方陵生/編譯
利用潮汐能量轉(zhuǎn)動扇葉發(fā)電:圖為安裝在英國斯特蘭福德灣的潮汐-電能轉(zhuǎn)換設(shè)備
●經(jīng)過幾年的沉寂之后,從海洋中獲取能量的探索開始加速。位于澳大利亞珀斯弗里曼特爾港的卡內(nèi)基波能發(fā)電試驗場,計劃6月正式啟動浮筒式波浪能發(fā)電設(shè)備。這是海洋能源開發(fā)的一次最新嘗試。
在距澳大利亞西部珀斯附近海岸線幾千公里外的海里,隱藏在波浪之下的三個巨大浮筒狀物體,將很快會隨著印度洋洋流的起伏開始發(fā)電。這三個橙色的浮筒寬11米,高5米,看似像三個巨型南瓜:波浪經(jīng)過時,浮筒驅(qū)動海底的液壓泵,將海流的動能轉(zhuǎn)化為電能,可以為附近的海軍基地提供720千瓦的電力。
相當一段時間以來,有關(guān)海上能源開發(fā)的進展受到各方密切關(guān)注,但該行業(yè)發(fā)展緩慢,迄今所設(shè)計的許多海洋能源技術(shù)都未能充分證明其價值,而幸存下來的則寥寥無幾。過去幾十年里,有十多家公司用于海洋能源開發(fā)的總投資高達約7.35億美元,其中利用潮汐和波浪發(fā)電的技術(shù)始終未能真正起飛。事實上,目前它仍然是地球上最昂貴的能源形式。
在過去幾年里,幾家領(lǐng)先的創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)開始嘗試利用潮汐這種最簡單的海洋發(fā)電形式。去年,倫敦彭博新能源經(jīng)濟資訊曾預(yù)計,足以為250個家庭供電的發(fā)電量達一兆瓦以上的22個潮汐發(fā)電項目,以及17個波浪發(fā)電項目的設(shè)備安裝將在2020年之前完成。今年3月,加拿大芬迪灣的三個項目獲得了批準(芬迪灣是世界上擁有最大潮汐的地區(qū)之一)。
從理論上說,海洋中蘊藏著可以滿足全球所需電力的能量,而且不會給地球大氣帶來任何污染,可以為人類提供一種比風能和太陽能更為可靠的能源。海洋能源同時也是一種區(qū)位優(yōu)勢能源:大約44%的世界人口居住在海岸線150公里范圍內(nèi)的沿海地區(qū)。比如,通過在海灣建立水壩阻攔海水,一些國家利用海潮發(fā)電的做法已經(jīng)實行了幾十年,雖然其潛在的環(huán)境影響還有待進一步評估,但許多研究者認為,海洋能源無疑是一種比風能更為環(huán)保的能源。
應(yīng)該說,波浪發(fā)電行業(yè)是一種開發(fā)潛力大、其前景難以預(yù)測的能源形式。盡管屢遭挫折,包括今年3月縮減的俄勒岡州海岸波浪開發(fā)計劃的決定,但毫無疑問的是,上述兩種形式的海洋能源開發(fā)最終將成熟并發(fā)展起來。
根據(jù)專家的設(shè)想,大海終將會為各國沿海城市提供大量的無碳電力。“盡管海洋發(fā)電比人們預(yù)期的更為困難,但其可行性同樣也得到了證明?!睔W洲海洋能源中心(EMED)的尼爾·卡莫德(Neil Kermode)說道。EMED是英國奧克尼群島波浪和潮汐發(fā)電設(shè)備測試的主要機構(gòu)?!巴ㄟ^海水流動發(fā)電的可行性已經(jīng)得到了證明,這是向海洋能源開發(fā)邁出的一大步。”他說。
海浪中蘊含著巨大的能量,但要開發(fā)出能提取海洋能量、同時又能承受嚴酷海洋環(huán)境的技術(shù)則是一個完全不同的挑戰(zhàn)。而卡內(nèi)基波能發(fā)電試驗場設(shè)計的浮筒式波浪發(fā)電設(shè)備則具有避免波濤對設(shè)備造成破壞的優(yōu)勢,同時,其浸入式設(shè)計可以讓發(fā)電設(shè)備隱而不見,避免了有關(guān)風力發(fā)電場影響環(huán)境美觀的爭論。
