淡水；新想法. 可再生能源能否成为水脱盐的未来？

阿联酋迪拜 16 十一月 2020

我们的饮用水快用完了。

农业、工业、城市化和人口增长都在增加需求，气候变化却在减少供应。全球变暖导致气温每升高一摄氏度，全球就有 7% 的人口会看到 20% 的可再生水资源枯竭。^[1]如果我们要与水资源短缺作斗争，就必须减少消耗，减少浪费，重复使用并创造更多。

用麦肯锡公司鲜明的话来说，“淡水的供应量一直在稳步减少，而需求量却在稳步上升。20 世纪，全球人口翻了两番，但用水量却增加了六倍。” ^[2]

难以置信：严酷的缺水事实

每 3 人中有 1 人无法获得安全的饮用水。^[3]
中东每年消耗 2,030 亿立方米的饮用水^[4]
占世界人口四分之一的十七个国家/地区面临着“极高”的基准水压力水平。^[5]
到 2050 年，世界许多流域的水供应量减少可能高达 25%。^[6]
缺水可能会使某些地区的 GDP 损失高达 6%，并导致出现大规模移民和冲突。^[7]

“海水”；生产水

IDA logo 水脱盐是从盐水中提取盐以产生淡水的过程。根据国际脱盐协会的数据，全球有 3 亿多人依赖水脱盐。^[8]

最受欢迎的方法是热脱盐和反渗透。热脱盐是利用热量将海水或微咸水中的淡水蒸发。

反渗透是通过在高压下迫使海水或微咸水通过反渗透膜来分离淡水。

全球共有 17,000 多家脱盐厂，每天生产 1.07 亿立方米的脱盐淡水。^[9]

没有它，许多国家根本无法运转。中东地区仅占总产能的一半，而亚洲、中国、美国和南美正在迅速扩大其脱盐能力。

因此，显然，我们拥有相关技术和几乎无限量的水供应。那么问题是什么？

两个主要障碍是成本和可持续性，或缺乏可持续性。一个简单的事实是，脱盐会消耗大量能源。在海湾合作委员会国家 (GCC) 国家中，约 50% 的一次能源是用于热电联产电厂和脱盐厂。^[10]反渗透比热脱盐的效率高，但一切都是相对的：每处理一千加仑水，反渗透装置的平均耗电量多达 13 千瓦小时。^[11]谁为这样的能源买单？从某种意义上说，我们都为此买单。以碳为材料的脱盐厂产生的全球二氧化碳排放量到 2020 年可能达到 2.18 亿吨。^[12]加速气候变化的昂贵解决方案远不够理想，特别是对于缺水最严重的许多中低收入国家而言。

幸运的是，全世界已经意识到这一挑战。

“释放更多的二氧化碳来解决很大程度上是由气候变化引起的问题，显然是不可持续的，也是自欺欺人的。尽管面临挑战，但我坚信有很多理由值得肯定。技术和研发方面的最新进展表明，可再生能源脱盐即将迎来可能改变全球水系统的重大突破，”Abdul Latif Jameel 副总裁兼副董事长 Fady Jameel 如是说。

Water Desalination in numbers

可再生能源脱盐的巨大潜力

全球清洁水脱盐联盟已设定一个目标，即在 2020 年至 2025 年之间，将有 20% 的新脱盐厂由可再生能源提供动力。^[13]该联盟由国际脱盐协会成立，成员包括能源和脱盐行业、自来水公司、政府、金融机构、学术界和研发机构，“目标是减少现有水脱盐厂产生的二氧化碳排放，并通过协调行动扩大清洁脱盐技术的使用。”^[14]

在全球范围内，目前用于脱盐的可再生能源份额约为 1%。^[15]开拓进取的政府都乐意支持这一尚未开发的潜力。沙特阿拉伯已经提出“2030 年愿景”目标，即到 2023 年产生 9.5GW 可再生能源。

在西澳大利亚州，所有新脱盐厂都必须使用可再生能源。从欧洲到印度，再到中国，许多其他国家都在效仿。根据《巴黎气候变化协定》，这些国家可能有义务减少排放量。他们当然是受到水资源短缺的人道主义和经济危机的驱动。

他们将利用哪种能源？

水脱盐的可再生能源选择

理论上，脱盐可以由风能、波浪能、地热能或太阳能提供动力。每种方法都有优缺点，如下所述。

风能

风能是一种流行的、已确立的可再生能源，可以产生电能用于反渗透脱盐。大多数由可再生能源提供动力的大型脱盐项目都采用风力发电。^[16]以风能为动力的脱盐因其靠近能量源、水源和用户群而特别适合沿海和岛屿社区。

