海洋發(fā)電場

文穎

利用海水溫差發(fā)電的探索，為人類向海洋發(fā)展描繪了美好的前景。也許在未來的某一天，隱藏在海洋中的能量可以供給世界運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能源。

早在1870年，科幻小說家儒勒·凡爾納就在《海底兩萬里》中有這樣一段充滿想象力的描述：“就人類信仰而言，全世界最大的能量是光與愛;而就無限能源而言，非‘海洋能莫屬！”

何謂“海洋溫差發(fā)電”？

19世紀(jì)工業(yè)革命，西方國家完成了從工廠手工業(yè)向機(jī)器大工業(yè)過渡的階段，機(jī)器逐漸取代了人力，把人類推向了嶄新的“蒸汽時代”。21世紀(jì)，潛藏在海洋中的巨大能量成為人類熱切關(guān)注的對象。人們似乎將要迎來前所未有的“海洋蒸汽時代”。那么，凡爾納一百多年前的構(gòu)想，如今能否走向現(xiàn)實(shí)呢？

理論上講，海洋溫差發(fā)電（也稱海洋熱能轉(zhuǎn)換）能夠提供相當(dāng)于全世界人類所消耗電力的4千倍。利用海洋溫差發(fā)電這個設(shè)想相當(dāng)宏大，既不會污染環(huán)境又不會排放溫室氣體，被人們寄予厚望。然而，回到現(xiàn)實(shí)中，該設(shè)想?yún)s因諸多難題而被擱置多年。

2014年，全球各地如雨后春筍般涌現(xiàn)了眾多與之相關(guān)的項(xiàng)目，而項(xiàng)目執(zhí)導(dǎo)者們都是精明能干的實(shí)用主義者。究竟發(fā)生了什么？

“海洋溫差發(fā)電”這一點(diǎn)子，極有可能是凡爾納為了解決尼摩船長的難題而想出來的。尼摩船長是凡爾納筆下的一位主人公，他迫切需要電力在深海中驅(qū)動他的鸚鵡螺號潛艇。那是“海洋溫差發(fā)電”這個名詞首次出現(xiàn)。尼摩船長告訴他的水手：“將‘兩根電線伸入不同深度，形成電路，便有可能通過溫度的差異來獲得電能。”該書出版11年之后，法國物理學(xué)家雅克·阿瑟·阿松瓦爾首次提出利用海水溫差發(fā)電這一設(shè)想，不過該設(shè)想被埋沒了近半世紀(jì)。他認(rèn)為，采用管道而非電纜，利用深海的冷水和溫暖的表層海水之間的溫差來產(chǎn)生蒸汽能量，從而實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)。

這絕對是一個高明的想法。因?yàn)楹Ｑ笫且粋€巨大且不斷吸收太陽能的存儲介質(zhì)，海洋中蘊(yùn)藏著豐富的熱能。太陽每年供應(yīng)給海洋的熱能大約有60多萬億千瓦，這樣龐大的能量，除了一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ａ鞯膭幽芎退魵獾难h(huán)外，都直接以熱能的形式儲存在海水中，主要表現(xiàn)為海水表層和深層之間的溫差。通常情況下，大部分熱量都存儲在距海平面100米以上的表層海水中，海水表層溫度可達(dá)20～28℃，而在海平面1千米以下，水溫卻只有4～5℃。深海洋流以及暗流等使深層水溫常年保持恒定。這樣來看，上下水層之間溫差保持在20℃左右，說明“海洋溫差發(fā)電”這一設(shè)想的確極具潛力。

目前，全世界幾乎所有的核電站和燃煤電廠都離不開渦輪蒸氣機(jī)驅(qū)動?；鹆Πl(fā)電和核能發(fā)電是以熱能使水沸騰，利用蒸汽帶動渦輪機(jī)，然后發(fā)電。但其產(chǎn)生的蒸汽要么靠燃燒污染大氣的煤，要么會產(chǎn)生可怕的核廢料。相比之下，海洋溫差發(fā)電提供的蒸汽能量最為清潔且在理論上是沒有上限的。

那么，海洋溫差發(fā)電具體是如何運(yùn)作的呢？在海洋溫差發(fā)電中，巧妙運(yùn)用到了氨水和水的混合液。水的沸點(diǎn)是100℃，而氨水的沸點(diǎn)是零下33℃，相比之下后者更容易沸騰。為了從溫度差中獲取能量，工程師將溫暖的表層海水加入內(nèi)層裝有氨水等低沸點(diǎn)液體的管道。氨水沸騰后，其蒸汽推動渦輪機(jī)，即可發(fā)電。之后，工程師再將深層冰冷的海水泵入蒸汽管道進(jìn)行冷卻，導(dǎo)致氨蒸氣冷凝回液體狀態(tài)，進(jìn)入下一個溫度循環(huán)。

