中国沿海地区典型光伏和风能驱动的海水淡化项目的多维度环境评估

《TECHNOLOGICAL FORECASTING AND SOCIAL CHANGE》：Multi-dimensional environmental assessments of China's typical photovoltaic- and wind-driven seawater desalination in coastal areas

海水淡化作为缓解水资源短缺的重要技术，面临高能耗和碳排放挑战。本研究通过混合输入输出-生命周期评估（IO-LCA）方法，对比分析光伏（PV-RO）和风电（W-RO）驱动海水淡化系统的全生命周期能源消耗与碳排放。案例设计为100m3/天产能规模，PV-RO系统需120kW光伏装机，W-RO系统需50kW风电装机。结果显示：W-RO系统建设期能耗（8.34×10? kWh）和碳排放（1.32×10? kg CO?eq）均显著低于PV-RO系统（1.23×10? kWh和2.05×10? kg CO?eq），能源回收期分别为3.54年（W-RO）和4.07年（PV-RO）。研究证实风电驱动海水淡化在能效和减排方面更具优势，为可再生能源规模化应用和行业低碳转型提供决策依据。

　　

韩梦瑶|刘子涵|刘思远|李炫通|单全|宋迪|艾超

中国科学院地理科学与自然资源研究所，北京，100101，中国

摘要

海水淡化是一个产生淡水的过程，但该过程能耗较高且会产生大量温室气体（GHG）排放，因此通过大规模部署可再生能源来推动低碳转型至关重要。在国家双碳政策的背景下，淡化行业的能耗和碳排放使得使用清洁能源成为必然。然而，在太阳能和风能之间做出选择仍然是一个挑战。为了评估这两种能源的综合资源和环境效益，本研究比较了光伏驱动的海水淡化（PV-RO）和风能驱动的海水淡化（W-RO）。通过整合投入产出分析和生命周期评估，从全生命周期的角度评估了它们的能耗和温室气体排放情况。案例研究将淡化规模标准化为每天100立方米，风能和光伏的装机容量分别为50千瓦和120千瓦。结果显示，W-RO在建设阶段的总能耗和温室气体排放分别为8.34E+05千瓦时和1.32E+05千克二氧化碳当量，而PV-RO的建设阶段分别为1.23E+06千瓦时和2.05E+05千克二氧化碳当量。W-RO和PV-RO系统的能量回收期分别为3.54年和4.07年。由此可见，W-RO在能源效率上更具优势，且排放更低，这对选择用于海淡化的可再生能源以及促进海水淡化行业的可持续发展具有重要意义。

引言

海水淡化已被广泛用作解决地区性水资源短缺的有效方法。然而，海水淡化过程能耗较高，也可能对环境产生不利影响（Cornejo等人，2014年；Ghenai等人，2018年）。部署可再生能源可以显著减少与海水淡化相关的化石燃料消耗和温室气体排放（Zarzo和Prats，2018年；Chebli等人，2025年）。在现有的海水淡化技术中，反渗透（RO）占生产能力的65%。反渗透技术的低成本、低能耗及其电力需求使其成为与可再生能源结合使用的理想选择（Abdelkareem等人，2018年；Delgado-Torres等人，2020年；Karagiannis和Soldatos，2008年）。目前，可再生能源仅用于不到1%的海水淡化过程。其中，光伏发电占最大比例，为43%，其次是风能，占20%（Shahzad等人，2017年）。在海水淡化项目中引入光伏和风能发电系统可以提高小型、中型和大型海水淡化项目的能源效率并降低温室气体排放潜力（Kotb等人，2021年）。

在低碳转型过程中，光伏驱动的海水淡化（PV-RO）得到了广泛应用（Li等人，2018年）。全球约四分之三的太阳能海水淡化厂采用了光伏能源（Qasim等人，2019年）。光伏模块的优势在于安装和维护的便利性，其模块化设计可以满足不同需求（Hamdi等人，2025年）。然而，光伏系统的转换效率约为24%，这意味着光伏驱动的淡化系统需要较大的光伏模块面积来提供足够的能量用于反渗透（Hu等人，2024年）。由于夜间电力供应不足，PV-RO系统需要连接电网或增加电池和热储存设备以确保持续供电。引入电池不可避免地会对项目成本和环境效益产生负面影响（Khiari等人，2019年），而高初始投资成本和间歇性的太阳能是PV-RO系统面临的主要挑战（Delgado-Torres等人，2020年）。