根据国际可再生能源署 (IRENA) 的数据，著名的以风能为动力的脱盐厂包括 Gran Canaria（风能 – 反渗透，海水，5–50 m³/d）和 Fuerteventura（风能 – 柴油混合动力系统，海水，56 m³/d）（这两个厂均在西班牙加那利群岛），以及英国的可再生能源系统技术中心（风能 – 反渗透，海水，12 m³/d）。^[17]

在澳大利亚，珀斯海水淡化厂是该国首家此类脱盐厂，由 80 兆瓦的 Emu Downs 风电场产生的电量提供动力。风电场每年为电网贡献 270 吉瓦时电量，远远超过了脱盐厂每年 180 吉瓦时的用电需求。^[18]同样，悉尼海水淡化厂完全由风电场提供动力，这也使新南威尔士州的风能供应量增加 700% 以上。

波浪能

海洋蕴含着巨大的动能。平均波高 4 英尺、周期 10 秒的海浪撞击海岸时在每英里海岸能产生超过 35,000 马力的能量。^[19]尽管波浪能很难利用，^[20]但在西澳大利亚州已有一个很有前景的试点项目。据 Water Technology 公司称，2014 年，Garden Island 已成为世界上第一个“商业规模的以波浪能为动力的项目，展现了通过海浪产生电能和淡水”。^[21]还计划在非洲西海岸的佛得角建立波浪能脱盐系统。开发商 Resolute Marine Energy 称，所谓的 Wave20 工厂生产饮用水的价格将是使用传统系统时价格的三分之一。该系统利用波浪能对水加压，并将其泵送到岸上的处理厂，同时一系列桨叶在波浪的作用下来回移动以产生用于过滤海水的电能。^[22]

地热能

地热能可以产生电能和热能，使其既适合热脱盐也适合反渗透。希腊 Milos Island 的一个项目证明了地热能用于水脱盐的可行性，以很低的成本每天为当地社区生产 1,920 立方米淡水。^[23]但是，该工艺受位置的限制很大。

太阳能

太阳能被普遍认为是可持续水脱盐的长期可再生能源，潜力最大。太阳能脱盐主要有两种类型：聚光太阳能 (CSP) 和光伏 (PV)。CSP 产生直接热能，通常在热脱盐过程中用于使水蒸发。PV 采用太阳能板产生电力，为泵提供反渗透动力。据世界银行称，“基于 PV 的反渗透太阳能脱盐是太阳能的主要选择，也是进一步研究的重点。”^[24]

在最需要水脱盐的阳光充足的干旱地区，太阳能资源丰富。这些地区也往往有着较大面积的沙漠或荒野，提供了建造新工厂所需的空间。据 Applied Water Science 杂志称，“大约有 75% 的热脱盐工厂是安装在阿拉伯国家，其中一半活跃在沙特阿拉伯。”^[25] 由 CSP 提供动力的热脱盐通常不如反渗透高效，但能更好地处理此类地区更咸的水，这些地区水含盐量可能高达 45 克甚至 50 克每升 (g/L)。盐浓度过高会损坏反渗透膜。^[26]

大多数太阳能脱盐项目是中小型项目，但规模越来越大。最大的光伏厂位于沙特阿拉伯。Al Khafji 于 2017 年投产，通过反渗透技术，每天生产 60,000 立方米饮用水。^[27]还有更多项目正在进行中。位于阿卜杜勒国王经济城 (KAEC) 的 Metito 工厂即将开工建设，产能为每天 30,000 立方米饮用水，可扩展到每天生产 60,000 立方米饮用水。^[28]

Abdul Latif Jameel 在通过 Almar Water Solutions 应对水脱盐挑战方面发挥着越来越重要的作用。

Almar Water Solutions 是 Abdul Latif Jameel Energy 旗下一家公司，是一家专业的水基础设施开发技术提供商，包括设计、融资和运营。它是 Fotowatio Renewable Ventures (FRV)（一家专业的可再生能源企业）的姊妹公司。

2019 年 1 月，Almar Water Solutions 获得在沙特阿拉伯开发 Al Shuqaiq 3 IWP 的合同，这也是世界上最大的反渗透脱盐厂之一，位于红海沿岸城市 Al Shuqaiq 附近。当 2021 年建成时，工厂每天将提供 450,000 立方米的清洁水。

这项 6 亿美元的获奖投资项目自首次破土动工以来已有一年时间，约有 2,300 名工人参加建设，现场安全工时超过 300 万。

Almar Water Solutions 也已签约在肯尼亚第二大城市蒙巴萨建造该国第一家大型脱盐厂。投入运营后，工厂将能为 100 多万人提供 100,000 立方米的饮用水。

