《Cleaner Environmental Systems》：Solar-Assisted Large-Scale Seawater Desalination in a Fossil-Fuel-Dependent Economy: A Techno-Economic, Environmental, and Cumulative Energy and Exergy Demand Assessment under On- and Off-Grid Configurations in Southern Iran
编辑推荐：
由于人口快速增长、长期干旱和气候变化影响的加剧，水资源短缺已成为全球性问题。全球近20%的人口无法获得足够的淡水，预计到2050年约有57亿人将面临严重缺水。尽管地球表面三分之二被水覆盖，但超过97%为咸水，只有不到1%适合人类消费。为此，各国采用海水淡化作为
由于人口快速增长、长期干旱和气候变化影响的加剧，水资源短缺已成为全球性问题。全球近20%的人口无法获得足够的淡水，预计到2050年约有57亿人将面临严重缺水。尽管地球表面三分之二被水覆盖，但超过97%为咸水，只有不到1%适合人类消费。为此，各国采用海水淡化作为应对水资源短缺的有效策略。截至2023年底，全球约运行22000座海水淡化厂（DPs），总产能约1.0922亿立方米/天，为超过3亿人供水。海水淡化技术主要分为热法工艺（如多级闪蒸）和膜法工艺（如反渗透（RO））。其中，反渗透占主导地位，贡献了70%的海水淡化产量，因其比其他方法更可靠、成本效益更高且能效更优。然而，该行业严重依赖化石燃料发电，而传统能源生产伴随着环境退化，包括温室气体排放、空气污染物和固体废物产生。因此，将可再生能源（RES）整合到海水淡化中已成为实现可持续发展的战略路径。本研究对伊朗南部一座实际大型海水淡化厂在不同电网、光伏-电网和光伏-电池储能配置下的化石燃料和太阳能基反渗透海水淡化系统进行了全面的技术经济、环境和累积能量与累积?需求评估。研究通过敏感性分析和蒙特卡洛不确定性分析检验结果的可靠性和稳健性，并采用多准则决策（MCDM）方法识别最优情景。结果表明，并网光伏场景（S2.6）直接满足了约41.5%的反渗透负荷。在离网场景S3.1中，累积能量需求（CED）和累积?需求（CExD）降低了近55%。然而，可再生能源的整合将环境负担转向了毒性和资源稀缺类别。水平化水成本（LCOW）在S3.2中达到6.68美元/立方米。多准则决策分析显示，S2.6排名最佳，S3.2排名最末，该排序在所有敏感性分析中保持稳健。
研究背景与问题
由于人口快速增长、长期干旱和气候变化影响加剧，全球水资源短缺形势严峻。全球约20%人口缺乏充足淡水，预计到2050年将有57亿人面临严重缺水。海水淡化是应对这一问题的有效策略，其中反渗透（RO）技术因可靠性高、成本效益好且能效较优而占据主导地位，贡献了全球70%的海水淡化产量。然而，反渗透系统通常消耗3–10千瓦时/立方米的电能，高度依赖化石燃料发电，导致大量温室气体排放和环境退化。将太阳能光伏（PV）等可再生能源整合到海水淡化系统中，被视为降低碳排放、增强系统韧性和保障长期水安全的重要途径。
尽管已有研究对海水淡化系统进行了技术经济、生命周期和资源需求评估，但在伊朗等高可再生能源渗透率条件下的大型实际海水淡化厂的经济性能研究仍然有限，尤其缺乏考虑可再生能源电价机制的综合评估。此外，很少有研究从累积?需求（CExD）角度评估海水淡化厂的资源消耗，也鲜有研究在多维度间联合考察权衡关系。因此，本研究旨在通过评估宏观经济敏感性如何改变向可再生能源转型的经济可行性，同时评估环境损害和资源需求，并分析三者之间的权衡关系。
研究内容与结论
