用于低碳海水淡化的海上风电可再生能源：技术、机遇与壁垒的批判性综述

《Desalination》：Renewable offshore wind energy for low-carbon seawater desalination: A critical review of technologies, opportunities and barriers

　　

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  概述了现代海上风电与海水淡化系统的集成应用。
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  基于已验证容量、比能耗和已报告成本进行定量比较。
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  风电-反渗透是唯一商业成熟的途径，在产能超过10,000 m³/d时，成本降至1.83–2.11美元/m³。
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  风电-MVC、风电-电渗析、风电机械能、风电热能以及浮动平台仍处于利基市场、试点阶段或概念阶段。
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  未来发展取决于技术进步、成本降低以及支持产业规模化的政策。

引言

过去一个世纪，全球取水量增加了近十倍，预计到2050年还将增加20–30% [1]。目前，全球三分之二的人口每年至少一个月面临严重缺水问题，其中近一半居住在中国和印度 [2]。受加速的气候变化、不受控制的城镇化和工业化、人口呈指数级增长以及水污染日益加剧的驱动，预计未来几十年淡水短缺状况将进一步恶化 [3], [4]。

海水淡化利用几乎无穷无尽的海水资源，为满足日益增长的国内和工业用水需求提供了一种有前景的解决方案。然而，传统海水淡化仍然耗能巨大且依赖化石燃料：在基线气候条件下，海水淡化相关的碳排放量根据进水盐度水平不同，每年在4.93至8.56亿吨之间 [5]。采用可再生能源进行海水淡化对于实现低碳和可持续的方法至关重要。虽然中东拥有全球最大份额的海水淡化产能 [6]，但截至2016年，可再生能源在该地区的淡化能耗中仅占约1% [7]。然而，近年来取得了快速进展。国际能源署预测，在可持续情景下，到2040年可再生能源可提供41.4%的淡化能耗 [8]，而自2019年以来可再生能源成本的快速下降表明这一份额可能会被超过。虽然这一预测出自2019年，但可再生能源成本的快速下降和更强的脱碳政策表明实际份额可能超过这一估计。这种加速势头的一个例证是迪拜的目标，即到2030年将其海水反渗透（SWRO）产能从286,000 m³/d扩大到140万 m³/d，并100%由可再生能源和余热驱动 [9]。随着风电和太阳能技术的持续进步和成本下降，整合这些能源可能将传统海水淡化过程的能耗成本和温室气体排放减少一半 [10]，从而释放巨大的低碳淡化市场。

风能是一种极具前景的淡化资源，拥有丰富的储量和广泛的地理分布。它可被用作电力、热能或机械能，直接或间接为海水淡化厂供电 [11], [12]。到2023年，全球风电装机容量达到117 GW，占新增可再生能源装机容量的22.9% [13]。

特别是海上风电，与陆上相比，在大规模淡化方面具有明显优势，包括风速更高、能量密度更大、土地利用冲突最少以及对公众的环境影响更小 [14], [15]。2023年，新增海上安装量总计10.8 GW [16]，凸显了向深海风电开发转移的趋势。沿海地区经常面临缺水问题 [17]，且是高能耗需求负荷中心 [18]，却受到远距离电力输送的低效和成本困扰 [19]。大规模海水淡化加剧了这些能源需求，突显了对高效可持续能源解决方案的迫切需要。缺水沿海地区与丰富海上风电资源之间的地理协同效应为综合解决方案提供了独特机遇 [10]。这种方法对于水和能源需求同样紧迫且相互关联的沿海地区尤为有前景。

尽管潜力巨大，但海上风电驱动海水淡化的实际应用仍然有限。虽然多家公司已提出海上风电-淡化集成概念，但部署的主要障碍是经济性的而非技术性的：(1) 海上风电的高资本支出（CAPEX）导致其平准化水成本（LCOW）高于陆上风电-SWRO系统；(2) 在保持稳定淡化厂运行的同时确保高可再生能源渗透率仍具有挑战性。技术挑战虽然重要，但相对于这些经济和运营约束而言是次要的。风能的波动性需要复杂解决方案，包括储能、混合系统或可变负荷运行，这些都会增加系统成本和复杂性。

本综述对海上风电与海水淡化集成方面的最新进展进行了批判性综合。它建立了一个结构化的分析框架，以评估主要技术途径，包括风电、风热和风电机械能系统。除了总结现有研究外，该框架还系统性地诊断每条途径的技术成熟度、经济可行性、可扩展潜力和当前部署状况。研究特别关注新兴的浮动海上风电驱动淡化平台范式。超越技术清单，本研究严格诊断了部署的多维障碍，涵盖技术、经济、政策和环境领域。通过整合这些见解，我们提出了一个前瞻性的战略框架，旨在将技术潜力转化为实用的低碳供水方案。这项工作寻求弥合技术承诺与可扩展实施之间的差距，为推进可持续水-能纽带管理提供批判性视角。

部分摘要

与海上风电集成的海水淡化发展与机遇

传统热法海水淡化技术，如多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）和机械蒸汽压缩（MVC），曾一度主导市场，但现在正被更节能的膜技术如反渗透（RO）所超越 [20]。热法海水淡化技术的比能耗（SEC）因工厂配置、电水集成方案、蒸汽品质、性能比等因素而差异很大，其他

风电与海水淡化系统集成：系统配置、挑战与技术准备度

基于第2节中概述的资源评估和优势，本节系统性地考察了风能可与海水淡化集成的技术途径。本节不是孤立地列举技术，而是从基本转换途径到运营策略，然后综合全规模项目的证据，最后对各途径的技术准备度和经济可行性进行比较评估。

海上风电与海水淡化集成的未来展望

随着海上风电技术的成熟以及风机和淡化系统成本的下降，集成系统大规模部署的潜力预计将增加。然而，仍有若干技术、经济、政策和环境挑战。

结论

将海上风电与海水淡化集成提供了一种有前景的低碳可持续淡水生产途径。本综述基于已验证容量、比能耗和已报告成本的定量框架，对海上风电驱动的淡化系统进行了批判性综合，涵盖三种集成途径。得出三个主要结论。

首先，三种途径在技术准备度上处于根本不同的位置

CRediT作者贡献声明

周姝言：撰写——初稿、方法论、形式分析、数据管理。龚辉：撰写——审阅与编辑、指导、概念设计。Edoardo Borgomeo：撰写——审阅与编辑。戴小虎：指导、方法论。徐国栋：指导、概念设计。王开军：指导。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的可能影响本论文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

周姝言|龚辉|Edoardo Borgomeo|戴小虎|徐国栋|王开军