秦鵬

如果說，有哪種能源配得上“蒸汽朋克”的名號，那就非海水溫差發(fā)電莫屬了。維多利亞時代的科幻？沒錯：早在1870年，儒勒·凡爾納（Jules Verne）就在《海底兩萬里》中構想過這種可能。19世紀前后的機械技術？沒錯。后啟示錄未來可再生能源的有力候選？這一條不妨也打上個勾。

人們顯然曾經(jīng)對這一技術寄望過高。理論上來講，海水溫差發(fā)電（OTEC）在任何年份內，都能夠提供相當于全世界需求4000倍的能量，而且不會產(chǎn)生污染和溫室氣體。然而在現(xiàn)實中，這項技術因為難以實現(xiàn)而久被擱置。

2014年，全世界出現(xiàn)了很多與之有關的項目，數(shù)量之多令人瞠目，而且領頭者都不是堂吉訶德式的空想家，而是像航空航天工業(yè)巨頭洛克希德·馬丁那樣精明的實用主義者。那么，究竟是什么發(fā)生了變化？

OTEC的想法，有可能是凡爾納為了解決尼莫船長的難題而構思出來的。這位凡爾納筆下深海探險故事的主人公需要電力來驅動他的鸚鵡螺號潛水艇。那部小說是OTEC第一次見諸文字?！皩蓷l電線探入不同深度，并在之間形成電路，便有可能利用它們接觸到的溫度差異獲得電能，”尼莫對他的同船旅伴講道。該書出版11年后，法國物理學家雅克-阿爾塞納·達松瓦爾（Jacques-Arsène d'Arsonval）提出了以此為原理的電站的第一種實際設計。他采用的是管道而非電纜，來開發(fā)冰冷深海和溫暖洋面之間的溫差，以產(chǎn)生蒸汽能量。

這是個絕妙的主意。海洋是一個巨大而且不斷得到補充的太陽能存儲介質。這些熱量大部分存儲在最頂層的100米以內，而在1000米以下，來自極地的海水基本上總是保持在4至5℃。

為了從這種熱量差異中獲得能量，現(xiàn)代系統(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，蒸汽用來驅動渦輪產(chǎn)生電能。之后冰冷的深層海水在管道中流過蒸汽，使其重新凝結成液體，準備下一輪循環(huán)。基本上，全世界所有的火力和核能電站都要由蒸汽渦輪驅動，但是它們產(chǎn)生蒸汽要么靠燃燒污染大氣的煤炭，要么會產(chǎn)生陰魂難散的核廢料。OTEC提供蒸汽的方式卻是清潔而且理論上無限制的。

電能之洋

那是理想世界里發(fā)生的事情。在現(xiàn)實中，海洋熱梯度給予的東西，都會被設備奪走。主要的問題在于獲取深層的冷水：泵送電站運轉所需的巨量海水需要1000米長的管道，而且管道尺寸和強度還要足以承受生產(chǎn)每一千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后，OTEC電站的理論效能跌到了可憐兮兮的4%至6%。

基于這個原因以及其他一些因素，表層和深層海水的溫差至少要達到20度才能夠使整個過程運轉起來。這樣的條件只存在于地球上赤道兩旁包括熱帶和亞熱帶在內的一條相對狹窄的帶狀區(qū)域里。

盡管受到這些限制，整個20世紀，人們還是在不斷努力，力求實現(xiàn)OTEC。其中最有雄心的一次，是被20世紀70年代的石油危機激發(fā)的。時任美國總統(tǒng)吉米·卡特（Jimmy Carter）簽署了一項法律，要在1999年之前采用此項技術生產(chǎn)1萬兆瓦的電力?？墒呛髞硎蛢r格又跌了下去，石油能源的替代方案再次落到了待辦事宜列表的末尾。

因此，當洛克希德·馬丁2013年宣布將在中國南部沿海開始建造一座10兆瓦電站時，這條新聞明顯沒有提起人們的興趣。這樣的事情大家都見得多了。

不過詳查一番便會發(fā)現(xiàn)，該項目也許正標志著OTEC發(fā)生了重大變化。借力于其他可再生能源、石油工業(yè)，甚至可能還有氣候變化等種種古怪因素，這項19世紀的技術成為21世紀可再生能源結構一份子的時刻，大概終于到來了。

