希臘海水淡化的能耗分析

[希臘] A.卡塔麗迪斯 等

水文水資源

希臘海水淡化的能耗分析

[希臘] A.卡塔麗迪斯 等

希臘群島廣泛采用海水淡化技術(shù)，尤其是反滲透技術(shù)，解決本島的缺水問題。然而，這是一個高能耗的技術(shù)，需要消耗大量礦物燃料。以錫羅斯島為例，說明了海水淡化廠運行中水能間的密切聯(lián)系，同時也討論了利用可再生能源作為降低海水淡化能耗的一種手段。

島嶼；海水淡化；反滲透；可再生能源；水能關(guān)系；希臘

1 研究背景

經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會福址依賴于水和能源，二者間關(guān)系既復(fù)雜又重要：發(fā)電需要大量的水，供水需要大量的能源。水能關(guān)系分析要求整體審視能源生產(chǎn)和消耗產(chǎn)業(yè)鏈，關(guān)注核心運行組件，如基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)。

尤其對于供水鏈來說，迫切需要各環(huán)節(jié)的能源需求計劃，而各環(huán)節(jié)耗能與水源水量和水質(zhì)有關(guān)?？傮w來說，隨著時間的推移，供水鏈各環(huán)節(jié)趨向于更多的能源需求。供水需求的上升、更深層鉆孔的地下水資源抽取、跨流域遠(yuǎn)程調(diào)水、更嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及更多的污水排放限制，都使能耗加大。盡管如此，提高能源使用效率的方案眾多。正如水資源歐洲創(chuàng)新伙伴關(guān)系所強調(diào)，通過在水和污水處理過程中引進(jìn)低能耗技術(shù)，并通過增加再生資源使用或提高其使用率，均可在一定程度上提高供水系統(tǒng)能源使用效率。

供水鏈中的耗能隨水源(類型、季節(jié)可用性、水質(zhì))和終端用戶特征(基礎(chǔ)設(shè)施和消費方式)的不同而有所變化。2014年IPCC開展的氣候變化對水資源的影響預(yù)測結(jié)果表明，由于用水戶間競爭加大及水能關(guān)系間的循環(huán)作用，預(yù)計到2035年能耗將增加35%，進(jìn)而可能引起用水量、相應(yīng)水處理和分配的能源需求增加85%。鑒于水能間的交互關(guān)系，分析缺水地區(qū)的水能關(guān)系尤其重要。

缺水地區(qū)主要有下列3種供水管理方式：

(1) 將水從相對豐富地區(qū)調(diào)入相對缺水地區(qū)；

(2) 集約化利用可獲得的水資源；

(3) 利用替代水源(海水淡化、中水回用)。

以上3種方式均增加了供水系統(tǒng)的耗能，導(dǎo)致消費者或政府的用水成本更高。因此，任何用水和用電效率的提高，不僅可使消費者或政府需支付的用水成本下降，還可能產(chǎn)生環(huán)境效益。

本文討論了希臘水能關(guān)系，重點關(guān)注其主要缺水地區(qū)，包括愛琴海干旱和半干旱島嶼。目前，海水淡化為這些島嶼提供了最有效的供水方法，盡管其是最耗能的方法之一，但滿足了公共供水需求。以錫羅斯(Syros)島嶼為例，說明了淡水產(chǎn)量和能源消耗間的關(guān)系。分析結(jié)果表明，應(yīng)該提高希臘島嶼單個供水系統(tǒng)的能源使用效率。

2 希臘供水系統(tǒng)的能耗分析

2.1 水資源短缺

希臘海岸線長約14 000 km，大約有2 500個島嶼，總面積21 580 km2。2012年島上人口約163萬。

希臘群島為地中海氣候(冬濕、夏干)，年降水量小(其中愛琴群島小于400 mm)。降水量少加上特殊的地質(zhì)條件，使得一些島嶼無法獲得合適的地表或地下貯水空間。此外，夏季用水高峰(灌溉和旅游)、陳舊供水系統(tǒng)滲漏導(dǎo)致大量的水量損失、集成供水管理系統(tǒng)的缺乏以及超采引起含水層下降，均使當(dāng)?shù)氐娜彼畣栴}更加嚴(yán)重，造成當(dāng)?shù)厮Y源漸現(xiàn)缺乏的跡向。

