沙特阿拉伯是石油生產大國，日產原油1000萬桶。這其中的1/4(280萬桶)都用于國家的能源需求，而由于國家嚴重缺水，海水淡化廠的能耗需要占用其中的150萬桶。有預測成，按這樣的速度，到2021年沙特可能會因此變成石油進口國。為此沙特政府開展了一系列節能降耗的創新項目，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。
這座在建中的海水淡化廠被稱為全球首座大規模的太陽能發電海水淡化廠。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聯合開發，投資1.3億美元，在2017年底完工。該廠第一期的日處理能力為60000m³/天，能夠滿足15萬人的用水需求，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 ，簡稱KACST)的商業分公司，由沙特技術開發和投資公司Taqnia控股。
▲ 項目地點的衛星示意圖
▲ Abengoa與KACST的簽約儀式
據介紹，該廠白天的電能來自廠區南邊的一個15MW高效能的CPV聚光光伏發電站，到了晚上則使用電網供電。由于光伏發電廠給電網輸送的電量超過晚上海水淡化廠使用的電量，所以該海水淡化廠被視作全球首座零碳排放的海水淡化項目。
▲ 海水淡化廠的晝夜供電模式
海水淡化廠介紹
這個新的海水淡化廠建在一個現有反滲透海水淡化廠旁邊，占地面積約17.5公頃。太陽能面板組將安裝在距離海水淡化廠1公里以外90公頃的土地上。
▲ 新舊海水淡化單元設計圖
這個海水淡化廠包含一個中央控制室、一個溶氣氣浮單元系統(DAF)、一個兩段式的超濾單元(UF)、一個自動加藥控制系統、一個反滲透單元(RO)，以及儲存罐單元(二氧化碳、氯和石灰)。
▲ 新海水淡化廠的工藝組成
反滲透單元分為六條平行線，通過一套能耗優化系統，所有電機都由變頻器控制，能適應太陽能供電水平的變化作出優化調整。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水的油脂。
太陽能發電站介紹
Al Khafji海水淡化項目除了海水淡化廠，還包括一個CPV超高聚光光伏電站來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。這個中壓太陽能發電站使用多晶光伏太陽能電池板，也是由KACST旗下的團隊設計研發，發電功率為15MW，跟海水淡化廠和國家電網相連。它的發電量在最高負荷運行時足夠滿足海水淡化單元的能耗需求。通過一套跟蹤技術，海水淡化單元的產能與太陽能發電站運行負荷匹配，進一步提高能效。
▲ 超高能聚光光伏發電站
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，所以在進行反滲透過濾前，需要進行一系列預處理工序：
海水首先進入一個裝有水母過濾裝置的取水塔，這個取水塔距離廠房6公里以外的水域，同時還備有石油泄露污染警報浮標。
▲ 取水塔和事故警報浮標
廠房的泵房將海水運至廠區，并作初步消毒:
隨后進入DAF溶氣氣浮單元，去除油脂和其他初始進水中的固體。
為了防止反滲透膜的堵塞，經過DAF單元的出水還會先進入兩段式的UF超濾單元進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去除海水中的溶解性雜質和鹽，這套設備還有能量回收系統。
耐心打造的新行業
沙特阿拉伯建造這座太陽能發電的海水淡化廠的原因之一是想確保地區的供水安全，也就是說即使該地區的貿易線遭封鎖或者能源供應中斷，海水淡化廠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，據稱這廠本可以早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遠。他們想將本國經濟變得更加多元化，圍繞海水淡化行業創造更多就業，培養一批企業，將它打造成沙特新的出口行業。所以他們寧愿“慢工出細活”，完善工藝技術，讓它更加適應中東市場的需求。
正如上邊介紹提到的，該項目使用的反滲透膜和光伏發電材料都是為中東的嚴酷環境專門研發制造的。目前海水淡化技術分為反滲透法和熱法，全球70%的熱法淡化廠都已經改用反滲透工藝，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。這座在建中的新廠采用的是為該地區專門研發的納米膜，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。
除了膜材料的創新之外，配套的聚光光伏發電系統也加入了為沙漠環境研發的新型冷卻機制，大大降低了系統中斷和日常維護的幾率，并為此搭建了專門的生產線。
項目相關人員樂觀表示，這兩個創新點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生產農業灌溉用水。
