希腊海水淡化的能耗分析

[希腊] A.卡塔丽迪斯 等

水文水资源

希腊海水淡化的能耗分析

[希腊] A.卡塔丽迪斯 等

希腊群岛广泛采用海水淡化技术，尤其是反渗透技术，解决本岛的缺水问题。然而，这是一个高能耗的技术，需要消耗大量矿物燃料。以锡罗斯岛为例，说明了海水淡化厂运行中水能间的密切联系，同时也讨论了利用可再生能源作为降低海水淡化能耗的一种手段。

岛屿；海水淡化；反渗透；可再生能源；水能关系；希腊

1 研究背景

经济发展和社会福址依赖于水和能源，二者间关系既复杂又重要：发电需要大量的水，供水需要大量的能源。水能关系分析要求整体审视能源生产和消耗产业链，关注核心运行组件，如基础设施和技术。

尤其对于供水链来说，迫切需要各环节的能源需求计划，而各环节耗能与水源水量和水质有关。总体来说，随着时间的推移，供水链各环节趋向于更多的能源需求。供水需求的上升、更深层钻孔的地下水资源抽取、跨流域远程调水、更严格的水质标准以及更多的污水排放限制，都使能耗加大。尽管如此，提高能源使用效率的方案众多。正如水资源欧洲创新伙伴关系所强调，通过在水和污水处理过程中引进低能耗技术，并通过增加再生资源使用或提高其使用率，均可在一定程度上提高供水系统能源使用效率。

供水链中的耗能随水源(类型、季节可用性、水质)和终端用户特征(基础设施和消费方式)的不同而有所变化。2014年IPCC开展的气候变化对水资源的影响预测结果表明，由于用水户间竞争加大及水能关系间的循环作用，预计到2035年能耗将增加35%，进而可能引起用水量、相应水处理和分配的能源需求增加85%。鉴于水能间的交互关系，分析缺水地区的水能关系尤其重要。

缺水地区主要有下列3种供水管理方式：

(1) 将水从相对丰富地区调入相对缺水地区；

(2) 集约化利用可获得的水资源；

(3) 利用替代水源(海水淡化、中水回用)。

以上3种方式均增加了供水系统的耗能，导致消费者或政府的用水成本更高。因此，任何用水和用电效率的提高，不仅可使消费者或政府需支付的用水成本下降，还可能产生环境效益。

本文讨论了希腊水能关系，重点关注其主要缺水地区，包括爱琴海干旱和半干旱岛屿。目前，海水淡化为这些岛屿提供了最有效的供水方法，尽管其是最耗能的方法之一，但满足了公共供水需求。以锡罗斯(Syros)岛屿为例，说明了淡水产量和能源消耗间的关系。分析结果表明，应该提高希腊岛屿单个供水系统的能源使用效率。

2 希腊供水系统的能耗分析

2.1 水资源短缺

希腊海岸线长约14 000 km，大约有2 500个岛屿，总面积21 580 km2。2012年岛上人口约163万。

希腊群岛为地中海气候(冬湿、夏干)，年降水量小(其中爱琴群岛小于400 mm)。降水量少加上特殊的地质条件，使得一些岛屿无法获得合适的地表或地下贮水空间。此外，夏季用水高峰(灌溉和旅游)、陈旧供水系统渗漏导致大量的水量损失、集成供水管理系统的缺乏以及超采引起含水层下降，均使当地的缺水问题更加严重，造成当地水资源渐现缺乏的迹向。

每个岛屿特征不同，解决缺水问题的方式也各不相同。大致可归纳为以下几种途径：①使用反渗透法(RO)或热工工艺淡化海水或苦咸水；②用油轮从内陆或邻近岛屿调水；③能贮存地表水和雨水的大型水库和湖泊；④钻井。

最大的几座岛屿用地表水作为生活用水会受到限制，爱琴群岛多数岛屿从钻井抽取地下水，或将苦咸水/海水处理后的淡水作为生活用水。很多岛屿从大陆或附近岛屿调水解决供水问题。尽管该方法费用昂贵，不具可持续性，但依然被普遍采用，因为有些政府官员不愿意采纳海水淡化这样的方案。

2.2 高能耗的海水淡化

20世纪60年代，人们认识到调水性价比低，认为海水淡化在解决希腊岛屿缺水方面具有一定潜力。首先尝试的是太阳能蒸馏法，即用太阳能蒸馏器装入海水进行淡化。用太阳能蒸发海水，将淡水从盐和其他杂质中分离。蒸汽扩散到收集器顶部倾斜的玻璃表面上冷却为液体，排入边缘的蒸馏槽中。1964～1973年，锡米(Symi)岛、卡斯特洛里佐(Kastelorizo)岛、基莫洛斯(Kimolos)岛、埃伊纳(Aegina)岛和帕特莫斯(Patmos)岛均安装了规模不等的太阳能蒸馏器系统。太阳能蒸馏器日制水能力大约3 L/m2。但因各种原因系统以失败而告终，其中包括人员经验缺乏、不良设计导致的运行故障、没有维护手册、与运水邮轮业主间的利益冲突(海水淡化厂运行成功将导致其运水量显著减少)。