每個島嶼特征不同，解決缺水問題的方式也各不相同。大致可歸納為以下幾種途徑：①使用反滲透法(RO)或熱工工藝淡化海水或苦咸水；②用油輪從內(nèi)陸或鄰近島嶼調(diào)水；③能貯存地表水和雨水的大型水庫和湖泊；④鉆井。

最大的幾座島嶼用地表水作為生活用水會受到限制，愛琴群島多數(shù)島嶼從鉆井抽取地下水，或?qū)⒖嘞趟?海水處理后的淡水作為生活用水。很多島嶼從大陸或附近島嶼調(diào)水解決供水問題。盡管該方法費用昂貴，不具可持續(xù)性，但依然被普遍采用，因為有些政府官員不愿意采納海水淡化這樣的方案。

2.2 高能耗的海水淡化

20世紀(jì)60年代，人們認(rèn)識到調(diào)水性價比低，認(rèn)為海水淡化在解決希臘島嶼缺水方面具有一定潛力。首先嘗試的是太陽能蒸餾法，即用太陽能蒸餾器裝入海水進(jìn)行淡化。用太陽能蒸發(fā)海水，將淡水從鹽和其他雜質(zhì)中分離。蒸汽擴(kuò)散到收集器頂部傾斜的玻璃表面上冷卻為液體，排入邊緣的蒸餾槽中。1964～1973年，錫米(Symi)島、卡斯特洛里佐(Kastelorizo)島、基莫洛斯(Kimolos)島、埃伊納(Aegina)島和帕特莫斯(Patmos)島均安裝了規(guī)模不等的太陽能蒸餾器系統(tǒng)。太陽能蒸餾器日制水能力大約3 L/m2。但因各種原因系統(tǒng)以失敗而告終，其中包括人員經(jīng)驗缺乏、不良設(shè)計導(dǎo)致的運行故障、沒有維護(hù)手冊、與運水郵輪業(yè)主間的利益沖突(海水淡化廠運行成功將導(dǎo)致其運水量顯著減少)。

其次，嘗試了多級閃蒸法。1969～1970年錫羅斯島建造了日產(chǎn)量1 200 m3的多級閃蒸裝置。裝置依靠燃料油運行，直到1984年出現(xiàn)幾個技術(shù)問題才停產(chǎn)，問題主要出在熱交換器的比例上。以上技術(shù)問題再加上淡水分離設(shè)備及燃料油的高昂成本，使該法過渡到反滲透法(RO)。

1977～1978年科孚(Cofu)島建造了反向電滲析海水淡化廠，用以處理低鹽度的微咸水(最高鹽度2 000 mg/L)，淡水日產(chǎn)量15 000 m3。幾年后由于機能問題工廠停產(chǎn)，其單位能耗1.7 kW·h/m3。

為滿足公共供水，1981～1982年伊薩卡(Ithaca)島和米科諾斯(Mykonos)島首次建造RO裝置。伊薩卡島RO廠單位實際能耗為15(kW·h)/m3，機組裝機510 kW。自此RO技術(shù)成為海水淡化的首選。30多年來，公共供水、私人旅館和豪宅一直使用該技術(shù)解決供水問題。采用RO技術(shù)的理由如下：①模塊化操作可滿足用水需求的季節(jié)性變化；②需水量相對較?。虎酆啙嵭驮O(shè)計；④快速安裝(2～3月)；⑤相對于其他海水淡化法，能耗低；⑥操作簡便。