研究人员对伊朗南部康甘市（Bushehr省）一座实际大型海水淡化厂进行了全面评估。该厂设计产能为10184立方米/天，由四套单级反渗透单元组成，整体回收率为38%，比能耗（SEC）约为5.49千瓦时/立方米。研究设置了三大类情景组：S1为100%电网供电的基准情景；S2.1–S2.9为光伏-电网混合情景，光伏占比每增加10%为一个子情景；S3为离网光伏系统，分别搭配铅酸电池（S3.1）和锂离子电池（S3.2）。研究采用HOMER PRO软件进行技术经济建模，利用SimaPro软件结合Ecoinvent 3.5数据库进行生命周期评价（LCA），并通过多准则决策（MCDM）框架进行综合排序。
主要结论包括：（1）并网光伏场景中，光伏对反渗透负荷的直接供给比例（SSR）从S2.1的10.41%提升至S2.9的47.90%，但边际效益递减，S2.6之后光伏自发自用比例（SCR）低于SSR，表明大部分光伏出力用于上网而非自用；（2）经济分析显示，基准情景S1的平准化电力成本（LCOE）为0.01美元/千瓦时，S2.1–S2.6的LCOE从0.043升至0.124美元/千瓦时，离网情景S3.1和S3.2的LCOE分别高达0.387和1.118美元/千瓦时，平准化水成本（LCOW）在S3.2达到6.68美元/立方米；（3）环境影响方面，从S1到S3.1，化石资源稀缺潜力（FSP）降低89.4%，全球变暖潜力（GWP）降低80.8%，但矿物资源稀缺潜力（MSP）增加了约8倍，土地利用潜力（LUP）增加了约94倍，表明环境负担从化石燃料相关类别向毒性、资源稀缺和土地利用类别转移；（4）累积能量需求（CED）和累积?需求（CExD）从S1到S3.1分别降低了55.9%和55.3%，但非可再生金属和矿物的?需求增加了数倍；（5）多准则决策分析表明，S2.6在所有情景中排名最优，S3.2排名最末，该排序在所有敏感性分析中保持稳健。
主要技术方法
研究人员采用了四阶段方法论框架：第一阶段，利用HOMER PRO（V3.18.3）软件对能源系统进行技术经济建模，通过最小化净现值成本（NPC）确定各情景的最优配置，计算平准化电力成本（LCOE），并对电网购电价格、售电价格、光伏资本成本乘数、名义贴现率和通胀率等进行单因素敏感性分析；第二阶段，基于LCOE和海水淡化厂的投资成本（CAPEX）与运营成本（OPEX），计算平准化水成本（LCOW）；第三阶段，采用SimaPro软件结合Ecoinvent 3.5数据库进行生命周期评价（LCA），使用ReCiPe 2016（H）方法在中点和终点层面评估环境影响，同时计算累积能量需求（CED）和累积?需求（CExD），并通过蒙特卡洛模拟（2000次迭代，95%置信区间）进行不确定性分析；第四阶段，运用多准则决策（MCDM）框架，通过相关性分析筛选独立准则，采用CRITIC方法确定客观权重，并综合WASPAS、SAW和CoCoSo三种方法的排序结果得到最终排名，同时对权重进行±20%和±40%的敏感性分析以检验稳健性。
研究结果
3.1 技术经济评估
3.1.1 技术评估： 所有并网情景均实现了零未满足负荷，电网可靠地补偿了太阳能的间歇性。光伏容量随名义可再生能源份额目标呈非线性增长，尤其在S2.8到S2.9之间，光伏容量翻倍以上，但名义可再生能源份额仅增加约10%。自给率（SSR）从S2.1的10.41%缓慢增至S2.9的47.90%，边际效益递减明显。自发自用比例（SCR）从S2.1的100%急剧下降至S2.9的9.9%，表明新增光伏容量主要增加了上网电量而非减少夜间电网购电。离网情景S3.1和S3.2均实现了接近完全的可靠性，未满足负荷低于年需求的0.05%，但S3.2因储能容量不足，弃光率达到45%。
3.1.2 经济评估： 在净计量方案下，基准情景S1的平准化电力成本（LCOE）为0.01美元/千瓦时，S2.1–S2.6的LCOE从0.043升至0.124美元/千瓦时，S2.7–S2.9因上网收益使LCOE降至约0.085美元/千瓦时，离网情景S3.1和S3.2的LCOE分别跃升至0.387和1.118美元/千瓦时。净现值成本（NPC）从S1的411.6万美元增至S2.6的1.777亿美元和S3.2的4.382亿美元。对比不同计费方案，TAVANIR方案（售电价格0.1225美元/千瓦时）在经济上优于净计量方案，因为前者对所有上网电量均按高价结算。无出口方案下，S2.4之后的情景不可行，因为额外光伏容量无法进一步减少电网购电。敏感性分析显示，通胀率上升使所有情景的NPC增加，但降低了实际贴现率从而降低了LCOE；贴现率上升则降低NPC但提高LCOE。