其次，尝试了多级闪蒸法。1969～1970年锡罗斯岛建造了日产量1 200 m3的多级闪蒸装置。装置依靠燃料油运行，直到1984年出现几个技术问题才停产，问题主要出在热交换器的比例上。以上技术问题再加上淡水分离设备及燃料油的高昂成本，使该法过渡到反渗透法(RO)。

1977～1978年科孚(Cofu)岛建造了反向电渗析海水淡化厂，用以处理低盐度的微咸水(最高盐度2 000 mg/L)，淡水日产量15 000 m3。几年后由于机能问题工厂停产，其单位能耗1.7 kW·h/m3。

为满足公共供水，1981～1982年伊萨卡(Ithaca)岛和米科诺斯(Mykonos)岛首次建造RO装置。伊萨卡岛RO厂单位实际能耗为15(kW·h)/m3，机组装机510 kW。自此RO技术成为海水淡化的首选。30多年来，公共供水、私人旅馆和豪宅一直使用该技术解决供水问题。采用RO技术的理由如下：①模块化操作可满足用水需求的季节性变化；②需水量相对较小；③简洁型设计；④快速安装(2～3月)；⑤相对于其他海水淡化法，能耗低；⑥操作简便。

目前希腊30个岛屿海水淡化厂的日生产能力大约52 000 m3，其中微咸水9 000 m3，海水43 000 m3。22个岛屿的海水淡化厂自带电厂，其余8个通过水下电缆与大陆输电网连通。海水淡化技术发展速度相当缓慢，直到21世纪早期，速度才得以提升，2004年雅典奥运会前几年进一步提速。大约10个岛屿计划建造海水淡化厂，日总产量11 000 m3。

RO装置能耗较高，几乎完全消耗在3个泵级上(从海洋抽水至淡化厂、海水预处理和淡化、淡水转至储水罐)。多年以来，在利用更高效的能源回收装置减少能耗方面取得了很大的进步。如今，所有淡化装置(即使最小的淡化装置，生产能力也达到了100 m3)均使用有效可靠的能源回收装置，明显减少了能耗。该研究选择7家海水淡化装置进行单位能耗对比。单位能耗中包括了升压器和高压泵所消耗的电能。

希俄斯(Chios)岛、库福尼西(Konfonisis)岛和哈尔基(Chalki)岛海水淡化厂的单位能耗估计小于5(kW·h)/m3，而提拉西亚(Thirasia)岛、阿加索尼西(Agathonisi)岛和阿克罗里蒂(Akrotiri)岛则大于该值，这归因于后者淡化厂规模小(生产能力小于250 m3/d)，使辅助能耗相对更重要。锡罗斯岛首府埃尔穆波利(Hermoupolis)有记录以来实际单位能耗9(kW·h)/m3，这是由于2002年其安装使用了技术过时的能源回收设备，当时压力交换机技术不仅价格昂贵，且技术不成熟。

3 锡罗斯岛海水淡化能耗分析

锡罗斯岛城市供水主要来自海水淡化，岛上自备输电网，依靠柴油发电。目前，共有13台RO装置分布在岛上的5个区域。其中12台使用成熟的、可靠的、但也是低效的冲击式水轮机作为能源回收设备，另1台设备使用较先进的压力交换机。以上装置总生产能力8 340 m3/d，单个装置生产能力250～2 000 m3/d不等。据希腊配电网络运营商2012年和锡罗斯水务公司2014年资料，岛上水生产耗电占总发电量的比例大于11%，岛上海水淡化厂满负荷运转时所需电力为常规装机功率的5.2%。

13台海水淡化装置总装机2.08 MW(仅包括升压器和高压泵)。淡化能源成本是锡罗斯水务公司主要运行成本，总运行成本估计为1.2～1.6欧元/m3。供水成本中能源成本0.7欧元 /m3，平均能源成本0.086欧元/(kW·h)。给能源生产提供补贴，目的是给消费者提供类似于内陆的电价。因此，能源成本高于实际支出，水成本中的能源部分高达1.7欧元/m3，大约是水中所含能源成本的240%。

用3个指标(单位售水能耗、单位售水能源成本和人均耗能)反映海水淡化中的水能关系，分析中包括供水和污水处理过程。目前仅分析有资料的埃尔穆波利海水淡化厂。研究选择完全依靠地表淡水的雅典供水系统，及依靠地下淡水和地表淡水作为混合水源的塞萨洛尼基(Thessaloniki)供水系统，进行对比分析。

