海洋蒸气机从科幻走向现实

如果说,有哪种能源配得上“蒸汽朋克”的名号,那就非海水温差发电莫属了。维多利亚时代的科幻?没错:早在1870年,儒勒·凡尔纳(Jules Verne)就在《海底两万里》中构想过这种可能。19世纪前后的机械技术?没错。后启示录未来可再生能源的有力候选?这一条不妨也打上个勾。

海洋蒸气机

人们显然曾经对这一技术寄望过高。理论上来讲,海水温差发电(OTEC)在任何年份内,都能够提供相当于全世界需求4000倍的能量,而且不会产生污染和温室气体。然而在现实中,这项技术因为难以实现而久被搁置。

2014年,全世界出现了很多与之有关的项目,数量之多令人瞠目,而且领头者都不是堂吉诃德式的空想家,而是像航空航天工业巨头洛克希德·马丁那样精明的实用主义者。那么,究竟是什么发生了变化?

OTEC的想法,有可能是凡尔纳为了解决尼莫船长的难题而构思出来的。这位凡尔纳笔下深海探险故事的主人公需要电力来驱动他的鹦鹉螺号潜水艇。那部小说是OTEC第一次见诸文字。“将两条电线探入不同深度,并在之间形成电路,便有可能利用它们接触到的温度差异获得电能,”尼莫对他的同船旅伴讲道。该书出版11年后,法国物理学家雅克-阿尔塞纳·达松瓦尔(Jacques-Arsène d’Arsonval)提出了以此为原理的电站的第一种实际设计。他采用的是管道而非电缆,来开发冰冷深海和温暖洋面之间的温差,以产生蒸汽能量。

这是个绝妙的主意。海洋是一个巨大而且不断得到补充的太阳能存储介质。这些热量大部分存储在最顶层的100米以内,而在1000米以下,来自极地的海水基本上总是保持在4至5℃。

为了从这种热量差异中获得能量,现代系统将温暖的表层海水泵过装有氨之类低沸点液体的管道。氨沸腾之后,蒸汽用来驱动涡轮产生电能。之后冰冷的深层海水在管道中流过蒸汽,使其重新凝结成液体,准备下一轮循环。基本上,全世界所有的火力和核能电站都要由蒸汽涡轮驱动,但是它们产生蒸汽要么靠燃烧污染大气的煤炭,要么会产生阴魂难散的核废料。OTEC提供蒸汽的方式却是清洁而且理论上无限制的。

电能之洋
那是理想世界里发生的事情。在现实中,海洋热梯度给予的东西,都会被设备夺走。主要的问题在于获取深层的冷水:泵送电站运转所需的巨量海水需要1000米长的管道,而且管道尺寸和强度还要足以承受生产每一千瓦电力所需的每秒数立方米海水的流量。把过程中所有的低效因素考虑在内后,OTEC电站的理论效能跌到了可怜兮兮的4%至6%。

基于这个原因以及其他一些因素,表层和深层海水的温差至少要达到20度才能够使整个过程运转起来。这样的条件只存在于地球上赤道两旁包括热带和亚热带在内的一条相对狭窄的带状区域里。

尽管受到这些限制,整个20世纪,人们还是在不断努力,力求实现OTEC。其中最有雄心的一次,是被上世纪70年代的石油危机激发的。时任美国总统吉米·卡特(Jimmy Carter)签署了一项法律,要在1999年之前采用此项技术生产1万兆瓦的电力。可是后来石油价格又跌了下去,石油能源的替代方案再次落到了待办事宜列表的末尾。

因此,当洛克希德·马丁2013年宣布将在中国南部沿海开始建造一座10兆瓦电站时,这条新闻明显没有提起人们的兴趣。这样的事情大家都见得多了。

不过详查一番便会发现,该项目也许正标志着OTEC发生了重大变化。借力于其他可再生能源、石油工业,甚至可能还有气候变化等种种古怪因素,这项19世纪的技术成为21世纪可再生能源结构一份子的时刻,大概终于到来了。