3.2 环境分析
3.2.1 基准情景（S1）： 电网电力和化学品消耗是绝大多数中点影响类别的主要驱动因素。臭氧层消耗潜力（ODP）主要由反渗透膜贡献。全球变暖潜力（GWP）为4.20千克二氧化碳当量/立方米，处于文献报道范围（0.75–4.40千克二氧化碳当量/立方米）的上限。终点损害评估显示，人体健康、生态系统和资源分别占总损害的89.4%、7.2%和3.4%。
3.2.2 可再生能源情景与基准情景的比较： 从S1到S3.1，与化石燃料使用和燃烧排放相关的8个影响类别显著降低，其中化石资源稀缺潜力（FSP）降低89.4%，全球变暖潜力（GWP）降低80.8%，臭氧形成-人体健康潜力（OFHP）降低74.3%。然而，富营养化、毒性、土地利用、矿物资源稀缺和水资源消耗等类别随可再生能源渗透率增加而升高。S3.2的矿物资源稀缺潜力（MSP）相比S1增加约8倍，土地利用潜力（LUP）增加约94倍。终点层面，S3.1的环境改善最大，资源类别降低93.1%，人体健康和生态系统分别降低62.4%和60.1%。
3.2.3 敏感性分析： 针对S1的电网能源结构敏感性分析表明，将石油发电份额降低50%可获得最大的环境改善效果，人体健康损害降至基准的81.56%；而将常规天然气发电份额降低50%仅带来7–10%的改善，表明石油发电的单位损害强度远高于天然气。
3.2.4 不确定性分析： 蒙特卡洛不确定性分析显示，S2.1与S1比较时不确定性最高，仅有75.70%的概率环境表现优于S1。随着可再生能源份额增加，这一概率升至86–92%。S3.1有90.2%的概率优于S1，而S3.2仅为75.55%。S3.1在76.5%的迭代中优于S3.2。
3.3 累积能量需求（CED）和累积?需求（CExD）： 总CED从S1的68.335兆焦降至S3.1的30.134兆焦（降幅55.9%），总CExD从66.033兆焦降至29.498兆焦（降幅55.3%）。非可再生化石资源是主要贡献者，其CED和CExD分别从65.629和63.001兆焦降至7.016和7.029兆焦。同时，可再生太阳能CExD从可忽略的0.0001兆焦增至S3.2的19.659兆焦。非可再生金属和矿物的?需求分别增加约8.1倍和2.3倍，反映了从能源载体向原材料供应链的负担转移。
3.4 多准则决策分析（MCDM）： 通过相关性分析，选择平准化水成本（LCOW）、终点单得分、累积能量需求（CED）和累积?需求（CExD）作为代表性准则。CRITIC权重分配显示LCOW权重最高（0.295），其次为终点单得分（0.284）、CED（0.218）和CExD（0.203）。三种MCDM方法（WASPAS、SAW、CoCoSo）一致将S2.6评为最优情景，S3.2评为最末。权重敏感性分析（±20%和±40%）表明该排序在所有变化中保持稳健。
讨论与结论
研究指出，将太阳能光伏整合到大型反渗透海水淡化系统虽然能显著降低化石燃料消耗和相关环境影响，但也带来了新的环境负担，特别是在毒性、资源稀缺和土地利用等方面。这种负担转移凸显了在设计可持续海水淡化系统时需要综合考虑多维度的权衡关系。多准则决策分析表明，适度光伏渗透（S2.6，光伏直接供给约41.5%的反渗透负荷）在技术经济、环境和资源需求之间取得了最佳平衡，而完全离网的高光伏配置（S3.2）尽管可再生能源份额最高，但因高昂的成本和增加的资源与环境负担而排名最末。研究强调，在伊朗这样的化石燃料补贴和高通胀经济体中进行能源转型决策时，必须考虑宏观经济条件的敏感性。研究结论认为，并网光伏-电网混合系统（S2.6）是最优配置方案，该结论在所有敏感性分析中保持稳健，为类似地区的可持续海水淡化规划提供了重要参考。