難度超乎想象

100多年前，人們就開始利用潮汐發(fā)電。近幾年來，利用海浪、洋流發(fā)電的技術(shù)也開始被采用。然而，人們的探索并不滿足于此，海洋溫差發(fā)電技術(shù)如果能夠成功運(yùn)用，估計至少能滿足全世界對能源需求的20%左右。

赤道地區(qū)（包括熱帶和亞熱帶）擁有建造海洋溫差發(fā)電的良好條件，因?yàn)槌嗟赖貐^(qū)海洋的溫差更為明顯。在太陽的強(qiáng)烈照射下，熱帶地區(qū)表層海水均溫可達(dá)30℃，而深層海水均溫大約為5～10℃。這種終年形成的20℃以上的垂直海水溫差可以很輕松地實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電，因此海洋溫差發(fā)電項(xiàng)目在熱帶和亞熱帶地區(qū)最為適用。

由于發(fā)電介質(zhì)是海水，燃料費(fèi)用幾乎為零，這項(xiàng)新技術(shù)似乎不久即可達(dá)到實(shí)用階段。然而，工程師進(jìn)行電腦模擬發(fā)現(xiàn)，由于海水之間的溫差至少要達(dá)到20℃才能使發(fā)電過程運(yùn)轉(zhuǎn)起來。要達(dá)到這個要求，需要長達(dá)1000多米的巨型管道，管道需要足夠粗，同時還能承受住海流的影響。所以，海洋溫差發(fā)電設(shè)備的規(guī)模必須造得很龐大才能獲得足夠的電力，同時，大量資金需要預(yù)先投入，因此海洋溫差發(fā)電的成本不一定比火電站和核電站低。另外，海洋溫差發(fā)電的能量密度低，其效率僅為3%～6%，比火力發(fā)電的40%要低得多。

盡管面臨諸多困難，工程師們還是不斷努力，希望海洋溫差發(fā)電能夠達(dá)到實(shí)用階段。其中最雄心勃勃的一次嘗試是在20世紀(jì)70年代。當(dāng)時石油危機(jī)爆發(fā)，美國總統(tǒng)吉米·卡特簽署了一項(xiàng)命令：在1999年之前，務(wù)必采用海洋溫差發(fā)電技術(shù)生產(chǎn)高達(dá)1萬兆瓦的電力。但后來，由于石油價格一降再降，替代石油的“海洋溫差發(fā)電”方案再次被無限期擱置。

成為主流指日可待

長遠(yuǎn)來看，由于石油等全球不可再生能源對氣候和環(huán)境產(chǎn)生的不良影響，使得可再生能源受到各國的普遍重視。但是，大多數(shù)可再生能源（如風(fēng)能和太陽能）也不是無限制的，因?yàn)樗鼈冎辉谟酗L(fēng)和有陽光的條件下才能產(chǎn)生電力。相比之下，海洋溫差發(fā)電卻可24小時全天候運(yùn)作。海洋溫差發(fā)電這個19世紀(jì)的構(gòu)想也許能成為21世紀(jì)可再生能源的有力“候補(bǔ)成員”。

近海油氣工業(yè)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，1000多米的深海操作在該行業(yè)已經(jīng)司空見慣。幾十年前，美國一家公司將橋梁技術(shù)和渦輪機(jī)制造技術(shù)融合在一起——兩者都采用先進(jìn)的、超輕超強(qiáng)的玻璃纖維和樹脂復(fù)合材料——設(shè)計出價格低廉、強(qiáng)度和靈活性足以承受洋流壓力和張力的超級管道。更重要的是，這些管道能夠在海面浮動平臺上組裝，避免了大型裝置遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險，這為海洋溫差發(fā)電的開發(fā)前景鋪平了道路。

美國負(fù)責(zé)研究海洋溫差發(fā)電的路易斯·維加估算道：“海洋溫差發(fā)電的技術(shù)在不斷進(jìn)步，現(xiàn)在建造一座100兆瓦的海洋溫差發(fā)電場大約需要花費(fèi)7.9億美元。如果把建造費(fèi)用和運(yùn)行成本都計算在內(nèi)，電費(fèi)大約為每度18美分。這與美國能源部門估算的煤炭和太陽能電費(fèi)相差不大，前者為每度14美分，后者為每度14～16美分。

1930年，阿松瓦爾的學(xué)生克勞德在古巴海濱建造了世界上第一座海水溫差發(fā)電站。2013年，一座50千瓦的海洋溫差發(fā)電站在日本久米島開始運(yùn)作。同年，美國夏威夷也建好了一座100千瓦的實(shí)驗(yàn)電站。2014年，荷蘭開始在加勒比海的庫拉索島建造一座500千瓦的電站。由此看來，較小的島嶼有幸成為了第一批海洋溫差發(fā)電站的“寵兒”，因?yàn)樗鼈兪忠蕾囘M(jìn)口燃料并苦于其高昂的價格。這些進(jìn)展使得海洋溫差發(fā)電有望成為主流發(fā)電方式之一。目前，海洋溫差發(fā)電站已經(jīng)出現(xiàn)在世界各地。日本、法國、比利時等國都已經(jīng)建成了海洋溫差發(fā)電站，功率從100千瓦到5000千瓦不等，上萬千瓦的電站也正在籌建之中。

