沙特阿拉伯是石油生產(chǎn)大國，日產(chǎn)原油1000萬(wàn)桶。這其中的1/4(280萬(wàn)桶)都用于國家的能源需求，而由于國家嚴重缺水，海水淡化廠(chǎng)的能耗需要占用其中的150萬(wàn)桶。有預測成，按這樣的速度，到2021年沙特可能會(huì )因此變成石油進(jìn)口國。為此沙特政府開(kāi)展了一系列節能降耗的創(chuàng )新項目，其中包括在位于沙特東北部的邊境小鎮海夫吉(Khafji)建一座高新科技的海水淡化廠(chǎng)。
這座在建中的海水淡化廠(chǎng)被稱(chēng)為全球首座大規模的太陽(yáng)能發(fā)電海水淡化廠(chǎng)。該項目于2015年立項，由沙特AWT公司(Advanced Water Technology, AWT)與西班牙可再生能源集團公司Abengoa聯(lián)合開(kāi)發(fā)，投資1.3億美元，在2017年底完工。該廠(chǎng)第一期的日處理能力為60000m³/天，能夠滿(mǎn)足15萬(wàn)人的用水需求，并計劃在第二期新增90000m³/天的處理量。AWT是沙特阿拉伯王國阿卜杜拉阿齊茲國王科技城(King Abdulaziz City for Science and Technology ，簡(jiǎn)稱(chēng)KACST)的商業(yè)分公司，由沙特技術(shù)開(kāi)發(fā)和投資公司Taqnia控股。
▲ 項目地點(diǎn)的衛星示意圖
▲ Abengoa與KACST的簽約儀式
據介紹，該廠(chǎng)白天的電能來(lái)自廠(chǎng)區南邊的一個(gè)15MW高效能的CPV聚光光伏發(fā)電站，到了晚上則使用電網(wǎng)供電。由于光伏發(fā)電廠(chǎng)給電網(wǎng)輸送的電量超過(guò)晚上海水淡化廠(chǎng)使用的電量，所以該海水淡化廠(chǎng)被視作全球首座零碳排放的海水淡化項目。
▲ 海水淡化廠(chǎng)的晝夜供電模式
海水淡化廠(chǎng)介紹
這個(gè)新的海水淡化廠(chǎng)建在一個(gè)現有反滲透海水淡化廠(chǎng)旁邊，占地面積約17.5公頃。太陽(yáng)能面板組將安裝在距離海水淡化廠(chǎng)1公里以外90公頃的土地上。
▲ 新舊海水淡化單元設計圖
這個(gè)海水淡化廠(chǎng)包含一個(gè)中央控制室、一個(gè)溶氣氣浮單元系統(DAF)、一個(gè)兩段式的超濾單元(UF)、一個(gè)自動(dòng)加藥控制系統、一個(gè)反滲透單元(RO)，以及儲存罐單元(二氧化碳、氯和石灰)。
▲ 新海水淡化廠(chǎng)的工藝組成
反滲透單元分為六條平行線(xiàn)，通過(guò)一套能耗優(yōu)化系統，所有電機都由變頻器控制，能適應太陽(yáng)能供電水平的變化作出優(yōu)化調整。該項目使用新型納米反滲透膜，其抗氯腐蝕、除鹽和防止微生物積累的性能都很高。這是KACST和IBM公司6年聯(lián)合研究的成果。另外根據該地區的海水特性，在反滲透單元之前配備預處理單元，大大降低鹽度和去除進(jìn)水的油脂。
太陽(yáng)能發(fā)電站介紹
Al Khafji海水淡化項目除了海水淡化廠(chǎng)，還包括一個(gè)CPV超高聚光光伏電站來(lái)為海水淡化單元提供電力。使用可再生能源能夠減少運行費用和減少溫室氣體排放。這個(gè)中壓太陽(yáng)能發(fā)電站使用多晶光伏太陽(yáng)能電池板，也是由KACST旗下的團隊設計研發(fā)，發(fā)電功率為15MW，跟海水淡化廠(chǎng)和國家電網(wǎng)相連。它的發(fā)電量在最高負荷運行時(shí)足夠滿(mǎn)足海水淡化單元的能耗需求。通過(guò)一套跟蹤技術(shù)，海水淡化單元的產(chǎn)能與太陽(yáng)能發(fā)電站運行負荷匹配，進(jìn)一步提高能效。
▲ 超高能聚光光伏發(fā)電站
水處理工序細節
沙特阿拉伯東部海水情況復雜，這里鹽度很高，而且還含有油脂、季節性赤潮、水母，所以在進(jìn)行反滲透過(guò)濾前，需要進(jìn)行一系列預處理工序：
海水首先進(jìn)入一個(gè)裝有水母過(guò)濾裝置的取水塔，這個(gè)取水塔距離廠(chǎng)房6公里以外的水域，同時(shí)還備有石油泄露污染警報浮標。
▲ 取水塔和事故警報浮標
廠(chǎng)房的泵房將海水運至廠(chǎng)區，并作初步消毒:
隨后進(jìn)入DAF溶氣氣浮單元，去除油脂和其他初始進(jìn)水中的固體。
為了防止反滲透膜的堵塞，經(jīng)過(guò)DAF單元的出水還會(huì )先進(jìn)入兩段式的UF超濾單元進(jìn)一步去除海洋微生物和其他污染物。
最后再用兩段式反滲透來(lái)去除海水中的溶解性雜質(zhì)和鹽，這套設備還有能量回收系統。
耐心打造的新行業(yè)
沙特阿拉伯建造這座太陽(yáng)能發(fā)電的海水淡化廠(chǎng)的原因之一是想確保地區的供水安全，也就是說(shuō)即使該地區的貿易線(xiàn)遭封鎖或者能源供應中斷，海水淡化廠(chǎng)的供電也能自給自足，為該地區的居民全年提供穩定飲用水保障。
但如果僅為如此的話(huà)，據稱(chēng)這廠(chǎng)本可以早5年落成。沙特王國之所以“一拖再拖”，是因為他們想得更加長(cháng)遠。他們想將本國經(jīng)濟變得更加多元化，圍繞海水淡化行業(yè)創(chuàng )造更多就業(yè)，培養一批企業(yè)，將它打造成沙特新的出口行業(yè)。所以他們寧愿“慢工出細活”，完善工藝技術(shù)，讓它更加適應中東市場(chǎng)的需求。
正如上邊介紹提到的，該項目使用的反滲透膜和光伏發(fā)電材料都是為中東的嚴酷環(huán)境專(zhuān)門(mén)研發(fā)制造的。目前海水淡化技術(shù)分為反滲透法和熱法，全球70%的熱法淡化廠(chǎng)都已經(jīng)改用反滲透工藝，但是在沙特和其他中東國家，熱法淡化依然是主流，因為老式的反滲透膜不能適應紅海和波斯灣地區的高鹽度。這座在建中的新廠(chǎng)采用的是為該地區專(zhuān)門(mén)研發(fā)的納米膜，不僅能應付該地區的高鹽度，還因此降低了系統所需的能耗，IBM認為這款新型膜的抗污染性能更好。
除了膜材料的創(chuàng )新之外，配套的聚光光伏發(fā)電系統也加入了為沙漠環(huán)境研發(fā)的新型冷卻機制，大大降低了系統中斷和日常維護的幾率，并為此搭建了專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)線(xiàn)。
項目相關(guān)人員樂(lè )觀(guān)表示，這兩個(gè)創(chuàng )新點(diǎn)將使海水淡化成本變成更加低廉，甚至有一天能便宜到用它來(lái)生產(chǎn)農業(yè)灌溉用水。