目前希臘30個島嶼海水淡化廠的日生產(chǎn)能力大約52 000 m3，其中微咸水9 000 m3，海水43 000 m3。22個島嶼的海水淡化廠自帶電廠，其余8個通過水下電纜與大陸輸電網(wǎng)連通。海水淡化技術(shù)發(fā)展速度相當(dāng)緩慢，直到21世紀(jì)早期，速度才得以提升，2004年雅典奧運會前幾年進(jìn)一步提速。大約10個島嶼計劃建造海水淡化廠，日總產(chǎn)量11 000 m3。

RO裝置能耗較高，幾乎完全消耗在3個泵級上(從海洋抽水至淡化廠、海水預(yù)處理和淡化、淡水轉(zhuǎn)至儲水罐)。多年以來，在利用更高效的能源回收裝置減少能耗方面取得了很大的進(jìn)步。如今，所有淡化裝置(即使最小的淡化裝置，生產(chǎn)能力也達(dá)到了100 m3)均使用有效可靠的能源回收裝置，明顯減少了能耗。該研究選擇7家海水淡化裝置進(jìn)行單位能耗對比。單位能耗中包括了升壓器和高壓泵所消耗的電能。

希俄斯(Chios)島、庫福尼西(Konfonisis)島和哈爾基(Chalki)島海水淡化廠的單位能耗估計小于5(kW·h)/m3，而提拉西亞(Thirasia)島、阿加索尼西(Agathonisi)島和阿克羅里蒂(Akrotiri)島則大于該值，這歸因于后者淡化廠規(guī)模小(生產(chǎn)能力小于250 m3/d)，使輔助能耗相對更重要。錫羅斯島首府埃爾穆波利(Hermoupolis)有記錄以來實際單位能耗9(kW·h)/m3，這是由于2002年其安裝使用了技術(shù)過時的能源回收設(shè)備，當(dāng)時壓力交換機技術(shù)不僅價格昂貴，且技術(shù)不成熟。

3 錫羅斯島海水淡化能耗分析

錫羅斯島城市供水主要來自海水淡化，島上自備輸電網(wǎng)，依靠柴油發(fā)電。目前，共有13臺RO裝置分布在島上的5個區(qū)域。其中12臺使用成熟的、可靠的、但也是低效的沖擊式水輪機作為能源回收設(shè)備，另1臺設(shè)備使用較先進(jìn)的壓力交換機。以上裝置總生產(chǎn)能力8 340 m3/d，單個裝置生產(chǎn)能力250～2 000 m3/d不等。據(jù)希臘配電網(wǎng)絡(luò)運營商2012年和錫羅斯水務(wù)公司2014年資料，島上水生產(chǎn)耗電占總發(fā)電量的比例大于11%，島上海水淡化廠滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)時所需電力為常規(guī)裝機功率的5.2%。

13臺海水淡化裝置總裝機2.08 MW(僅包括升壓器和高壓泵)。淡化能源成本是錫羅斯水務(wù)公司主要運行成本，總運行成本估計為1.2～1.6歐元/m3。供水成本中能源成本0.7歐元 /m3，平均能源成本0.086歐元/(kW·h)。給能源生產(chǎn)提供補貼，目的是給消費者提供類似于內(nèi)陸的電價。因此，能源成本高于實際支出，水成本中的能源部分高達(dá)1.7歐元/m3，大約是水中所含能源成本的240%。

用3個指標(biāo)(單位售水能耗、單位售水能源成本和人均耗能)反映海水淡化中的水能關(guān)系，分析中包括供水和污水處理過程。目前僅分析有資料的埃爾穆波利海水淡化廠。研究選擇完全依靠地表淡水的雅典供水系統(tǒng)，及依靠地下淡水和地表淡水作為混合水源的塞薩洛尼基(Thessaloniki)供水系統(tǒng)，進(jìn)行對比分析。

表1 評估指標(biāo)計算使用的資料匯總

3.1 評估指標(biāo)

選擇3個水系統(tǒng)進(jìn)行單位售水能耗(供水和處理)對比分析。雅典單位能耗0.75 (kW·h)/m3，為塞薩洛尼基的1/2，埃爾穆波利為其15倍，達(dá)到11.2 (kW·h)/m3。能源成本遵循以上相似模式。人均供水能耗也適用以上相似比例。埃爾穆波利是雅典的14倍，為塞薩洛尼基的2倍多。評估指標(biāo)說明了供水能耗受到水源的影響，海水淡化廠能源需求最高。

