.08RO2010曹妃甸河北5RO2011黃驊電廠海水淡化二期工程河北5.75MED2012百發海水淡化工程山東10RO2012國華黃駿發電廠河北2.5MED2013豐海新能源淡化海水發展有限公司江蘇0.5RO2014舟山六橫電廠浙江2.4RO2015湛江鋼鐵基地廣東1.5MED2015紅沿河核電廠遼寧1.5UF+RO2016

圖2 中國海水淡化水用途

3 海水淡化技術及用能情況

3.1 應用模式

目前，海水淡化技術可分為熱能驅動技術和膜技術兩大類，如圖3所示，熱能驅動技術主要包括多級閃蒸[3](MSF)、多效蒸餾[4](MED)和蒸汽壓縮蒸餾[5](VC)以及增濕除濕[6](HDH)等，由于不受進水鹽度的影響，在中東地區應用較多[7]。膜技術[8]主要為反滲透(RO)和電滲析(ED)[9～11]，具有低能耗、低環境影響和操作性強等特點，近年來被廣泛應用。另外，膜蒸餾[12](MD)作為熱能驅動與膜技術的結合技術，具有可利用海水余熱或工業廢熱驅動海水淡化的優點。在中東地區已成規模運行的海水淡化廠主要采用MSF和MED技術，而位于大洋洲的澳大利亞，其海水淡化廠多采用RO技術。

圖3 海水淡化技術

目前全球海水淡化主流技術是反滲透、多級閃蒸和低溫多效蒸餾。如圖4所示，截至2018年，全球海水淡化技術中RO占總產水量的65%，其次分別是MSF占21%，MED占7%，ED等其他技術總占比約7%。《2018-2023年中國海水淡化產業深度調研與投資戰略規劃分析報告》指出在我國海水淡化中，RO占總產水量的65%，MED占34%，MSF與ED占1%，RO技術占主導地位。從利用場景來講，反滲透將成為沿海干旱地區供水的主要技術，新型膜材料的研發可促進反滲透技術的進一步發展。

3.2 用能特性

3.2.1 能耗分析

海水淡化技術的主要特點是能耗高，常規的地表水處理能耗[13]約為0.06 kW·h/t，而海水淡化平均能耗約為8.4 kW·h/t，是常規水處理的140多倍，其用能成本占總成本的40 %左右。熱能驅動技術為主導的脫鹽工藝平均耗能約為20.5 kW·h/t；以膜技術為主導的脫鹽工藝在生產同量淡水的情況下，平均耗能約為3 kW·h/t，相對較低。各類海水淡化技術耗能情況如表3[20、62、63、64、65、66]所示。從耗能情況來看，膜技術脫鹽具有較好的經濟效益[14～16]。反滲透作為最節能的脫鹽技術[17,18]，其淡化水量占目前淡化總量的60%以上，其裝置耗能1.5～5 kW·h/t，能耗占產水總成本的30%～50%[19]。該系統可通過能量回收裝置回收高壓濃海水的壓力能，從而大幅度降低反滲透海水淡化的產水能耗和成本[20]，具有廣闊的應用前景。

圖4 全球(a)與我國(b)海水淡化技術產量占比

當前全球海水淡化設備主要以化石燃料為能源，年耗能約為3550億 kW·h時，每年產生CO2共計3.1億t，降低用能成本或采用清潔能源是降低海水淡化成本和環境影響的關鍵。

表3 海水淡化技術能耗

3.2.2 負荷特性

蒸餾法耗能巨大，用能分為蒸發用能和動力設施用電。蒸餾法的電負荷主要為電動機負荷，在正常工況下，應維持一定功率，以保證適宜的進水量和壓力，但可根據需要在一定范圍內進行調節。以多級閃蒸為例，可根據高溫蒸汽的進汽開關，調節動力設備的輸出功率，必要時可中斷。因此通常與火電廠配套建設，利用火電廠的余熱進行蒸餾，或直接使用太陽能對海水進行加熱蒸餾。

反滲透法海水淡化裝置主要由給水泵、高壓泵、反滲透膜和能量回收裝置等設備組成。給水泵通過變頻器接入電網，是負荷能耗的主要組成部分。反滲透法正常工況下為恒定負荷，具有一定可調節性，最小負荷可降低至額定負荷約40%左右，但為了保障出水質量，負荷不宜中斷。

總體來看，海水淡化負荷具備較好的調節能力，屬于柔性負荷，可以參與需求側響應等服務，對提升電網彈性有較大幫助。同時，可以通過科學配置儲能的方式，進一步提升海水淡化系統的調節能力。

4 海水淡化與清潔能源協同發展

全球清潔能源極為豐富，理論可開發量超過1.5×105萬億kW·h/年，僅開發其中的萬分之五就可以滿足人類社會全部能源需求。預計到2050年全球清潔能源的利用將占一次能源消耗的72%。推動海水淡化與清潔能源協同發展，可以解決海水淡化高能耗帶來的高排放問題，推動海水淡化在更大范圍應用推廣，從而實現淡水的清潔永續供應。目前清潔能源類別與主要利用方式如表4所示。