在海浪的起伏作用下,浮筒式波浪發(fā)電系統(tǒng)的海底泵將水流在一個大約3公里的閉環(huán)中循環(huán)流動(閉環(huán)一直延伸到岸邊的發(fā)電設(shè)備),其運行原理就像一個風笛,系統(tǒng)將波浪的能量積聚后釋放,源源不斷地產(chǎn)生電力。位于珀斯海岸線的這三臺設(shè)備,每一臺能產(chǎn)生240千瓦的電力。
卡內(nèi)基首席運營官格雷格·艾倫(Greg Allen)認為,這顯然不是一個商業(yè)項目,但它代表了一種進步。艾倫指出,在同一個水域,每臺設(shè)備的發(fā)電能力是2001年測試結(jié)果的三倍。據(jù)艾倫預(yù)計,第一個商業(yè)化波浪發(fā)電項目最早可能于2018年完成。為了在波浪發(fā)電市場上立足,他們的目標是與島嶼上的柴油發(fā)電設(shè)備一爭高下。
位于英國愛丁堡的海蛇波浪能公司采取的是另一種不同的技術(shù),即通過一組(5個)連接在一起的漂浮在海上可以像蛇一樣扭動的浮筒,“蛇身”的每一節(jié)都可獨立運動,每個節(jié)點處的液壓泵利用這種方式驅(qū)動水流至船載發(fā)電機。該公司正在奧克尼群島測試點對一對750千瓦的波浪發(fā)電設(shè)備進行測試,其中一臺是與蘇格蘭電力可再生能源公司合作經(jīng)營的,其新增加的一些組件有助于減少液壓系統(tǒng)的內(nèi)部磨損。目前公司正在通過計算,讓16個液壓泵單獨自行調(diào)整,以提升波浪能產(chǎn)能的最大化。
海蛇波浪能公司在去年進入這一領(lǐng)域時,正值德國能源巨頭E.ON能源集團退出在奧克尼群島一個為期三年的設(shè)備測試項目,盡管公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官理查德·耶穆(Richard Yemm)對波浪能發(fā)電前景保持樂觀,也坦承“我們需要大公司的高端技術(shù)能力?!?/p>
彭博新能源經(jīng)濟資訊主編安格斯·麥克龍(Angus McCrone)說道:“一些公司已經(jīng)投入了很多資金,但現(xiàn)在卻發(fā)現(xiàn),他們將不得不投入更多的錢去開發(fā)商業(yè)化的海洋發(fā)電設(shè)備?!蹦壳斑€沒有成功開發(fā)出能承受海洋惡劣環(huán)境和24小時持續(xù)發(fā)電的設(shè)備,這也是波浪能發(fā)電吸引力較小的原因之一。
目前用于英國斯特蘭福德灣的潮汐發(fā)電設(shè)備是最先進的,該設(shè)備是由英國布里斯托爾的Tidal洋流渦輪機公司設(shè)計。據(jù)該公司稱,該設(shè)備占了潮汐發(fā)電行業(yè)迄今總發(fā)電量的90%以上,即每天兩次約3.5億立方米的潮汐通過一個狹窄的海峽進入斯特蘭福德灣,然后返回大海。每一次海潮的漲落,都會通過固定在海床上一座中央塔座上的一對16米長的螺旋槳,海水以相當于每小時555公里的風速轉(zhuǎn)動著螺旋槳,每分鐘15轉(zhuǎn),產(chǎn)生1.2兆瓦的電力。
潮汐發(fā)電取得的成就引起了德國慕尼黑市西門子公司的興趣,并于2012年接手了洋流渦輪機公司。洋流渦輪機公司目前計劃在威爾士的海岸部署首批五臺2兆瓦潮汐發(fā)電設(shè)備 (每臺成本約900萬英鎊),預(yù)計在2016年前完成。新設(shè)備除了增加機器的尺寸之外,還另外增加了一個螺旋槳(共三個扇葉)。公司董事長凱·科爾摩爾(Kai Kolmel)說道:“我認為一些風險投資家對潮汐發(fā)電信心不足。事實上,這本來就不是一個快速贏利的行業(yè),風能發(fā)電也同樣如此。”
美國波特蘭緬因州海洋可再生能源公司首席執(zhí)行官克里斯托弗·索爾(Christopher Sauer)認為,即使有了西門子這樣的公司參與,該產(chǎn)業(yè)所面臨的最大挑戰(zhàn)仍然是吸引足夠的資金來滿足工程設(shè)計和樣機建造的需要。索爾的公司已經(jīng)在緬因州海岸線附近設(shè)置了一種簡單而獨特的潮汐發(fā)電設(shè)備,看似有點像聯(lián)合收割機上不斷旋轉(zhuǎn)著的葉片。該公司目前正在加緊研究第二代設(shè)備,或?qū)⒂?015年完成設(shè)備的安裝工作。