3.2 單位能耗月變化

錫羅斯島夏季用水量高于其他季節(jié)，這主要是游客的大量涌入造成的。如8月淡水產(chǎn)量大約高出2月份85%。海水淡化廠能耗也呈現(xiàn)類似的變化。2月所需電能560 MW·h，8月則高達(dá)910 MW·h，增加了62.5%。這表明海水淡化夏季效率優(yōu)于冬季。8月埃爾穆波利海水淡化廠比能約8.1 (kW·h)/m3， 2月份為9.7 (kW·h)/m3，減少了大約16.5%。分析成因主要有3個因素：①夏季海水淡化設(shè)備持續(xù)運行，啟動停止周期延長，設(shè)備清洗能耗最少；②夏季海水水溫較高，改變了水的粘度特征，降低了海水淡化過程中高壓泵所需要的比能；③埃爾穆波利海水淡化廠由幾個海水淡化裝置組成，各裝置生產(chǎn)能力和比能不同，比能低的裝置應(yīng)用比較廣泛，這也降低了海水淡化廠整體比能。

3.3 海水淡化供水水源

埃爾穆波利人均年生活用水量預(yù)計66.6 m3(表1)。該值與塞薩洛尼基市人均用水量相近，比雅典約少12%。當(dāng)?shù)鼐用窈陀慰驮谟盟?約120 L/d和200 L /d)方面存在顯著差異，這點很重要，因為這會給外界帶來錯誤認(rèn)識，即盡管錫羅斯水資源缺乏，但塞薩洛尼基和雅典市中心用水量較高。夏季用水高峰增加了人均用水量，如果繼續(xù)當(dāng)前的旅游發(fā)展模式，則可能需要新的供水水源(即新建海水淡化廠)。埃爾穆波利用水量從2009年到2013年增加了5.6%，這一用水趨勢說明了這一點。

在不考慮采取能效措施的情況下，新建海水淡化廠將會增加單個供水系統(tǒng)的能源需求。

3.4 用于海水淡化的再生能源

與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，使用可再生能源進(jìn)行海水淡化效益顯著。雖然可再生能源海水淡化系統(tǒng)建設(shè)成本較高，但運營成本較低，因其省去了昂貴的燃油成本。當(dāng)夏季用水需求較高時，風(fēng)速和太陽輻射也較高，因此可降低可再生系統(tǒng)的裝機功率。

總之，可再生能源已被認(rèn)定為支持海水淡化系統(tǒng)運行的合適能源，尤其是希臘群島，因為這些島嶼蘊藏較為豐富的可再生能源，主要為太陽能和風(fēng)能，某些情況下還可有地?zé)崮堋u上平均風(fēng)速5～7 m/s，但在某些區(qū)域可能更大。太陽能年輻射量1 400～1 700 (kW·h)/m2，某些島嶼還存在重要的高焓地?zé)釁^(qū)域，如米洛斯(Nilos)島、基莫洛斯島、尼西羅斯(Nrsiros)島和錫拉(Thira)島。自從引入太陽能蒸餾器，多次嘗試采用可再生能源進(jìn)行海水淡化，既有試驗性的，也有商業(yè)化規(guī)模。在許可程序上，可再生能源享有希臘政府特許的優(yōu)先權(quán)，并為其提供更高的并網(wǎng)費用，而推動由可再生能源驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)的發(fā)展。

