從科幻走向現(xiàn)實的“海洋蒸汽機”

呂吉爾/編譯

從科幻走向現(xiàn)實的“海洋蒸汽機”

呂吉爾/編譯

大洋蘊藏的熱量能夠為全世界提供電能

● 早在維多利亞女王時代，法國科幻小說家儒勒·凡爾納就設(shè)想過大洋中蘊藏著取之不盡的能源。然而，直到21世紀(jì)的今天，工程師們才有底氣說蘊藏在海洋里的熱量可為世人提供電力。以下介紹的是“海底兩萬里格”是如何變成現(xiàn)實世界的“海底兩萬兆瓦”。

如果說，有哪種能源配得上“蒸汽朋克”稱謂的話，那就非海水溫差發(fā)電（OTEC）莫屬了。這是維多利亞時代的科幻小說嗎？沒錯。早在1870年，儒勒·凡爾納（Jules Verne）在其科幻小說《海底兩萬里》中就曾設(shè)想過這種可能。這是19世紀(jì)前后的機械技術(shù)？也沒錯。或這就是可再生能源的最佳候選者？選這個答案也未嘗不可。

人們顯然曾經(jīng)對這一技術(shù)期望過高。從理論上講，海水溫差發(fā)電在任何年份內(nèi)都能提供相當(dāng)于全世界能源需求的4000倍能量，既無污染也無溫室氣體排放。但在現(xiàn)實中，這項技術(shù)因其難以現(xiàn)實而被束之高閣。

2014年，世界各地出現(xiàn)了許多與之有關(guān)的項目，數(shù)量之多令人瞠目，且領(lǐng)頭者并非堂吉訶德式的空想家，而是像航空業(yè)巨頭洛克希德-馬丁公司那樣精明的實業(yè)公司。究竟是什么發(fā)生了如此的變化？

OTEC這個想法，有可能是凡爾納為解決尼莫船長的動力問題而構(gòu)思出來的。這位凡爾納筆下的深海探險者需要電力來驅(qū)動“鸚鵡螺”號潛水艇，這也是第一次以書面形式提到了OTEC。尼莫說：“將兩根電線插入不同深度以構(gòu)成一個電路，就有可能通過接觸到的溫差獲得電能?！薄逗５變扇f里》出版11年后，法國物理學(xué)家雅克-阿爾塞納·達松瓦爾 （Jacques-Arsène d'Arsonval）提出了以此為原理的第一個電廠的實際設(shè)計——他采用的是管道而非電線來開發(fā)冰冷深海和溫暖洋面之間的溫差，以產(chǎn)生蒸汽能。

這確實是個金點子。海洋是一個巨大而又不斷得到補充的太陽能儲存媒介，這些熱量大部分儲存在海洋表層100米的水層中，而1000米以下的區(qū)域——來自極地的海水——恒常保持在4℃～5℃。

為了從溫差中獲取能量，現(xiàn)代化的系統(tǒng)將溫暖的表層海水泵過裝有氨之類低沸點液體的管道，氨沸騰之后，蒸汽用來驅(qū)動渦輪產(chǎn)生電能。之后，利用深海冷水使蒸汽冷凝恢復(fù)液態(tài)狀，準(zhǔn)備下一輪循環(huán)（參見“海水溫差發(fā)電示意圖”）。世界上幾乎所有的火力和核電廠都由蒸汽渦輪機驅(qū)動，它們產(chǎn)生蒸汽要么靠燃燒污染大氣的煤炭，要么會產(chǎn)生難以處理的核廢料。相比之下，OTEC提供蒸汽的方式是清潔的，且在理論上是用之不竭的。

取自不盡的“電能之洋”

那是在理想世界發(fā)生的事情。現(xiàn)實中，海洋熱梯度給予的東西都會被設(shè)備吸收。主要問題在于如何獲取深海冷水：泵送電站運轉(zhuǎn)所需的巨量海水要求至少1000米長的管道，而且管道尺寸和強度還要足以承受生產(chǎn)每1000瓦電力所需的每秒數(shù)立方米海水的流量。把過程中所有的低效因素考慮在內(nèi)后，OTEC電站的理論效能是令人沮喪的4%至6%。

基于上述原因及其他因素，表層海水與深層海水之間的溫差至少達到20℃才能使整個過程運轉(zhuǎn)起來。這樣的條件僅存于地球赤道兩旁包括熱帶和亞熱帶在內(nèi)的一條相對狹窄的帶狀區(qū)域內(nèi) （參見“海水溫差電站分布圖”），俗稱“赤道腰帶”。

盡管受到這些因素的限制，整個20世紀(jì)里人們依然在不斷地努力，力求讓OTEC成為現(xiàn)實。其中最雄心勃勃的一次，是被1970年代的石油危機激發(fā)的，時任美國總統(tǒng)吉米·卡特簽署了一項法律，要在1999年之前用此項技術(shù)生產(chǎn) 1萬兆瓦的電力。之后石油危機解除后，石油能源的替代方案再次被冷落。因此，當(dāng)洛克希德-馬丁公司2013年宣布在中國南部沿海建造一座10兆瓦海水溫差電站時，并沒有提起人們的興趣。因為這樣的情形之前也出現(xiàn)過。