技術(shù)創(chuàng)新意義重大

目前，各國多個研究小組正在研究將海洋溫差發(fā)電與太陽能相結(jié)合的可能性。意大利的保拉·蓬巴模擬出了一款熱能轉(zhuǎn)換裝置，它先利用太陽能將海水溫度提高，再蒸發(fā)液體氨。她發(fā)現(xiàn)，即使是低成本的太陽能集熱器，也可以將電站白天的發(fā)電量提高到原先的3倍。

類似的新技術(shù)還可以幫助到北半球一些能源匱乏的國家。在夏季，韓國周邊海水表面和深層海水之間的溫差超過了20℃。但在冬季，情況就不同了。因此，要讓海洋溫差發(fā)電站終年運(yùn)轉(zhuǎn)，韓國海洋研究與發(fā)展研究所的高城郡教授改造了一座20千瓦的電站，他讓表層海水在遇到氨水之前，先利用來自太陽能、風(fēng)電場和垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生的電能提前對它進(jìn)行預(yù)熱，以保持它與深層海水之間的溫度差。

另一個好辦法是將海洋溫差發(fā)電與地?zé)崮茉聪嘟Y(jié)合。韓國海洋研究院的賢菊和他的同事正在尋找合適的地?zé)崮茉?，希望利用地下深處源源不斷的熱能，將表層海水加熱，以保持溫差。這一創(chuàng)新舉措能夠大大擴(kuò)展適合建造海洋溫差發(fā)電的區(qū)域。

鑒于該項(xiàng)目的迅速發(fā)展，海洋溫差發(fā)電受到各國的普遍重視。但環(huán)保人士還是憂心忡忡：富含無機(jī)營養(yǎng)成分的深層海水被引到上層水域時，是否會導(dǎo)致海中的藻類瘋狂繁殖？但具計算機(jī)模型顯示，只要深層海水被泵出的深度仍在水深60米以下，藻類大量繁殖的風(fēng)險可以說幾乎為零。但是，為了消除哪怕一點(diǎn)點(diǎn)可能會面臨的風(fēng)險，而采取的措施都是值得的。為此，英國的一家能源公司用獨(dú)特的設(shè)計方案解決了這一問題，并為此申請了專利。在該公司設(shè)計建造的電站中，改變了把深層海水泵入海洋表層作為冷卻水的做法，而是直接將蒸發(fā)出來的氨蒸氣輸送到海洋深層進(jìn)行冷凝。這意味著，營養(yǎng)豐富的深層海水將永遠(yuǎn)不需要被泵送到表面了。

另外一個之前研究的問題是，海洋溫差發(fā)電是否會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境和全球產(chǎn)生影響，比如導(dǎo)致氣候變暖？

令人欣慰的是，研究表明，我們能夠在不影響海洋的情況下提高海洋溫差發(fā)電的產(chǎn)能。美國研究者對海洋溫差發(fā)電站可能導(dǎo)致的影響建立了模型，其中包括全球溫鹽環(huán)流（溫鹽環(huán)流是指依靠海水溫度和含鹽度驅(qū)動的全球洋流循環(huán)系統(tǒng)）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電站可以安全地獲取7太瓦（1太瓦等于1012瓦特）的電力，相當(dāng)于全球能源消費(fèi)量的一半，而且并不會對海洋溫度造成任何顯著的影響。然而論文作者也承認(rèn)，很難就海洋溫差發(fā)電站對環(huán)境的影響作出明確的結(jié)論。

發(fā)電船只敬請期待

建造地點(diǎn)離海岸越遠(yuǎn)，發(fā)電場的造價就會越昂貴，而建造成本低廉的船則不受此約束。2013年2月，在美國休斯敦召開的海洋專題研討會上，一家能源公司公布，他們正在研發(fā)設(shè)計10兆瓦海洋溫差發(fā)電船。海洋溫差發(fā)電船可以在海上四處尋找具有最佳溫度差的海域，利用海底電纜向海岸輸送電力。

事實(shí)上，許多研究者都相信，徜徉在天海之間尋找電能的發(fā)電船才代表了該技術(shù)的未來。為了解決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，然后把氫存儲到燃料電池中運(yùn)往全世界使用。一艘10兆瓦的海洋溫差發(fā)電船每小時可以生產(chǎn)1.3噸的液態(tài)氫，盡管目前成本還是生產(chǎn)一桶原油的3倍。但技術(shù)的進(jìn)步能進(jìn)一步降低成本，而且氫是完全綠色可持續(xù)利用的能源。

對于海水溫差發(fā)電的探索，為人類向海洋發(fā)展描繪了美好的前景。也許在未來的某一天，隱藏在海洋中的能量將能供給全世界運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能源。