表1 评估指标计算使用的资料汇总

3.1 评估指标

选择3个水系统进行单位售水能耗(供水和处理)对比分析。雅典单位能耗0.75 (kW·h)/m3，为塞萨洛尼基的1/2，埃尔穆波利为其15倍，达到11.2 (kW·h)/m3。能源成本遵循以上相似模式。人均供水能耗也适用以上相似比例。埃尔穆波利是雅典的14倍，为塞萨洛尼基的2倍多。评估指标说明了供水能耗受到水源的影响，海水淡化厂能源需求最高。

3.2 单位能耗月变化

锡罗斯岛夏季用水量高于其他季节，这主要是游客的大量涌入造成的。如8月淡水产量大约高出2月份85%。海水淡化厂能耗也呈现类似的变化。2月所需电能560 MW·h，8月则高达910 MW·h，增加了62.5%。这表明海水淡化夏季效率优于冬季。8月埃尔穆波利海水淡化厂比能约8.1 (kW·h)/m3， 2月份为9.7 (kW·h)/m3，减少了大约16.5%。分析成因主要有3个因素：①夏季海水淡化设备持续运行，启动停止周期延长，设备清洗能耗最少；②夏季海水水温较高，改变了水的粘度特征，降低了海水淡化过程中高压泵所需要的比能；③埃尔穆波利海水淡化厂由几个海水淡化装置组成，各装置生产能力和比能不同，比能低的装置应用比较广泛，这也降低了海水淡化厂整体比能。

3.3 海水淡化供水水源

埃尔穆波利人均年生活用水量预计66.6 m3(表1)。该值与塞萨洛尼基市人均用水量相近，比雅典约少12%。当地居民和游客在用水率(约120 L/d和200 L /d)方面存在显著差异，这点很重要，因为这会给外界带来错误认识，即尽管锡罗斯水资源缺乏，但塞萨洛尼基和雅典市中心用水量较高。夏季用水高峰增加了人均用水量，如果继续当前的旅游发展模式，则可能需要新的供水水源(即新建海水淡化厂)。埃尔穆波利用水量从2009年到2013年增加了5.6%，这一用水趋势说明了这一点。

在不考虑采取能效措施的情况下，新建海水淡化厂将会增加单个供水系统的能源需求。

3.4 用于海水淡化的再生能源

与传统能源系统相比，使用可再生能源进行海水淡化效益显著。虽然可再生能源海水淡化系统建设成本较高，但运营成本较低，因其省去了昂贵的燃油成本。当夏季用水需求较高时，风速和太阳辐射也较高，因此可降低可再生系统的装机功率。

总之，可再生能源已被认定为支持海水淡化系统运行的合适能源，尤其是希腊群岛，因为这些岛屿蕴藏较为丰富的可再生能源，主要为太阳能和风能，某些情况下还可有地热能。岛上平均风速5～7 m/s，但在某些区域可能更大。太阳能年辐射量1 400～1 700 (kW·h)/m2，某些岛屿还存在重要的高焓地热区域，如米洛斯(Nilos)岛、基莫洛斯岛、尼西罗斯(Nrsiros)岛和锡拉(Thira)岛。自从引入太阳能蒸馏器，多次尝试采用可再生能源进行海水淡化，既有试验性的，也有商业化规模。在许可程序上，可再生能源享有希腊政府特许的优先权，并为其提供更高的并网费用，而推动由可再生能源驱动的海水淡化系统的发展。

3.5 试验设备

1997～1998年基莫洛斯岛使用多效蒸馏技术，用地热作为能源供给，在欧洲项目框架内建成生产能力为80 m3/d的海水淡化装置，并成功投入运行，估计淡水生产成本1.7欧元/m3。然而最终因诸多原因还是废弃了这些装置。1997年锡拉希亚岛安装了一台由15 kW风力涡轮机供电、日生产能力为4.8 m3的小型独立试验机组，并运营多年。1998年锡罗斯岛安装了一台500 kW的风力涡轮机，以给单机并联式、日生产能力900 m3的RO装置提供动力。然而系统间没有实现耦合。

2007年建成1台浮动式、由风力和光伏发电设备供电的反渗透海水淡化装置(80 m3/d)。该装置为原型设计，可满足干旱小岛300个居民的用水需求。项目建在伊拉克利亚(Iraklia)岛，作为试验性项目。由于地方当局不重视，项目维护成本高，同时由于项目早期装置存在技术问题，项目最终被废弃。

