可再生能源驱动的分布式批次反渗透海水淡化：技术经济优化框架

《Desalination》：Distributed desalination using batch reverse osmosis driven by renewable energy: A technoeconomic optimization framework

　　

集中式反渗透（RO）海水淡化的高昂成本和碳足迹，推动了将RO与可再生能源耦合用于内陆水源（如苦咸地下水、油气采出水）分布式处理的兴趣。然而，利用间歇性光伏（PV）或风能进行连续RO运行需要昂贵的电池储能。因此，使RO电力消耗与可再生能源可用性相匹配的灵活运行方式，对于分布式规模海水淡化（1000 m3/天）具有吸引力。批次反渗透（BRO）是一种工艺创新，与恒压运行的单级反渗透（SSRO）相比，它利用可变压力在更高水通量、更低单位能耗或更高水回收率下运行。本研究评估了可再生能源驱动的BRO与SSRO的系统设计和性能。研究人员开发了一个技术经济优化框架，用于确定四个子系统（能源发电、电池储能、RO海水淡化和水储存）的规模，以最小化淡化水成本（LCOW）。在德克萨斯州进行的以PV-RO淡化采出水的案例研究表明，高通量BRO（i）使LCOW降低0.07美元/m3，（ii）将可再生能源直接利用率提高40%，（iii）将储能需求减少16倍，以及（iv）与传统SSRO相比，将弃电量减少4%。高回收率和低能耗PV-BRO分别使LCOW降低0.15美元/m3和0.02美元/m3，但两者均未增强可再生能源利用率。可再生能源来源之间的比较表明，50%PV和50%风能的混合发电由于更好的逐时功率匹配而实现最低LCOW，与单独风能和太阳能相比分别降低0.16美元/m3和0.24美元/m3。

论文解读

一、研究背景与问题

淡水是人类福祉和农业、能源生产、制造业等各经济部门的核心资源。然而，人口增长带来的用水需求增加，加上供应量减少且愈发不可预测，使这一重要资源面临危机。预计到2050年，全球水资源需求将比2023年增加20%–25%，而河流、湖泊等常规地表水源的年波动幅度预计将增加19%，地下水超采预计将增加61%。此外，到本世纪末，生活在干旱地区的人口预计将增加30亿。联合国估计，到2050年将有50亿人面临至少一个月的水资源短缺。在美国，预计到2050年约三分之一的县将因气候变化影响而面临高或极端水风险。

应对全球水资源压力的技术方案之一是海水淡化。全球海水淡化能力已超过1亿m³/天，其中海水反渗透（SWRO）是最广泛使用的方法，进水盐度约35,000 ppm。然而，大多数农田位于内陆数百英里处，SWRO用于农业需要昂贵的淡水运输和分配基础设施。内陆位置的替代水源是苦咸地下水（BGW），其盐度较低，为1000–10,000 ppm。美国地质调查局估计，现有BGW储量的1%相当于3700亿m³的水，即每年淡水地下水开采量的46倍。另一个内陆水源是油气开采产生的采出水（PW），其盐度范围从2100到400,000 ppm不等。在美国，每年约有42亿m³的PW被注入地下，这与地震活动增加有关。然而，内陆淡化厂必须处理高盐度 brine 副产物的处置问题。SWRO将 brine 排放到海洋的成本为0.05–0.30美元/m³，而内陆工厂仅限于深井注入（0.54–2.65美元/m³）或蒸发池（3.28–10.04美元/m³）等处置方法，这些方法对总成本贡献显著。

这些非常规水源引发了对分散式或分布式规模淡化的兴趣，即RO工厂与淡水需求（如灌溉）共址，以最小化水运输并降低资本和融资成本。适合农业终端用途的分布式淡化规模基于美国平均规模农场（约445英亩）的每日淡水需求，约为1000 m³/天。这一规模也适合与分布式能源资源（如可再生能源）集成，与传统集中式淡化相比，具有更低的运营成本、建设周期和碳足迹。文献表明，带储能的可再生能源可以以比柴油发电机更低的LCOE满足分布式淡化系统的电力负荷，使此类系统具有前景。

尽管可再生淡化具有潜力，但一个主要挑战是这些间歇性能源与RO之间的不匹配。PV在一天内发电时间少于12小时，而风力涡轮机有时会连续多天停机。另一方面，RO系统设计为以高利用率（>95%）连续运行，以最大化产水量并最小化膜结垢/污染。为解决间歇性问题，可再生淡化系统可集成辅助电源（电网、发电机）或储存（能量、水）。离网淡化系统的连续运行可通过使用电化学电池的能量储存来实现，但这通常过于昂贵。其他储存选项包括抽水蓄能和氢能，但这些不如电池具有成本效益。