3.5 試驗設(shè)備

1997～1998年基莫洛斯島使用多效蒸餾技術(shù)，用地?zé)嶙鳛槟茉垂┙o，在歐洲項目框架內(nèi)建成生產(chǎn)能力為80 m3/d的海水淡化裝置，并成功投入運行，估計淡水生產(chǎn)成本1.7歐元/m3。然而最終因諸多原因還是廢棄了這些裝置。1997年錫拉希亞島安裝了一臺由15 kW風(fēng)力渦輪機供電、日生產(chǎn)能力為4.8 m3的小型獨立試驗機組，并運營多年。1998年錫羅斯島安裝了一臺500 kW的風(fēng)力渦輪機，以給單機并聯(lián)式、日生產(chǎn)能力900 m3的RO裝置提供動力。然而系統(tǒng)間沒有實現(xiàn)耦合。

2007年建成1臺浮動式、由風(fēng)力和光伏發(fā)電設(shè)備供電的反滲透海水淡化裝置(80 m3/d)。該裝置為原型設(shè)計，可滿足干旱小島300個居民的用水需求。項目建在伊拉克利亞(Iraklia)島，作為試驗性項目。由于地方當(dāng)局不重視，項目維護(hù)成本高，同時由于項目早期裝置存在技術(shù)問題，項目最終被廢棄。

3.6 工業(yè)設(shè)備

2007～2009年期間米洛斯島成功建造了由風(fēng)能驅(qū)動的海水淡化廠。項目由3套相似的RO裝置組成，日生產(chǎn)能力共計3 360 m3，能耗較低(大約3.5 kW·h/m3)，由850 kW風(fēng)力渦輪機供電。RO裝置和風(fēng)力渦輪機得到可優(yōu)化系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的輔助，因為風(fēng)力渦輪機和海水淡化所需的電力負(fù)荷均并入該島自主輸電網(wǎng)。根據(jù)天氣、水需求預(yù)測和水箱水量狀況，優(yōu)化系統(tǒng)的運行方案。該項目另一個創(chuàng)新點是其所有制狀態(tài)：海水淡化裝置和風(fēng)力渦輪機屬于私人投資，由國家補貼，投資商與當(dāng)?shù)厥姓?dāng)局就供水問題簽訂合作協(xié)議。

2009年錫米島建造了由風(fēng)能(330 kW)驅(qū)動的機械蒸汽壓縮海水淡化系統(tǒng)。但該系統(tǒng)并不成功，技術(shù)問題導(dǎo)致生產(chǎn)能力非常低。系統(tǒng)是獨立的，其單位能耗約14.5 (kW·h)/m3。2011年一場火災(zāi)之后，裝置系統(tǒng)運行。2013年某小島安裝了自主RO設(shè)備(8 m3/d)，利用20 kW光伏設(shè)備發(fā)電，能滿足小軍營的用水需求。

4 討論和結(jié)論

希臘群島廣泛通過海水淡化來解決供水不足問題。20世紀(jì)60年代和70年代，使用太陽能蒸餾廠進(jìn)行海水淡化的一些最初努力均告失敗，主要是由于掌握的技術(shù)和專業(yè)知識有限、維護(hù)不夠、運行和維護(hù)成本高。由于海水淡化技術(shù)的進(jìn)步，以及為滿足旅游快速發(fā)展的迫切用水需求，將海水淡化作為補充水源的前景更加廣闊。無論是商業(yè)規(guī)模還是試驗水平下，一直盡力提高海水淡化性能。因為技術(shù)限制和經(jīng)濟(jì)因素，這些努力并不總會見成效。

主要技術(shù)問題是需要降低海水淡化裝置的能耗。能耗是海水淡化的主要成本，降低單位能耗的方法可有助于降低海水淡化成本。另一種選擇是使用更便宜的能源?？稍偕茉词且粋€可行的方法，可減少能源系統(tǒng)壓力，希臘能源和水務(wù)部門優(yōu)先發(fā)展由可再生能源驅(qū)動的海水淡化廠，并正考慮采取獎勵政策。儲存能量不是實際的解決方案，其投資成本高，電池系統(tǒng)壽命低?；旌蟿恿ο到y(tǒng)結(jié)合優(yōu)化運行方案，可提供適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。但是，公眾經(jīng)常不支持風(fēng)力渦輪機組和太陽能光伏板的建設(shè)，特別在以旅游業(yè)為主的希臘小島，因為當(dāng)?shù)鼐用裾J(rèn)為安裝這些設(shè)備降低了當(dāng)?shù)氐木坝^價值。環(huán)境影響和土地利用沖突也可能阻礙了由可再生能源驅(qū)動的 RO系統(tǒng)的綜合使用。未來應(yīng)進(jìn)一步開展海水淡化技術(shù)及其試驗系統(tǒng)的研發(fā)，促進(jìn)設(shè)計優(yōu)化和可再生能源RO海水淡化系統(tǒng)的運行。海水淡化日運行歷史資料以及可再生能源資料可用來加強海水淡化過程中可再生能源的開發(fā)。

