新加坡南洋理工大学佘乾洪团队近期于Desalination期刊（2024, 581,
117608）发表题目为“A multifunctional desalination-osmotic
energy storage (DOES) system for managing energy and water supply“ 的文章。该文章第一作者为新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院博士生李丹，共同第一作者为新加坡南洋理工大学南洋环境与水源研究院新加坡膜技术中心跨学科研究生项目博士生莫子敬，共同作者包括澳大利亚新南威尔士大学Tony
Fane教授，通讯作者为新加坡南洋理工大学助理教授佘乾洪。【研究亮点】
- 该研究开发了一种可用于协同管理供能和供水的脱盐-渗透储能（DOES）系统。该系统采用交替运行用于脱盐、产水及储能的反渗透（RO）模式与用于发电的压力延缓渗透（PRO）模式。
- 该系统整合了新型半封闭式和闭路式的设计和运行方式于RO和PRO过程中，通过变压力以及多循环运行模式提高能量效率。
- 在脱盐和发电阶段均可实现高于75%的能量效率，且将DOES仅作储能使用时，系统充放电循环效率可达68%。
【文章简介】
为应对气候变化并实现净零碳排放目标，公用事业部门（主要是电力部门，也包括水务部门）正逐渐将能源供应从化石燃料转向可再生能源。然而，大多数可再生能源不可连续供能，仅能被间歇地获取、且不稳定，如太阳能、风能等的开发利用会严重受制于气候及时间的影响，因而可能导致能源供应与需求之间的不平衡。同时，近年来水资源的供给越来越依赖非传统水源，特别是高能耗、高碳排放海水淡化过程；另一方面，依靠可再生能源（如太阳能、风能）驱动来降低海水淡化的碳排放正日益发展，这使得由使用可再生能源导致的能源供需失衡的问题进一步影响到海淡过程产水的波动性进而影响供水问题。为缓解新能源应用框架下水电供需不平衡的问题，本研究提出了一种“脱盐-渗透储能（Desalination-Osmotic Energy Storage，DOES）”系统，又称“脱盐-渗透能储能”系统，该系统通过交替运行负责脱盐的反渗透（RO）和负责发电的压力延缓渗透（PRO）实现了包括产水、储能以及供电在内的多种功能，可作为电力和水务部门的调节器（图1）。在DOES系统的脱盐阶段，通过可再生能源驱动的RO对进水（如海水）进行脱盐。与传统淡化厂不同，DOES不会将RO过程产生的浓盐水直接排放，而是将其与淡化水分别储存在两个水库中（实质上是同时储存水和能量）。且其中只有一部分淡化水用于供水，其余部分淡化水和浓盐水以渗透能（又叫盐差能）的方式储存起来，在需要用电的时候，由PRO将其转化为电能并输送至电网。在PRO发电过程中，淡化水和浓盐水分别用作PRO过程的进料液和汲取液。由于DOES系统的PRO过程采用其RO过程生产的淡化水作为进料液，这使得传统PRO应用中发生的严重的膜内部污染问题在此系统中得以解决。图1. 脱盐-渗透储能（DOES）系统。该系统集成了具有半封闭式（SC）和闭路式（CC）操作模式的反渗透（RO）和压力延缓渗透（PRO）。
本研究在DOES中整合了新型半封闭式（SC）和闭路式（CC）配置和运行模式，通过变压和多循环操作减少由RO过程中的过压现象和PRO过程中的欠压现象而造成的能量损失，进而提高能量效率。图2和图3展示了两种模式下脱盐和发电的能量效率分析结果。在理想情况下，SC模式的DOES系统可实现的100%能量效率。而在CC模式下的RO过程中（即CCRO），浓缩后的进料与新鲜进料存在浓度差，两者在进入膜组件前在管道中混合会导致熵增进而导致不可逆的能量损失；在CC模式下的PRO过程中（即CCPRO），必须在运行的每圈持续排放未被充分稀释的盐水，这使得蕴含在被排放掉的盐水中的渗透能未被充分回收，进而导致即使在理想情况下，CC模式的效率也会低于SC模式。然而，考虑到设备的实际效率及系统中的压力损失等实际因素后，CC模式下DOES系统的能量效率在较低RO产水率以及较少淡化水利用率（即较少淡化水用于发电）的情况下可超过80%，优于SC模式。而在较高RO 产水率和较高淡化水利用率（即较多的淡化水用于发电）的情况下，SC模式具有更高且稳定的能量效率，约75%左右。图2. DOES系统中半封闭反渗透（SCRO，图A和B）和闭路反渗透（CCRO，图C和D）的脱盐性能。