然而，經(jīng)過一番詳查后便會發(fā)現(xiàn)，該項目也許正標(biāo)志著OTEC發(fā)生了重大變化。在其他可再生能源、石油工業(yè)，甚至還有氣候變化等因素的陪伴下，這項19世紀(jì)的技術(shù)成為21世紀(jì)可再生能源結(jié)構(gòu)一份子的時刻，也許最終到來了。

許多計算結(jié)果都在發(fā)生變化。OTEC的效率或許不高，但由于它利用的是充足而免費的海水，只要規(guī)模足夠大，在經(jīng)濟上還是可行的。石油價格的多變和氣候變化正日益緊迫地推動著替代能源的開發(fā)。風(fēng)能和太陽能等可再生能源其間歇性的弱點——只在有陽光或刮風(fēng)時才產(chǎn)生電力——仍在阻止它們成為主流。意在將OTEC技術(shù)商業(yè)化的美國海洋熱能公司的特德·強森 （Ted Johnson） 指出，OTEC電站能晝夜不停地工作。晝夜發(fā)電意味著OTEC可直接納入城市電網(wǎng)，省卻了太陽能、風(fēng)能發(fā)電所需的整合和調(diào)整。

在美國夏威夷大學(xué)自然能源研究所從事 OTEC研究的路易斯·維加（Luis Vega）說，多虧了這些進步，現(xiàn)在建造一座100兆瓦的電站約需7.9億美元。維加推算，若把建造和運行OTEC電站的費用都計算在內(nèi)，OTEC電站所發(fā)電力的價格大約為每千瓦時18美分。這與美國能源部估算的火力和太陽能發(fā)電的價格相去不遠(yuǎn)，前者是每千瓦時14美分，其中涵蓋了碳捕捉和存儲的費用，后者是14至26美分。

改良和升級OTEC電站

在這種不同于以往的大環(huán)境中，OTEC項目在全世界開始呈雨后春筍之勢。2013年，一座50千瓦的試驗性O(shè)TEC電站在日本沖繩縣久米島上開始運行。同時，在夏威夷，馬凱海洋能源公司正在其位于夏威夷大島的海洋能源研究中心建造一座100千瓦的電站。2014年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)衍生公司Bluerise，計劃在加勒比海庫拉索島國際機場附近建造一座500千瓦的OTEC電站。“這些小島有可能成為第一批市場，因為它們都苦于對昂貴的進口燃料的依賴?！盉luerise首席執(zhí)行官雷米·布洛克（Remi Blokker）說。它們不會是最后一批，技術(shù)的進步有望讓OTEC成為主流能源。

多個研究團隊正在探究將OTEC與太陽能結(jié)合的可能性。意大利米蘭理工大學(xué)的保拉·龐巴達（Paola Bombarda）為一種新型OTEC電站建立了產(chǎn)出模型。這種電站在溫暖海水被用于蒸發(fā)氨之前，先利用太陽能提升其溫度。龐巴達發(fā)現(xiàn)，即使是廉價的太陽能集熱器——利用透鏡和管子收集熱量的簡單設(shè)備——也能將電站的日間發(fā)電量增至原來的3倍。

類似的技術(shù)使那些位置略顯偏北的國家的電站全年都能夠依靠OTEC運轉(zhuǎn)。在夏季，韓國周圍海域表層與深層水溫差異超過了20℃的最小臨界值，但到了冬天就不是這樣了。因此，為了實現(xiàn)全年運轉(zhuǎn)，固城郡韓國海洋研究院（KORDI）的工程師開始改造一座20千瓦的驗證電站，以便在表層海水遇到氨之前，來自太陽能、風(fēng)能和廢物焚化電站的熱量能夠先對它加熱。

一個更妙的點子是將OTEC與另一種不間斷能源結(jié)合起來。KORDI的金賢珠及其同事們正在尋求地?zé)崮軄硖岣吆Ｋ臏囟龋?以便在組合型“GeOTEC”電站中蒸發(fā)氨水。這樣的調(diào)整能使適合建造OTEC電站的“赤道腰帶”區(qū)域擴大一倍。

由于這些快速的進步，OTEC的光明前途已經(jīng)令環(huán)保人士憂心于其擴張的前景。美國國家海洋和大氣管理局等機構(gòu)已經(jīng)提出了關(guān)切，當(dāng)營養(yǎng)豐富且無菌的海水從沒有陽光的深海被引向溫暖而有陽光的海水中的那些饑餓的藻類時，是否會造成藻類的爆發(fā)。不過，維加指出，計算機模型顯示，只要冷海水被送回60米以下的深度，藻類爆發(fā)的風(fēng)險微乎其微。