在很多缺水的干旱和半干旱群島，用遠(yuǎn)程調(diào)水解決缺水問題，費用全部由中央政府支付，而海水淡化廠運行和維護(hù)成本政府有補貼，為了社會的穩(wěn)定，供水實際成本不可能全部由當(dāng)?shù)赜盟畱舫袚?dān)。在金融危機時代，這種狀況可能不可行，有必要從既有的模式轉(zhuǎn)到更可持續(xù)的辦法。盡管私企參與不總是被社會接受，但應(yīng)調(diào)查分析其參與的各種形式。此外，由于水能資源在未來幾十年面臨不斷上升的壓力，權(quán)衡和鼓勵針對可持續(xù)性管理和發(fā)展的跨部門規(guī)劃至關(guān)重要。

希臘經(jīng)驗表明，得到政府支持(補貼形式)的海水淡化裝置建設(shè)和運行是可行的。正如本文的對比分析結(jié)果，海水淡化能耗依然很高。然而，RO技術(shù)在能源和財務(wù)方面盡管昂貴，但其可靠，能提供足量優(yōu)質(zhì)飲用水。因此，為繼續(xù)提高RO技術(shù)能效，應(yīng)解決具體技術(shù)和政策問題(包括獲得充足的資金)，使其成為希臘島嶼綜合水管理系統(tǒng)的一部分。

總體而言，島上供水是一個敏感的話題。由于公眾用水意識的缺乏，及早期海水淡化裝置存在技術(shù)問題，相當(dāng)一部分人不認(rèn)可海水淡化系統(tǒng)。政府需要告知和教育當(dāng)?shù)鼐用?，海水淡化具有長遠(yuǎn)利益，而海水淡化廠業(yè)主必須維持適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)，以確保裝置高效運行，并要考慮到對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。尤其是在以旅游業(yè)為主的希臘島嶼，景觀美學(xué)價值是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的關(guān)鍵因素，如果社會接受了可再生能源(風(fēng)力渦輪機組和太陽能光伏板)，則可有助于應(yīng)對能源挑戰(zhàn)。應(yīng)解決的其他問題是供水管網(wǎng)現(xiàn)狀，多數(shù)島嶼管網(wǎng)稀缺，很多區(qū)域總體上缺少，阻礙了海水淡化的廣泛使用。應(yīng)該組建用一個以監(jiān)督所有公共供水的海水淡化裝置的靈活且獨立的公共部門或機構(gòu)，以確保水生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)都推進(jìn)到位，測試最終水質(zhì)，并為降低能源需求提供激勵措施。成功的海水淡化可作為樣板加以推廣。未來幾十年水能安全將成為希臘的重要政策。海水淡化中水能關(guān)系的詳細(xì)評估可說明島嶼使用的各種系統(tǒng)之間的差異，并指出了改進(jìn)方案(最佳運行/管理實踐)。技術(shù)創(chuàng)新肯定會增加能源效率，然而對任何國家、地區(qū)、發(fā)展金融機構(gòu)或?qū)嵤C構(gòu)，單獨解決水能關(guān)系所面臨的壓力太大，因此地區(qū)間和國際間有必要開展合作。

邱訓(xùn)平 吳 建 譯

(編輯：朱曉紅)

1006-0081(2017)03-0010-04

2017-01-20

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