OTEC电站,受限于海洋表层与深层海水的温差,只能在地球的“赤道腰带”区域发挥作用。点击查看大图。图片来源:《新科学家》

很多数字方面的考量正在发生变化。OTEC的效率或许不高,但由于它使用的是充足而免费的海水,如果规模足够大,在经济上仍然是可行的。石油价格不稳定,气候变化正日益紧迫地推动着替代能源的开发。风能和太阳能等可再生能源断续无常的弱点——就是说只在有阳光或者有风的时候才能产生电力——仍在阻止它们成为主流。而海洋热能公司的特德·约翰逊(Ted Johnson)说,OTEC电站能够24小时运转。这家公司计划将这项技术商业化。全天候的电力生产意味着OTEC电站可以简单直接地代替化石燃料电站接入城市电网,整合产能难料的太阳能和风能时所必需的调整及平衡工作可以省下了。

但是如果设备运行需要的电力比它能提供的还多,这样的电站又有什么用呢?在这一方面同样有了进步。洛克希德·马丁公司采用了建造桥梁和风力涡轮的技术——两者都利用高级玻璃纤维和复合树脂来制造超轻、超强的材料——来设计价格低廉但是强度和灵活性足以承受洋流的压力和张力的管道。更棒的是,这种管道可以在OTEC电站自己的洋面平台上组装,并且逐步沉入水下,避免了运输及施放庞大结构的风险。2003年,孟加拉湾一项本来挺有前途的OTEC项目不得不告吹,因为在建造一座1兆瓦电站的过程中,工程师弄丢了他们的第一根管道及其备件。

此外,近海油气工业也提供了数不清的教训,1000多米的深海操作在该行业已经司空见惯。这使得那些仅在20年前才刚刚能够商业采购的设备又要重新开始设计。

美国夏威夷大学自然能源研究所研究OTEC的路易斯·维加(Luis Vega)说,多亏了这些进步,现在建造一座100兆瓦的电站大约需要7.9亿美元。把OTEC电站的建造和运行成本都计算在内后,维加估计产出的电力价格大约是每度电18美分。这与美国能源部估算的火力和太阳能发电的价格相去不远,前者是每度电14美分,其中涵盖了碳捕捉和存储的费用,后者是14至26美分。

在这种不同于以往的大环境中,OTEC项目在全世界开始呈雨后春笋之势。2013年,一座50千瓦的示范性OTEC电站在日本冲绳县的久米岛开始运行。同时在夏威夷,马凯海洋工程公司正在其位于夏威夷大岛的海洋能源研究中心建造一座100千瓦的电站。2014年,荷兰代尔夫特理工大学衍生公司Bluerise计划在加勒比海库拉索岛国际机场附近建造一座500千瓦的OTEC电站。“这些小岛有可能成为第一批市场,因为它们都苦于对昂贵的进口燃料的依赖,”Bluerise的首席执行官雷米·布洛克(Remi Blokker)说。

但它们不会是最后一批。最新的技术进步将有望让OTEC成为主流。

OTEC电站利用海洋表层与深层海水的温差来发电。图片来源:《新科学家》

改良OTEC
多个研究团队正在探究将OTEC与太阳能结合的可能性。意大利米兰理工大学的保拉·蓬巴达(Paola Bombarda)为一种新型OTEC电站建立了产出模型。这种电站在温暖海水被用于蒸发氨之前,先利用太阳能提升其温度。她发现就算是廉价的太阳能集热器——利用透镜和管道收集热量的简单设备——也能将电站的日间产出增长到原来的3倍。

类似的技术使那些位置略显偏北的国家的电站全年都能够依靠OTEC运转,比如韩国。在夏季月份,韩国周围海域表层与深层水温差异超过了20℃的最小临界值,但到了冬天就不是这样了。因此,为了实现全年运转,固城郡韩国海洋研究院(KORDI)的工程师开始改造一座20千瓦的验证电站,以便在表层海水遇到氨之前,来自太阳能、风能和废物焚化电站的热量能够先对它加热。

一个更加绝妙的主意是,将OTEC与另一种全天候能源结合起来。KORDI的金俊贤(Hyeon-Ju Kim,音译)及其同事正寻求在所谓复合型“GeOTEC”电站中用地热能加热蒸发氨的海水。这样的改进能够使适合建造OTEC电站的“赤道腰带”区域扩展一两倍。