表4 清潔能源類別及其主要利用方式

基于清潔能源的可靠性、水源的鹽度、過程后處理、經濟性和工廠生產能力[22]，圖5總結了利用清潔能源驅動不同脫鹽過程的潛在途徑。主要分為太陽能海水淡化系統、風能海水淡化系統、海洋能海水淡化系統、生物質能海水淡化系統以及地熱能海水淡化系統。

圖5 清潔能源與海水淡化過程的可能組合形式

4.1 太陽能海水淡化系統

太陽能海水淡化可以分為直接法和間接法，如圖6所示。直接法中太陽能以熱能形式收集利用，與脫鹽過程在同一個裝置內進行。其中，太陽能蒸餾是直接法中最為廣泛使用的一種，不消耗常規能源，并且結構簡單、操作容易，適用于太陽光充足而又缺乏動力和電能的沿海偏遠地區[23]，具有技術和經濟優勢。根據是否使用太陽能集熱器，太陽能蒸餾可分為被動式和主動式。被動式太陽能蒸餾[24]通過太陽能直接對海水加熱產生蒸汽，冷凝后獲得淡水，雖然產水質量高，但產水量較低，單位面積產水量約2～5×10-3t/d。因此已開發多種主動式太陽能蒸餾用于克服被動式產水量低的問題，其中提高能源利用效率，是提升產水效率的重要方式。有研究提出雙斜坡太陽能蒸餾與平板集熱器結合的主動式太陽能蒸餾反應器比傳統被動式的熱效率要高23.5%，其中震蕩熱管(OHP)中以氧化鐵分散納米顆粒作為基礎流體能有效增強傳熱效果，還可通過鋁制平板與脈動熱管形成管道互連，減少單向流體阻力，進而增加流體的總傳熱[25～27]，有效降低單位能耗。

間接法中太陽能收集的過程和脫鹽的過程是分開的，太陽能可通過太陽能集熱器轉換為熱能，也可以通過光伏(PV)發電轉換為電能，用于驅動脫鹽過程。熱能驅動包括MSF，MED，MD等方法，電能驅動包括RO，ED等方法，與RO和MED系統組合是當前主流的兩種方法。

圖6 太陽能海水淡化導圖

太陽能RO組合系統主要是依靠光伏組件將太陽輻射產生的熱轉化為電能從而驅動輸水泵[28]，在目前已投入生產的組合方式中太陽能與膜法RO技術組合方式占總裝機量的32.3%。余熱可使進料液的溫度升高，有利于膜通量的提高，還可以通過有機朗肯循環(ORC)將其轉換為機械能用于驅動RO中的高壓泵[29]。將清潔能源用于小規模RO淡化系統是實現其商業化的有效途徑，小規模的PV-RO系統用于偏遠地區[30]，每天可持續運行10 h，產淡水5.1 t，耗能為1.1 kW·h/t，相比柴油驅動RO系統，光伏驅動RO系統產水成本更低[31]。

太陽能MED系統的優勢在于可在低溫(60～90 ℃)下進行脫鹽，而且具有較高的技術可靠性和產品安全性[32]。Frantz.C[33]等人對太陽能MED系統各參數進行了數值模擬，分析得出當加熱蒸汽溫度從65 ℃提升到90 ℃時，產水量提高了一倍；當熱轉換器表面積增加30%時，產水量提高50%。同時，為了降低太陽能集熱器和脫鹽單元的能量損耗，提高能源效率，Chen.Q等人[34]研究提出采用噴霧低溫太陽能脫鹽系統來提高脫鹽效率，降低單位能耗。

4.2 風能海水淡化系統

風能可以直接或間接地通過四種能源介質為海水淡化廠提供動力：電能、熱能、重力勢能和動力能(軸功率)[35]，如圖7所示。其中電能主要為分離式系統，通過將風能轉化為電能驅動脫鹽單元進行海水淡化。主要有兩種實施方式：一種是并入電網，另一種是不并網，作為獨立能源直接為海水淡化廠供電。其他幾個動源主要為耦合式系統，通過將風能轉化為機械能實現供能。風能的不連續性和不穩定性導致風力發電機電功率不恒定，進而影響海水淡化系統的性能，因而整個系統中需要加入蓄電池、柴油發電機或飛輪等備用供電系統[36]。風能脫鹽系統作為沿海地區最常見的可再生脫鹽設備之一，其可減少75%的廢氣排放[37]。Shahabi.M.P[38]等人評估了可再生能源海水淡化廠的環境效益，結果表明，可再生能源海水淡化廠與電網方案相比，實現了溫室氣體90%的減排。

圖7 風能海水淡化導圖

風能不僅可以用于驅動ED或MVC等不同海水淡化系統，還可以與光伏結合驅動RO和MVC等系統，與ORC結合驅動RO系統[39]，以彌補風能波動的缺點，維持穩定的能源供應。