為了消除這一微弱的風(fēng)險，英國倫敦的能源島公司為一種OTEC電站的設(shè)計申請了專利。在這種電站里，氨是在深層而非表層凝結(jié)成液體。該公司創(chuàng)始人多米尼克·米凱利斯（Dominic Michaelis）說，這意味著營養(yǎng)豐富的海水根本無需被泵送到表層。

另一個被提及的問題，表達了人們對可再生能源也曾經(jīng)引發(fā)過的關(guān)注：OTEC對環(huán)境是否會產(chǎn)生區(qū)域性和全球性的影響，比如改變?nèi)驓鉁兀?/p>

貨真價實的“蒸汽朋克”

令人欣慰的是，研究表明，OTEC能在不影響海洋的情況下提高OTEC產(chǎn)能。美國夏威夷大學(xué)海洋與資源工程系的研究人員對快速擴張的商業(yè)規(guī)模OTEC發(fā)電的影響建立了模型，其中包括全球溫鹽環(huán)流——在海洋中輸送深層海水的緩慢洋流網(wǎng)絡(luò)。他們發(fā)現(xiàn)，OTEC電站能安全地汲取7兆兆瓦的電量（將近全球能源消耗量的一半），且不會對海洋溫度造成明顯的影響。然而，論文作者也坦承，目前很難就OTEC對環(huán)境的影響拿出強有力的結(jié)論。

對于氣候變化可能對現(xiàn)有清潔能源技術(shù)帶來不可預(yù)見的影響，當(dāng)下顯然是往能源家族里添加新一代能源的大好時機。2013年7月，美國能源部發(fā)布了一份關(guān)于能源行業(yè)對氣候變化易感性的報告。其中認(rèn)為，高溫會降低用于水利發(fā)電和聚光太陽能熱發(fā)電的淡水量，后者需要用水來為高熱的設(shè)備降溫。

位于科羅拉多州戈爾登市的美國國家可再生能源實驗室的羅伯特·思雷舍 （Robert Thresher）指出，相比較而言，OTEC的可愛之處在于它不易受氣候變化的影響?！按蟛糠諳TEC資源都分布在赤道附近，用不著擔(dān)心那里的海洋表面溫度會有戲劇性的改變?！?/p>

說句公道話，氣候變化也可能擴大OTEC的適用區(qū)域，提高OTEC在全球的產(chǎn)出。思雷舍說：“當(dāng)海洋因氣候變化而變暖時，在離赤道更遠(yuǎn)的地方可能會發(fā)現(xiàn)更溫暖的表層海水。”盡管這一想法其他人也提出過，但他補充說，我只是“憑直覺”，需要嚴(yán)格的建模加以確認(rèn)。

一個更加難以確定的觀點是，深層海水可能在氣候變化過程中吸收大量熱量，縮小了至關(guān)重要的表層和深層海水的溫差。然而，根據(jù)2013年英國雷丁市歐洲中期天氣預(yù)報中心的瑪格達萊納·巴爾馬賽達（Magdalena Balmaseda）團隊發(fā)表的一項研究認(rèn)為，熱量的去向根本難有定論。巴爾馬賽達說：“熱量的吸收在空間、深度和時間上并不均勻?！?/p>

無論OTEC所依賴的溫暖赤道腰帶擴大與否，該項技術(shù)也許不會長時間只局限于赤道周邊國家。2013年2月在美國休斯敦市召開的近海研討會上，從事石油勘探和鉆井技術(shù)開發(fā)的SBM近海技術(shù)公司披露，他們正在設(shè)計一艘用于向遠(yuǎn)洋油井提供電力的10兆瓦OTEC發(fā)電船。因為建造地點離海岸越遠(yuǎn)，OTEC電站的費用就越高，而建造成本相對低廉的發(fā)電船則沒有這種局限。OTEC發(fā)電船可以漫游四海，搜尋溫差最合適的地點，通過釋放海底電纜將電力送回海岸。

OTEC技術(shù)的支持者相信，“游牧”在天海之間尋找電能的發(fā)電船才是OTEC技術(shù)的未來。為了繞開通過海底電纜向海岸輸電的問題，發(fā)出的電能可以在原地將海水電解為氫和氧，其中的氫被儲存在燃料電池中，運送到世界各地供人們使用。維加指出，一艘100兆瓦的OTEC發(fā)電船每小時能生產(chǎn)1.3噸液態(tài)氫，盡管目前的成本是一桶油的3倍，畢竟，氫能經(jīng)濟還剛剛起步。

不管怎么說，盡管過了這么多年之后，我們才發(fā)現(xiàn)儒勒·凡爾納還是很有遠(yuǎn)見的，只不過他想得太小而已。海洋不僅僅能夠驅(qū)動一艘船，借助成群結(jié)隊的船，海洋的能量將可以供養(yǎng)全世界。這才是貨真價實的“蒸汽朋克”。

[資料來源：New Scientist][責(zé)任編輯：則 鳴]