老方法有时候是最好的

太阳能蒸发器是最古老的太阳能脱盐技术。它们利用太阳能将淡水蒸发，使其冷凝在外壳的顶棚上，然后将其收集在底部。太阳能蒸发器成本低，产量低且低碳，使得它们更适合小型、低收入、电网外社区。反渗透膜^[29]和金属有机框架方面的最新创新使得可以滤除盐和其他杂质。^[30]麻省理工学院 (MIT) 和中国的研究人员已经开发出一种“完全被动的太阳能脱盐系统”，该系统“每小时能为每平方米太阳能收集区提供超过 1.5 加仑的新鲜饮用水。”^[31]

该地区的一些项目由 MIT 的 Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) 提供资金，由 MIT 和 Community Jameel 于 2014 年共同创立。

可持续解决方案能否克服持续存在的问题？

对于任何脱盐厂来说，可行的关键因素（如位置、物流和技术）都必须解决，由可再生能源提供动力的脱盐设施也面临着甚至更大的挑战，即严峻的经济现实。可再生能源能成为化石燃料的实惠替代品吗？

一切都取决于水、能源和资金的提供。

便宜，昂贵的水

所有脱盐项目都必须经济有效地取得水并安全地处理咸水。由于密度缘故，水相对于其价值而言运费较高，而且较低质量的水需要进行预处理，这进一步增加了成本。使用化石燃料的脱盐厂通常位于城镇外的发电厂附近。新的可再生能源项目可以更接近最终用户，从而降低配送成本和废弃物泄漏风险。

减少产生的废弃物也是关键所在。如果水脱盐以目前的速度增加，到 2050 年每年将产生多达 24 万立方米的盐水和其他废弃物。此类废弃物可能会破坏海洋环境。研究表明，采用依靠太阳能或低级工业热运转的“吸附剂循环技术”（一种使用多孔或“吸附剂”固体的化学基热泵），可以节省 99% 的能源和超过 150% 的化学废品排向海洋。就热工艺而言，这种混合方法将能源效率提高到 39%，并减少 80% 以上的化学废品。^[32]

无限但不可靠的能源

由可再生能源提供动力的脱盐技术面临的最大障碍是能源供应的间歇性。持续开发有几种策略可以缓解或克服此问题：

接入电网

反渗透项目依靠电池来储存电能。电池技术在不断改进，但费用仍然很高，这意味着许多工厂需要接入电网来补充电量。当可再生能源电厂所产生的能量超过其使用量时，它们可以将其出售给电网。在规模足够的情况下，这甚至可以弥补脱盐的成本。（工厂还可以将多余的太阳能储存在淡水中；当电力需求量较低时，工厂只需生产更多淡水即可。）

接入电网可以让希望投资可再生能源脱盐的国家/地区安心。例如，沙特阿拉伯和巴林的饮用水完全依靠脱盐，因此无法承受任何供应风险。不过，尽管可再生能源脱盐仍然依赖外部能源，但它不是真正的可再生。幸运的是，有两种方法可以减少对电网的依赖，或许甚至可以完全消除这种依赖。

储热

专家认为，由于 CSP 能量曲线扁平，因此它是最可行的太阳能技术。相比 PV 工厂（例如，受越过云层的影响更大），CSP 工厂可以提供更连贯的能量。简而言之，如果 CSP 工厂可以储存足够多的热能，它就可以在没有阳光的情况下继续运转，甚至是在晚上。目前，大多数储热系统的效率在 8% 到 16% 之间。根据世界银行的说法，“一二十年后，技术进步有望将效率提高到 15% 到 25% 之间。”^[33]

在开发用于热蒸馏设备的基于聚合物材料的新型换热表面方面，正在进行大量研究。这种开发可以大大减少投资成本对淡水最终成本的影响。^[34]氧化镁 (MgO) 已被提出作为一种高效的储能系统，用于储存太阳能热能供断供期间运行。白天产生的热能在晚上通过放热吸附进行释放，这可以帮助为 24 小时运转提供动力并减少碳排放。^[35]

混合型工厂

可以组合使用不同的脱盐技术来提高单一能源的有效率。CSP 热电联产将蒸汽轮机（将电力输送到电网）产生的废热进行重新使用，并将其用于低温多效蒸馏（MED，一种热脱盐技术）。例如，Sundrop Farms 利用澳大利亚充足的阳光让 CSP 和 MED 生产淡水和热能来种植西红柿，证明了大型混合可再生能源项目的可行性。^[36]