风能驱动的海水淡化（W-RO）的规模仅次于光伏驱动的海水淡化（Khanzada等人，2017年）。在风力较大的沿海地区，风能发电系统的效率较高（23–29%），而海上地区的风能资源比内陆地区更强大且更稳定（Martinez和Iglesias，2022年）。然而，由于风能利用的强间歇性，平均风速与实际风速之间的差异显著影响了能源供应的稳定性（Park等人，2009年）。与光伏驱动的海水淡化系统类似，风能驱动的系统也需要集成储能设备、电网或其他能源来稳定能源供应（Matos等人，2024年）。高维护成本和不稳定是W-RO系统面临的主要挑战（Ma和Lu，2011年）。值得注意的是，光伏和风能发电系统作为可再生能源利用策略，受到现场环境条件和激励政策的影响，因此基于能耗和温室气体排放核算来选择相应的淡化策略是必要的（Ghaffour等人，2015年；Shen等人，2025年）。尽管太阳能具有间歇性，但仍存在一些不确定的客观因素，如气候、风速和沙尘暴，这些因素可能对光伏和风能驱动的工程产生重大影响。

随着对资源和环境问题的关注日益增加，关于淡化系统的研究越来越关注能源使用和温室气体（GHG）排放（Colmenares-Quintero等人，2025年）。现有研究采用了多种评估方法来研究淡化项目和可再生能源系统的环境影响，包括资本流动、能源成本和温室气体排放。特别是，现有研究将可再生能源建模软件（HOMER）与淡化过程模型相结合，以评估可再生能源支持的淡化（RESS）在成本效益、排放和能源利用方面的表现（G?k?ek，2018年；G?k?ek和Kale，2018a；G?k?ek和Kale，2018b；Elmaadawy等人，2020a）。基于生命周期理论，其他研究还应用数值模型或商业软件来评估可再生能源驱动的淡化项目的可行性、能源需求、温室气体排放和环境效益（Wang等人，2022年；Najjar等人，2021年；Li等人，2020a）。

与以往的研究相比，本研究的创新和贡献可能体现在以下几个方面：（i）本研究基于混合投入产出分析开发了包含电能和水力驱动的嵌入能量和温室气体排放模型；（ii）本研究比较了光伏驱动和风能驱动的海水淡化在节能和减排方面的潜力；（iii）本研究建立了多维环境框架来评估光伏驱动和风能驱动的海水淡化项目的相对优势。在此背景下，本研究基于混合IO-LCA评估方法评估了光伏驱动和风能驱动的海水淡化系统的温室气体排放，并从全生命周期角度比较了节能和减排潜力，这对于指导典型可再生能源驱动的海水淡化的大规模应用以及促进海水淡化行业的可持续发展具有重要意义。

文献综述

先前的研究探讨了在离岸岛屿或远离大陆的偏远地区使用可再生能源进行海水淡化的可行性，表明由光伏或风能系统驱动的小型至中型淡化项目能够满足这些地区的水资源需求。这些技术在经济和环境效益方面是可行的（Bilton等人，2011年；G?k?ek，2018年），然而，可再生能源在空间和时间上具有间歇性，这会影响能源供应的稳定性

方法和材料

从系统生态学的角度出发，构建了风能和光伏驱动的工程模型，本研究的相关分析框架如图1所示。首先分别构建了风能驱动的淡化工程模型和光伏驱动的淡化工程模型，并将水力风能直驱模式整合到风能驱动的淡化模型中。其次，使用

光伏驱动与风能驱动海水淡化之间的能耗

风能发电系统的总能耗为8.34E+05千瓦时，低于光伏发电系统的总能耗（1.23E+06千瓦时）。风能发电系统的总能耗约占光伏发电系统总能耗的67.80%。

在光伏系统中，建筑工程是能耗最高的子项目，其次是技术控制系统。而在W-RO系统中，

讨论与政策启示

为了明确不同海水淡化项目的节能和减排潜力，可以基于PV-RO和W-RO系统的能源和温室气体核算来分析它们的能耗和减排潜力。此外，本研究还参考类似研究估算了运行阶段的运营成本，并根据运营成本计算了运行阶段的能耗和温室气体排放

结论

通过采用混合IO-LCA方法，本研究评估了光伏驱动和风能驱动淡化系统的生命周期能源资源和温室气体排放。本研究系统地计算了日产量为100立方米的海水淡化厂在建设阶段的能耗和温室气体排放，并比较了节能和减排效果

CRediT作者贡献声明

韩梦瑶：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，概念构思。刘子涵：方法论，数据管理。刘思远：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。李炫通：撰写 – 审稿与编辑，可视化，数据管理。单全：撰写 – 初稿，可视化，方法论，数据管理。宋迪：可视化，方法论，数据管理。艾超：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52275069和42371183）、 Kepler-Bingwei优秀青年人才计划（项目编号：2023RC002）以及中国科学院青年创新促进协会（项目编号：2023058）的支持。

韩梦瑶，中国科学院地理科学与自然资源研究所；剑桥大学环境、能源与自然资源治理中心（C-EENRG）