图3. DOES系统中半封闭式压力延缓渗透（SCPRO，图A-E）和闭路式压力延缓渗透（CCPRO，图F-J）的产电性能。
此外，DOES系统还可以仅作为储能系统运行，用于大规模电力储存和管理，在该运行模式下，DOES又被称作渗透电池（Osmotic
Battery, OB）。理论情况下作为封闭系统的OB中不会产生任何盐和水的损失，这一特性使其具有更多的灵活性，可选择更适合的人工配制的高盐度溶液并在最佳条件下以更有效的模式运行，从而解决能量密度与效率之间的权衡损益问题。模拟结果表明，如若可承受超高压力的渗透膜在未来可被制备出来并可大批量生产，渗透电池（OB）的充放电循环效率和能量密度可分别达到68%和1 kWh/m3（图4），其性能与世界上最为广泛应用的大规模储能系统—抽水蓄能系统相当，且不再受地形限制。图4. 渗透电池（OB）的充放电过程（图A-B）、储能容量（图C）和各种情况下的充放电效率（图D-F）。
DOES利用盐水作为储能介质，无毒、安全且对环境友好，使得该系统可长期安全产水储能。再者，其高存储容量、水电协同管理、不受地形地势的限制、施工负担相对较小等优势，使其有潜力成为增强能源和水资源弹性、促进低碳未来非常有前景的一项技术。需要说明的是以上模拟分析所得出的该研究提出的脱盐-渗透储能系统的最高实际性能虽然考虑了系统所需设备的实际效率以及系统压力损耗的情况，但系统所需要的渗透膜以及相关膜组件是假定在最优化性能参数下进行的。因而为实现该技术的实际应用，将来的研究可重点集中在耐高压的高性能渗透膜及相应膜组件的开发，同时还可进一步进行以下研究：（1）系统的设计和运行的再优化，（2）进一步提升所需设备（如高压泵以及能源回收装置）的效率，
另外，需对系统的经济效益进行分析和并在技术开发的基础上实现最大化。最后我们需要强调，作为大规模电网储能使用时，渗透储能即便不能取代现有的所有其它电网储能技术，但基于其在多方面的优势，渗透储能将会是对现有电网储能技术的一项重要补充。原文信息：
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原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117608
第一作者：
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李丹 博士研究生
工作单位：新加坡南洋理工大学 土木与环境工程学院
邮箱地址：dan005@e.ntu.edu.sg
共同第一作者：
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莫子敬 博士研究生
工作单位：新加坡南洋理工大学 南洋环境与水源研究院 新加坡膜技术中心
邮箱地址：zijing001@e.ntu.edu.sg
通讯作者：
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佘乾洪
佘乾洪博士，目前担任新加坡南洋理工大学助理教授、博士生导师，其研究主要集中在开发以膜分离为主的各种分离技术用以解决水、环境、能源领域的各种急迫性问题，具体研究领域包含新型渗透膜以及电驱动膜的制备、低能耗膜分离工艺系统的设计和开发。其研究以应用为导向，并探究和解决应用过程中的机理性问题，如深化理解各种膜及分离过程的传质机理、提升膜分离过程的速率与选择性、降低膜分离过程的能耗和药耗，并最终实现碳减排、且在循环经济框架下促进环境可持续发展，目前其在研究领域的主流期刊如Desalination, Journal of Membrane Science, Environmental Science
& Technology, Water Research发表论文60多篇，被引用6000余次，H因子32。其目前担任Desalination and Water Treatment的编辑、Desalination期刊的编委会成员、国际水协会水厂设计与运营管理委员会副主席等职务。
工作单位：新加坡南洋理工大学
通讯邮箱：qhshe@ntu.edu.sg
网址：https://dr.ntu.edu.sg/cris/rp/rp00187
本期编辑：金正彬（温州肯恩大学）
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