可再生能源与反渗透海水淡化技术结合的应用研究

可再生能源与反渗透海水淡化技术结合的应用研究

0海水淡化负荷选择预计，世界淡水需求将达到2000年的1.55倍。海水淡化系统运行过程中，淡水生产成本受电价分布的影响非常大，将生产每立方米淡水消耗的能量降至最低并不等于将运营成本降至最低随着可再生能源的迅猛发展，可再生能源在用电低谷期产生的过剩电能也随之增加在我国东北地区，随着电力市场的进一步放开，具有电储热特征的可控负荷可以参与到调峰辅助服务市场中为了应对可再生能源迅猛发展而造成电能过剩的情况，本文建议使用海水淡化负荷来消纳富余可再生能源。具体而言，首先讨论了海水淡化技术的发展现状，分析了反渗透海水淡化系统的技术原理、成本分布以及能耗情况；随后，对现有可再生能源驱动海水淡化的技术分类总结，梳理国内外的研究成果；最后，针对海水淡化系统的灵活运行特性进行剖析，挖掘海水淡化负荷参与调峰辅助服务市场的潜力，结合我国现状对利用海水淡化消纳可再生能源提出一些建议和思考。1海水处理技术的发展1.1中国对淡水的需求为了衡量某地区的淡水供应压力，文献结合文献1.2等效电能与能耗对比海水占地球可用水资源总量的97%表1列举了“膜法”和“热法”在海水淡化过程中的理论最低能耗和实际最低能耗。表1中，“热法”所需要的热能乘以33%转换为等效电能，以便于将两类方法的能耗进行对比自1980年以来，全球海水淡化厂的总建设规模几乎成倍增长。在2000年至2015年期间，海水淡化厂的产能每天增加约6×10我国海水淡化工程的主要用途主要为工业用水、生活用水和其他用水。国家自然资源部公布的最新数据显示我国海水淡化市场中的主导技术为反渗透技术，相比其它海水淡化技术，反渗透技术具有建设成本低、能耗低及适应性强等优点，近年来受到广泛使用1.3海水处理技术的原理和能源消耗1.3.1海水侧乳液高度反渗透海水淡化技术起始于20世纪40年代，基本原理如图2所示。稳态情况下，由于海水与淡水之间存在渗透压，海水侧液面高度会维持在图2(a）所示状态。通过在海水侧施加一定的压力，海水侧的水分子透过渗透膜被压入淡水侧，而固体颗粒物被渗透膜阻挡在海水侧，从而淡水侧液面高度上升，如图2(b）所示1.3.2能耗下降,耗水产低自从反渗透海水淡化技术出现以来，技术上的持续进步使得生产淡水的能耗不断下降。反渗透海水淡化技术主要的创新包括研发渗透性能更好的膜图4为典型反渗透海水淡化技术的操作流程1.3.3海水淡化最低理论能耗理想情况下，淡化海水所需的最低能量等于盐溶解在纯水中时产生的能量，如式（2）所示：式中：w为盐溶解在纯水中时产生的能量；g为常数；T为绝对温度；a为水的活度。对于温度为25°C太平洋海水，海水淡化的最低理论能耗为0.7kWh/m实际情况中，海水淡化的能耗会受到海水温度、能量回收率以及操作条件等因素的影响，因此实际海水淡化所需要的能量会大于理论最小阀值。表2为反渗透海水淡化技术历年最低能耗的变化情况2海水淡化技术相互匹配机理常规海水淡化厂的运营成本较高，而且发电厂为海水淡化厂提供电能的过程中，相关发电过程会排放的大量温室气体，寻找廉价、环保的可替代能源迫在眉睫。然而，很难为海水淡化厂确定最有效的可再生能源类型，能够在消耗最少电能的同时最大化淡水生产率。这主要是由于海水淡化技术和可再生能源种类繁多，诸如海水淡化厂的规模、位置、进水压力等许多参数会影响可再生能源的选择。可再生能源可以以电能、热能和机械能的形式用于海水淡化，可再生能源与海水淡化技术的正确组合是经济、高效且环境友好地满足电力需求和淡水需求的关键，图5总结了不同类型的可再生能源与海水淡化技术之间潜在的相互匹配关系。太阳能，风能，波浪能和潮汐能受天气影响较大，发电具有很强的不确定性，这种不确定性是影响可再生能源为海水淡化系统供电的最大困扰在众多海水淡化技术中，由于反渗透海水淡化技术的能耗最低，因此可再生能源与反渗透海水淡化技术的结合应用最为广泛。其中，风能和光伏与反渗透海水淡化技术的结合分别占该领域的19%和32%，如图6所示目前电能的大量存储仍然是一个严峻的挑战，而淡水可以大量存储在水库或储水罐中，因此，当可再生能源的发电量超过电力系统负荷需求时，可以将可再生能源发电余量用于供给生产淡水，淡水需求低谷时期将淡水存储起来，淡水需求高峰将存储的淡水提供给用水单元。