3.6 工业设备

2007～2009年期间米洛斯岛成功建造了由风能驱动的海水淡化厂。项目由3套相似的RO装置组成，日生产能力共计3 360 m3，能耗较低(大约3.5 kW·h/m3)，由850 kW风力涡轮机供电。RO装置和风力涡轮机得到可优化系统运行的数据采集与监控系统的辅助，因为风力涡轮机和海水淡化所需的电力负荷均并入该岛自主输电网。根据天气、水需求预测和水箱水量状况，优化系统的运行方案。该项目另一个创新点是其所有制状态：海水淡化装置和风力涡轮机属于私人投资，由国家补贴，投资商与当地市政当局就供水问题签订合作协议。

2009年锡米岛建造了由风能(330 kW)驱动的机械蒸汽压缩海水淡化系统。但该系统并不成功，技术问题导致生产能力非常低。系统是独立的，其单位能耗约14.5 (kW·h)/m3。2011年一场火灾之后，装置系统运行。2013年某小岛安装了自主RO设备(8 m3/d)，利用20 kW光伏设备发电，能满足小军营的用水需求。

4 讨论和结论

希腊群岛广泛通过海水淡化来解决供水不足问题。20世纪60年代和70年代，使用太阳能蒸馏厂进行海水淡化的一些最初努力均告失败，主要是由于掌握的技术和专业知识有限、维护不够、运行和维护成本高。由于海水淡化技术的进步，以及为满足旅游快速发展的迫切用水需求，将海水淡化作为补充水源的前景更加广阔。无论是商业规模还是试验水平下，一直尽力提高海水淡化性能。因为技术限制和经济因素，这些努力并不总会见成效。

主要技术问题是需要降低海水淡化装置的能耗。能耗是海水淡化的主要成本，降低单位能耗的方法可有助于降低海水淡化成本。另一种选择是使用更便宜的能源。可再生能源是一个可行的方法，可减少能源系统压力，希腊能源和水务部门优先发展由可再生能源驱动的海水淡化厂，并正考虑采取奖励政策。储存能量不是实际的解决方案，其投资成本高，电池系统寿命低。混合动力系统结合优化运行方案，可提供适当的解决方案。但是，公众经常不支持风力涡轮机组和太阳能光伏板的建设，特别在以旅游业为主的希腊小岛，因为当地居民认为安装这些设备降低了当地的景观价值。环境影响和土地利用冲突也可能阻碍了由可再生能源驱动的 RO系统的综合使用。未来应进一步开展海水淡化技术及其试验系统的研发，促进设计优化和可再生能源RO海水淡化系统的运行。海水淡化日运行历史资料以及可再生能源资料可用来加强海水淡化过程中可再生能源的开发。

在很多缺水的干旱和半干旱群岛，用远程调水解决缺水问题，费用全部由中央政府支付，而海水淡化厂运行和维护成本政府有补贴，为了社会的稳定，供水实际成本不可能全部由当地用水户承担。在金融危机时代，这种状况可能不可行，有必要从既有的模式转到更可持续的办法。尽管私企参与不总是被社会接受，但应调查分析其参与的各种形式。此外，由于水能资源在未来几十年面临不断上升的压力，权衡和鼓励针对可持续性管理和发展的跨部门规划至关重要。

希腊经验表明，得到政府支持(补贴形式)的海水淡化装置建设和运行是可行的。正如本文的对比分析结果，海水淡化能耗依然很高。然而，RO技术在能源和财务方面尽管昂贵，但其可靠，能提供足量优质饮用水。因此，为继续提高RO技术能效，应解决具体技术和政策问题(包括获得充足的资金)，使其成为希腊岛屿综合水管理系统的一部分。

总体而言，岛上供水是一个敏感的话题。由于公众用水意识的缺乏，及早期海水淡化装置存在技术问题，相当一部分人不认可海水淡化系统。政府需要告知和教育当地居民，海水淡化具有长远利益，而海水淡化厂业主必须维持适当标准，以确保装置高效运行，并要考虑到对当地环境的影响。尤其是在以旅游业为主的希腊岛屿，景观美学价值是当地经济的关键因素，如果社会接受了可再生能源(风力涡轮机组和太阳能光伏板)，则可有助于应对能源挑战。应解决的其他问题是供水管网现状，多数岛屿管网稀缺，很多区域总体上缺少，阻碍了海水淡化的广泛使用。应该组建用一个以监督所有公共供水的海水淡化装置的灵活且独立的公共部门或机构，以确保水生产各个环节都推进到位，测试最终水质，并为降低能源需求提供激励措施。成功的海水淡化可作为样板加以推广。未来几十年水能安全将成为希腊的重要政策。海水淡化中水能关系的详细评估可说明岛屿使用的各种系统之间的差异，并指出了改进方案(最佳运行/管理实践)。技术创新肯定会增加能源效率，然而对任何国家、地区、发展金融机构或实施机构，单独解决水能关系所面临的压力太大，因此地区间和国际间有必要开展合作。

邱训平 吴 建 译

(编辑：朱晓红)

1006-0081(2017)03-0010-04

2017-01-20

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