由于这些快速的进步,OTEC的光明前途已经令环保人士忧心于其扩张的前景。美国国家海洋和大气管理局以及其他一些机构已经提出了关切,当营养丰富而无菌的海水从没有阳光的深层被引向温暖而有阳光的海水中那些饥饿的藻类时,会不会引起藻类的爆发。不过维加说,计算机模型显示,只要冷水被送回60米以下的深度,藻类爆发的风险微乎其微。

为了消除这已经很微弱的风险,英国伦敦的能源岛公司为一种OTEC电站的设计申请了专利。在这种电站里,氨是在深层而非表层凝结成液体。该公司创始人多米尼克·米凯利斯(Dominic Michaelis)说,这意味着营养丰富的海水根本不需要被泵送到表层。

另外一个被人提出的问题,表达出了其他可再生能源也曾经引发过的关切:OTEC对环境是否会产生当地和全球性影响,比如改变全球气温?

令人欣慰的是,研究表明我们能够在不影响海洋的情况下提高OTEC产能。美国夏威夷大学海洋和资源工程系的研究者对迅速扩张的商业规模OTEC发电的影响建立了模型,其中包括全球温盐循环——在海洋中输送深层海水的缓慢洋流网络。他们发现,OTEC电站能够安全地攫取7太瓦的电力,相当于全球能源消费量的接近一半,也不会对海洋温度造成任何值得注意的影响。然而论文作者们也承认,很难就OTEC对环境的影响拿出强有力的结论。

由于目前的清洁能源技术都可能遭受气候变化不可预知的影响,显然是时候往能源结构里加入一种新的可再生能源了。2013年7月,美国能源部发表了一份关于能源行业在气候变化面前弱点的报告,其中认为高温会降低用于水利发电和聚光太阳能热发电的淡水量,后者需要用水来为高热的设备降温。

美国科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的研究员罗伯特·思雷舍(Robert Thresher)说,比较而言,OTEC的可爱之处是,它似乎不会受到气候变化的影响。他说:“大部分OTEC资源都分布在赤道附近,你不必担心那里的海洋表层温度会发生显著的变化。”

电出于蓝
事实上,气候变化甚至还可能扩大OTEC适用区域,从而提高全球OTEC产量。思雷舍说:“当海洋随着气候变化而变暖,你可能在离赤道更远的地方发现更加温暖的表层水。”尽管这个想法也被别人提出来过,他还是急忙补充说,这是个“直觉见解”,需要严格的建模来确认。

一个更加难以确定的观点是,深层海水可能在气候变化过程中吸收大量热量,缩小了至关重要的表层和深层海水温差。然而,根据英国雷丁市欧洲中期天气预报中心的玛格达莱纳·巴尔马赛达(Magdalena Balmaseda)及其同事2013年发表的一项研究,热量的去向根本难有定论。巴尔马赛达说:“热量的吸收在空间、深度和时间上并不均匀。”

不管OTEC所依赖的温暖的赤道腰带会不会扩展,能够享受这项技术的也许很快便不限于赤道国家了。2013年2月,在美国德克萨斯州休斯敦市的远洋研讨会上,开发石油勘探及钻井技术的思蓓曼远洋公司披露,他们正在研发设计用于为远洋油井提供电力的10兆瓦OTEC发电船。建造地点离海岸越远,OTEC电站就会越昂贵,而建造成本低廉的船舶则不受此约束。OTEC发电船可以在海上四处寻找温度差异最合适的地点,释放海底电缆将电力送回海岸。

事实上,这项技术的支持者们相信,“游牧”在天海之间寻找电能的发电船才代表了OTEC技术的未来。为了绕开通过海底电缆向海岸输电的问题,发出的电能可以在原地将水电解为氢和氧,然后把氢存储到燃料电池中运往全世界。一艘100兆瓦的OTEC发电船每小时可以生产1.3吨液氢,维加说,不过目前成本还是一桶油的3倍。毕竟,氢能经济还在寻找自己的立足点。

不管怎么说,似乎过了这么多年之后,我们发现儒勒·凡尔纳原来真的有一套。不过即便如此,他的格局也有失狭小。海洋不仅仅能够驱动一艘船而已,借助成群结队的船,海洋的能量将可以供养全世界。这可是如假包换的蒸汽朋克。

Comments are closed.