從經濟性和低能耗等角度考慮，目前風能主要與RO結合，通過改進與創新膜材料能夠提高該類結合方式的脫鹽效率[40]，包括石墨烯在內的工程納米材料有潛力改進現有的脫鹽技術[41～43]，在目前已投入生產的組合方式中風能與膜法RO技術組合方式占總裝機量的18%。

4.3 海洋能海水淡化系統

利用海洋能驅動海水淡化具有廣闊的應用前景，其解決了能源與物料的雙重問題(圖8)。潮汐能和波浪能主要以勢能和動能的形式被收集與轉換為電能，也可直接通過軸功驅動泵對海水增壓，將壓力足夠高的海水送入膜系統產生淡水[45,46]。利用不同深度海水溫度的不同引起熱交換從而產生的熱能，可提供大規模的、穩定的電力，也是海洋能與海水淡化結合的重要形式。2015年8月，美國夏威夷建成世界上最大連接電網的海洋熱能轉換(OTEC)電廠；同年10月，日本在沖繩建成了OTEC電廠，集清潔能源、海水淡化與海產品生產于一體[48]。

圖8 海洋能海水淡化導圖

4.4 地熱能海水淡化系統

地熱能具有蘊藏量豐富、分布廣泛等特點，可直接利用熱能驅動海水淡化系統，也可通過投入熱電聯產模式被間接使用[49～51]。根據目前利用現狀，地熱能可分為低溫(100 ℃以下)、中溫(100 ℃～150 ℃)和高溫(150 ℃以上)[52]。地熱能與海水淡化系統的結合采用直接與間接方式，直接法是利用中高溫地熱以蒸汽的方式直接驅動MSF和MED等熱法蒸餾系統，間接法利用高溫地熱發電間接驅動RO和ED等海水淡化系統。隨著膜技術的發展，目前已開發出可以承受溫度高達60 ℃的商業化RO膜[53]，可直接應用于地熱海水淡化系統，且濾液的溫度升高有助于提升膜通量[54]。Salehi.S[55]等人通過構建雙閃式地熱發電廠，結合吸收熱轉化(AHTs)和海水淡化系統，實現了水電聯產。沙特阿卜杜拉國王科技大學開展了基于地熱與太陽能混合系統的研究，以12 h為一個周期交替循環供能，且不需要儲存單元[56]。

4.5 生物質能海水淡化系統

目前大多數生物質能海水淡化系統，采用的是混合清潔能源系統(HRE)的形式，將生物質與太陽能、風能和地熱等清潔能源聯合利用[57]，實現高效運行，解決由氣候條件導致的太陽能與風能不穩定供應問題[58]。另一方面，可利用微生物在生長過程中氧化有機物質觸發電子流，使得中間室的陰離子和陽離子分別向陽極和陰極移動，進而透過離子交換膜實現脫鹽，達到99%的脫鹽率[59]。生物脫鹽燃料電池(MDCs)海水淡化聯用是可實現水質凈化、海水脫鹽和產生電能于一體的新型技術，在偏遠荒蕪地區，可作為膜脫鹽工藝的前處理[60]。Kokabian.B[61]等人在MDCs的基礎上，提出了光合微生物脫鹽燃料電池(PMDCs)，進一步提高了該類系統的產能。

5 結語

海水淡化作為可實現水資源可持續利用的開源增量方式，在改善生態環境、促進社會文明和經濟發展方面具有重要的戰略價值，是全球解決淡水資源短缺的重要途經。隨著缺水問題的日益嚴重，以及海水淡化技術的逐步成熟、成本下降，海水淡化在沿海缺水城市、海島地區大規模發展，并通過向內陸城市遠距離輸送淡化水，或是淡化當地苦咸水或微咸水，進而解決城市市政供水問題。

近年來，海水淡化產業保持著20%～30%的年增長率，遠高于普通設備制造業增長，具有廣闊的商業前景。全球海水淡化的主流技術RO及MSF，其耗能成本占系統運行總費用的40%，因此改進關鍵淡化技術與設備、促進能源清潔化、提高能源利用率，是實現海水淡化技術可持續發展的重要手段。

將以太陽能和風能為主的清潔能源與海水淡化相結合，進一步推動清潔能源與海水淡化聯合利用，可從以下三個方面加強研究：一是提高海水淡化系統可調節能力。通過改進材料和工藝流程，如優化RO膜結構、提高蒸餾系統性能，使海水淡化蒸餾系統能夠在更低溫度和更小壓力下，保證出水質量，從而提升整個系統的可調節性，克服清潔能源的波動性和隨機性。二是采用聯合供能模式。建立風能和太陽能聯合供能系統，充分利用風光出力互補特性，實現海水淡化連續穩定運行。三是合理配置儲能裝置。按比例配置儲能，平抑太陽能和風能的波動性。