與風力渦輪機造成鳥類死亡引發(fā)的爭議一樣,海上能源行業(yè)也遭遇到一些類似的問題。比如,洋流渦輪機公司在獲準測試之前,被要求必須在其渦輪機上設(shè)置海豹能夠發(fā)現(xiàn)的標志物,如果有海豹接近的話,就能夠觸發(fā)緊急關(guān)閉按鈕(事實上這樣的事情沒有發(fā)生過)。包括愛爾蘭OpenHydro公司設(shè)計的海底渦輪機,由于人們擔心其會將虎鯨變成生魚片,導致西雅圖附近的普吉特海灣的一次設(shè)備測試計劃幾近夭折。
就緬因州潮汐發(fā)電設(shè)備附近的魚類活動情況,美國緬因大學魚類學家蓋爾·齊德沃斯基 (Gayle Zydlewski)坦稱,目前獲得的數(shù)據(jù)有限,大多數(shù)魚類似乎會避開海底渦輪機。但她憂慮的是,“如果在它邊上還有另一臺機器的話呢,魚類會不會避無可避呢?”齊德沃斯基的目標是收集更多的現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以確定波浪發(fā)電設(shè)備對海洋生態(tài)的潛在影響。包括美國能源部進行的一些測試實驗,即讓魚類通過渦輪機,或讓魚類暴露于與海底電纜類似環(huán)境的電磁場中,實驗數(shù)據(jù)都表明,魚類并未受到永久性的傷害。
那么波浪發(fā)電設(shè)備會影響生活在普吉特海灣附近的逆戟鯨嗎?美國能源部太平洋西北國家實驗室的研究小組為此進行了研究,以了解渦輪機對鯨魚的可能影響,包括查找文獻資料和建立模型進行測試。去年,當有死亡的鯨魚被沖上西雅圖附近的海岸后,測試人員利用計算機斷層掃描技術(shù)對鯨魚的頭骨、皮膚和脂肪厚度進行了掃描,然后用掌握的信息改進了模型。
在今年1月份公布的這項研究結(jié)果表明,如果逆戟鯨迎頭撞上渦輪片,只是受點輕傷,或是可以避開的。研究小組的海洋生物學家安德烈亞·科平(Andrea Copping)認為,鯨魚只有與船只相撞,顎骨斷裂,才會導致其死亡。而逆戟鯨與渦輪片相撞的力量并不足以導致這樣的傷害。”今年3月20日,普吉特海灣測試渦輪機的提議獲得了聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會的批準。
有關(guān)潮汐發(fā)電或波浪發(fā)電的環(huán)評,在去年1月首次發(fā)布的報告中主要集中在三個方面:海洋生物的相互作用、渦輪機噪音以及從海洋提取能源和水流變緩產(chǎn)生的影響。研究小組報告稱,迄今,沒有證據(jù)表明開發(fā)海洋能源會對海洋動物或水流產(chǎn)生重大影響,盡管大規(guī)模海洋發(fā)電項目的影響目前還難以預(yù)測。
至于噪音問題,研究小組分別對每臺設(shè)備測試后發(fā)現(xiàn),噪音對魚類產(chǎn)生的影響相當于青少年參加了一次搖滾音樂會,似乎沒有什么大的影響。但如果噪音太大,比如更多的設(shè)備、加上水流運動產(chǎn)生的聲音,這對于以聲音進行交流的鯨魚或其他海洋生物來說,其影響很難預(yù)測。
加拿大的芬迪灣是當前的熱點之一,其三個項目中包括安裝由OpenHydro公司提供的4兆瓦的發(fā)電設(shè)備,到2015年足可為1 000戶家庭提供用電。如果一切順利,該公司希望通過擴大設(shè)備,增加產(chǎn)能,最終達到300兆瓦電力的生產(chǎn)能力。雖然這只相當于一個小型燃煤發(fā)電廠,但這是海洋能源開發(fā)邁出的重要一步。
今年3月20日,當普吉特海灣測試渦輪機的提議獲得聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會批準后,麥克龍說道:“最終,海洋能源產(chǎn)業(yè)將騰飛起來,因為海洋中蘊藏著取之不盡的能量?!?/p>