结合使用不同脱盐方法也有助于减少其不足。例如，以光伏为动力的反渗透工厂在理论上比 CSP 工厂更高效，但前提是它们必须具有更好的水质。CSP 工厂在处理微咸水方面更有效。但是，热脱盐用的热能必须在工厂的现场。CSP 在沿海地区的效果不佳，因为沿海地区的阳光不那么强，盐空气会引起腐蚀。解决方案是将内陆 CSP 工厂与沿海以光伏为动力的反渗透工厂结成对子；这样就能很容易地输送光伏发电，而 CSP 产生的热能仍留在现场。^[37]

在智利，FRV 结合风能、太阳能和电池能提供全天候可再生能源，无论天气、风速或日光如何。^[38]像这样的混合可再生能源可以为脱盐操作提供无限的“绿色”动力。得克萨斯州微咸的地下水是混合风能和太阳能发电厂水脱盐的另一个主要候选对象。该州经常遭受干旱影响，但拥有充足的阳光，是美国风力发电量最大的州。^[39]该州也是此类项目在美国成本最低的地区。

自由流动的创新

克服脱盐带来的能源挑战的另一种方法是使流程本身更高效。

自 20 世纪 70 年代以来，持续的创新已将反渗透的能耗降低 10 倍，成本在接下来 20 年时间里预计将下降高达三分之二。^[40]实现此目标的方法有多种。例如，阿布扎比的 Mascara Renewable Water Plant 工厂使用等压能量装置从高压盐水中回收能量。

许多研究人员专注于如何保护反渗透膜不受盐和生物活性物质的影响，从而提高效率并降低成本。^[41]MIT 的 Abdul Latif Jameel Water and Food Security Lab (J-WAFS) 教授 Xuanhe Zhao 发表了关于振动式反渗透膜清洗技术的研究，有可能提高反渗透膜的效率和使用寿命并降低反渗透的成本。^[42]Mascara 工厂在日落前对反渗透膜进行自动冲洗，以免造成生物污染，并全天调节供水量以适应电力供应。^[43]

另一个有 J-WAFS 研究人员参与的项目是在中国的一种被动式太阳能脱盐系统，它每小时能从一平方米的太阳能板生产超过 1.5 加仑的新鲜饮用水。这种高效的系统利用每个阶段释放的热量为下一阶段提供动力。据 MIT 称，“此类系统有可能为管网外干旱的沿海地区提供高效、低成本的水源。”^[44]

正渗透是另一种有前景的研究领域，可能挑战传统的光伏反渗透。跟反渗透一样，正渗透也采用半透膜，但使用的是能量需要要少得多的“抽吸”解决方案，而不是液压。^[45]

烧钱，还是光明的前途？

与化石燃料相比，风能最经济。根据世界银行 2019 年的一份报告，用于此目的时太阳能通常要贵一倍。^[46]不过，到 2025 年，太阳能热脱盐的成本预计将下降 40% 或更多，到 2050 年将下降一半以上，达到每立方米 0.90 美元。^[47]在某些接入电网就已经非常昂贵的偏远地区，太阳能已经是最便宜的选择。沙特阿拉伯 Sakaka 项目创纪录的 1.75 美分/千瓦时 (kWh) 的电价表明，可再生能源可以在经济上与化石燃料竞争。^[48]

“对我来说很清楚：水脱盐的将来在于可再生能源。在中东地区，这只不过是时间问题。五年之内，电池技术将得到进一步发展，届时我们将有一个独立的太阳能和光伏脱盐工厂。我对此毫无疑问。”Abdul Latif Jameel Energy 旗下公司 Almar Water Solutions 的首席执行官 Carlos Cosín 如是说道。

光伏在埃及可能胜过柴油

《国际经济与管理科学杂志》(International Journal of Economics & Management Sciences) 的案例研究阐述了太阳能脱盐的潜力。研究表明了，相比传统柴油发电厂每立方米 1.118-1.555 美元的可变成本（根据燃料价格变化），概念性的光伏反渗透工厂如何以每平方米 1.213 美元的成本生产水的。^[49]

案例研究以埃及为中心，Abdul Latif Jameel Energy 最近宣布在埃及收购了 58 家脱盐厂。该国“2,500 千瓦时/平方米的极高年均高辐照度太阳能隔离”，使其非常适合太阳能脱盐。该国迫切需要这项技术；尼罗河已经不足以满足该国不断增长的用水需求。^[50]

许多以可再生能源为动力的开发项目得到了相关组织的支持，这些组织帮助负担不起这些项目的社区。非营利性的 GivePower 为全球贫困社区提供由电池提供动力的太阳能脱盐系统。^[51]肯尼亚就有这样一家脱盐厂，两年来每天提供多达 19,800 加仑的饮用水，足够约 25,000 人使用。^[52]援助总是受欢迎的，但单靠慈善却无法解决以可再生能源为动力的脱盐所面临的经济挑战。政府必须有所行动。