可再生能源发电与海水淡化系统相结合是一种经济、高效的能量存储备选方案。然而，海水淡化厂必须要建立在沿海地区，海水淡化厂的建设地点不一定适合安装可再生能源系统。这就需要将远离海水淡化厂的可再生能源系统通过并网以后为海水淡化厂提供电能，澳大利亚的南方海水淡化厂（SouthSeawaterDesalinationPlant,SSDP）就是通过这种方式供电。其中，并网的可再生能源包括Geraldton附近的Mumbida风力发电场（包含22台风力涡轮机，容量为55kW）和格林纳夫河10MW太阳能光伏电站（包含15万块光伏面板，建设面积为8×102.1风能驱动的海水淡化技术风能是最便宜的可再生能源之一，近年来得到越来越多相关从业人员的关注风能在海水淡化中的应用始于20世纪80年代初期目前的研究集中于将反渗透海水淡化技术与风能的集成上，使用风能驱动的海水淡化厂必须具有足够的运行灵活性，以应对由于风能剧烈波动而导致的定期关闭和启动操作。Carta等学者对加纳利岛未安装任何储能设备的直接风能驱动反渗透海水淡化系统的运行情况进行了分析Loutatidou等学者研究了阿拉伯地区低风速运行的风力涡轮机在反渗透海水淡化系统中的应用情况，研究表明，风能驱动的反渗透海水淡化系统比当前使用常规能源供电的“热法”海水淡化系统性能更好2.2海水淡化系统太阳能转化太阳发出的热能和光能均可用于驱动海水淡化系统。一方面，太阳发出的热能，可以直接用于多级闪蒸和低温多效等海水淡化技术，也可以在太阳能热电厂中转化为机械能，以驱动反渗透、机械蒸汽压缩等海水淡化系统太阳能是全球范围内最丰富的可再生能源。由于太阳能转换为电能或热能的灵活性，太阳能一直是可再生能源驱动海水淡化研究的热点。中东和北非的许多地区平均每个晴天能够受到5—7kWh的日照，这些地区大多数富含海水，但缺乏足够的淡水，因此非常适合太阳能驱动的海水淡化技术目前光伏驱动的反渗透海水淡化系统常见并网和离网2种形式，典型并网光伏驱动反渗透海水淡化系统如图8所示2.3经长期研究的并需持续研究的问题利用可再生能源驱动海水淡化系统已经引起广泛研究。将单个可再生能源技术用于海水淡化时，由于其发电不稳定性和间歇性，将导致供电可靠性低文献3海水淡化负荷的需求与电网的配合可以实现能耗3.1电网负荷的动态特性随着可再生能源在我国电网配置资源中占比急速增长，电网需要大量的存储容量和灵活负荷来解决可再生能源发电的不确定性，能够根据电网实时状态调整需求的动态负荷是电网运营过程中的宝贵资源3.2反渗透海水淡化系统低碳排放响应面优化尽管已充分认识到需要使用海水淡化来解决淡水缺乏的重要性，但其高昂的耗电成本仍然是阻碍海水淡化广泛应用的主要因素在设计反渗透海水淡化系统以实现更高效率地生产淡水时，除了改进渗透膜和提升能量回收装置的效率之外，还可以优化生产淡水各个阶段的耗电成本。尽管这并不能减少生产淡水的能耗，但是由于电价在用电高峰和低谷时期的差额较大，通过“错峰运行”方式可以有效减少海水淡化的能耗成本，同时能够提升电力系统的安全运行。4海水淡水处理负荷的积极消除所需能源的应用前景4.1水和电力系统的设计能源和水是人类发展的重要资源，不能完全分开，在规划一种资源的开发时需要考虑另一种资源的合理使用传统上，水和电力系统被设计和运行为两个独立的系统。但是，实际上，这些系统之间具有显著的相互依赖关系4.2谷时段用电我国东北地区电力市场建设初期，可中断负荷定义为具有电储热设施并主要在电网低谷时段用电，能够在负荷侧为电网提供调峰辅助服务的用电负荷项目。随着电力市场政策的进一步放宽，具有电储热设施的可中断负荷可以参与到调峰辅助服务市场中本质上讲，海水淡化厂与储水库的结合通过蓄水储能的方式，参与到调峰辅助服务市场中5海水淡化负荷侧灵活性可党性分析利用海水淡化负荷消纳富余可再生能源是当前电力系统发展的重要战略举措。反渗透是海水淡化的主导应用技术，风能和太阳能是用于驱动反渗透海水淡化应用最广泛的可再生能源。海水淡化负荷的灵活运行特性能够有效适应可再生能源发电的不确定性。目前，反渗透