文献中报道的可再生淡化的性能指标中，淡化水成本（LCOW）最为普遍。多项研究探索了通过使用水储存代替能量储存来降低LCOW。大型水储罐被发现比电池（10+ MWh）更具成本效益。这些研究共同展示了能源发电、能量储存、水储存和RO利用率之间的不同设计配置和权衡。

近年来，批次反渗透（BRO）作为一种工艺创新出现，具有与可再生能源良好匹配的潜力。与恒压运行的常规连续单级反渗透（SSRO）相比，BRO以可变压力循环运行，紧密跟踪渗透压。理论建模和实验表明，BRO相对于SSRO具有多项优势，包括：（i）通过使施加压力与渗透压匹配来降低单位能耗（SEC，kWh/m³）；（ii）通过维持更空间均匀的盐度分布来获得更高平均水通量（J，L/m²-h或LMH），从而减少膜元件数量；（iii）通过循环运行减少结垢/污染停留时间来提高水回收率（RR，%），从而减少 brine 产生量。然而，目前文献中大多数BRO研究集中于其降低SEC的潜力，关于这些优势如何在可再生淡化系统中转化为改进性能或更低成本的研究存在空白。只有少数研究将可再生能源与BRO配对，不足以评估其与常见分布式规模可再生能源（PV和风能）的性能或与SSRO的直接比较。

二、研究内容与意义

为评估与可再生能源配对的分布式规模BRO（约1000 m³/天），研究人员开发了一个技术经济优化框架，比较连续（单级）和批次RO用于内陆水处理和农业终端用途。评估了最小化LCOW的最优子系统规模，包括能量和水储存以应对不同时间尺度的间歇性。在德克萨斯州Lockhart进行了案例研究，分析不同BRO运行模式与PV发电配对用于PW进水淡化。然后，将高通量运行模式扩展到风能和混合（50%PV和50%风能）能源，以评估最优系统设计和性能指标。最后，将该框架应用于其他系统配置和案例研究地点。

该研究填补了理解BRO优势如何转化为可再生淡化系统改进性能或更低成本的研究空白，为分布式规模可再生淡化系统的设计提供了系统化的优化方法。

三、关键技术方法

研究人员开发了包含四个子系统的整体系统模型框架：能源发电模型、间歇淡化模型（IDM）、溶液-扩散模型（SDM）和技术经济模型（TEM）。能源发电模型使用系统顾问模型（SAM）获取PV阵列和风力涡轮机的发电曲线，辐照度数据来自国家太阳辐射数据库的典型气象年（TMY）数据，风速数据来自风工具包。混合配置由100 kW_ac风能和200 kW_dc PV组成，在案例研究地点产生50%来自各来源的总发电量。RO性能使用基于Swaminathan等人开发的已验证数值方法的溶液-扩散模型（SDM）模拟，BRO假设包括四个串联膜、0.2 m/s进水入口速度和无能量回收装置。间歇淡化模型模拟带储存（电池和水箱）的RO运行并计算性能指标。技术经济模型计算LCOW。案例研究在德克萨斯州Lockhart进行，使用PV-RO淡化采出水。

四、研究结果

高通量BRO与SSRO的对比： 在Lockhart的PV-RO采出水淡化案例研究中，高通量BRO相比传统SSRO：（i）使LCOW降低0.07美元/m³，（ii）将可再生能源直接利用率提高40%，（iii）将储能需求减少16倍，（iv）将弃电量减少4%。

高回收率和低能耗BRO模式： 高回收率和低能耗PV-BRO分别使LCOW降低0.15美元/m³和0.02美元/m³，但两者均未增强可再生能源利用率。

可再生能源来源比较： 50%PV和50%风能的混合发电由于更好的逐时功率匹配而实现最低LCOW，与单独风能和太阳能相比分别降低0.16美元/m³和0.24美元/m³。

五、讨论与结论

研究结果表明，BRO的可变压力运行特性使其能够更好地匹配可再生能源的间歇性输出，特别是高通量运行模式通过降低储能需求和增加可再生能源直接利用，显著改善了系统经济性。混合可再生能源配置通过互补的发电曲线实现更优的功率匹配，进一步降低了LCOW。该研究建立的优化框架可适用于不同地点、水源和系统配置，为分布式可再生淡化系统的设计提供了重要参考。研究结论表明，高通量BRO与混合可再生能源相结合，能够在分布式规模实现更具经济竞争力的淡化水生产，同时减少对昂贵电池储能的依赖，提高可再生能源利用率。