很多數(shù)字方面的考量正在發(fā)生變化。OTEC的效率或許不高，但由于它使用的是充足而免費的海水，如果規(guī)模足夠大，在經(jīng)濟上仍然是可行的。石油價格不穩(wěn)定，氣候變化正日益緊迫地推動著替代能源的開發(fā)。風能和太陽能等可再生能源斷續(xù)無常的弱點——就是說只在有陽光或者有風的時候才能產(chǎn)生電力——仍在阻止它們成為主流。而海洋熱能公司的特德·約翰遜（Ted Johnson）說，OTEC電站能夠24小時運轉。這家公司計劃將這項技術商業(yè)化。全天候的電力生產(chǎn)意味著OTEC電站可以簡單直接地代替化石燃料電站接入城市電網(wǎng)，整合產(chǎn)能難料的太陽能和風能時所必需的調整及平衡工作可以省下了。

但是如果設備運行需要的電力比它能提供的還多，這樣的電站又有什么用呢？在這一方面同樣有了進步。洛克希德·馬丁公司采用了建造橋梁和風力渦輪的技術——兩者都利用高級玻璃纖維和復合樹脂來制造超輕、超強的材料——來設計價格低廉但是強度和靈活性足以承受洋流的壓力和張力的管道。更棒的是，這種管道可以在OTEC電站自己的洋面平臺上組裝，并且逐步沉入水下，避免了運輸及施放龐大結構的風險。2003年，孟加拉灣一項本來挺有前途的OTEC項目不得不告吹，因為在建造一座1兆瓦電站的過程中，工程師弄丟了他們的第一根管道及其備件。

此外，近海油氣工業(yè)也提供了數(shù)不清的教訓，1000多米的深海操作在該行業(yè)已經(jīng)司空見慣。這使得那些僅在20年前才剛剛能夠商業(yè)采購的設備又要重新開始設計。

美國夏威夷大學自然能源研究所研究OTEC的路易斯·維加（Luis Vega）說，多虧了這些進步，現(xiàn)在建造一座100兆瓦的電站大約需要7.9億美元。把OTEC電站的建造和運行成本都計算在內后，維加估計產(chǎn)出的電力價格大約是每度電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，前者是每度電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。

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50千瓦的示范性OTEC電站在日本沖繩縣的久米島開始運行。同時在夏威夷，馬凱海洋工程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的首席執(zhí)行官雷米·布洛克（Remi Blokker）說。endprint

但它們不會是最后一批。最新的技術進步將有望讓OTEC成為主流。

改良OTEC

多個研究團隊正在探究將OTEC與太陽能結合的可能性。意大利米蘭理工大學的保拉·蓬巴達（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。她發(fā)現(xiàn)就算是廉價的太陽能集熱器——利用透鏡和管道收集熱量的簡單設備——也能將電站的日間產(chǎn)出增長到原來的3倍。

類似的技術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，比如韓國。在夏季月份，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，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、風能和廢物焚化電站的熱量能夠先對它加熱。

一個更加絕妙的主意是，將OTEC與另一種全天候能源結合起來。KORDI的金俊賢（Hyeon-Ju Kim，音譯）及其同事正尋求在所謂復合型“GeOTEC”電站中用地熱能加熱蒸發(fā)氨的海水。這樣的改進能夠使適合建造OTEC電站的“赤道腰帶”區(qū)域擴展一兩倍。

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以及其他一些機構已經(jīng)提出了關切，當營養(yǎng)豐富而無菌的海水從沒有陽光的深層被引向溫暖而有陽光的海水中那些饑餓的藻類時，會不會引起藻類的爆發(fā)。不過維加說，計算機模型顯示，只要冷水被送回60米以下的深度，藻類爆發(fā)的風險微乎其微。

為了消除這已經(jīng)很微弱的風險，英國倫敦的能源島公司為一種OTEC電站的設計申請了專利。在這種電站里，氨是在深層而非表層凝結成液體。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)豐富的海水根本不需要被泵送到表層。

另外一個被人提出的問題，表達出了其他可再生能源也曾經(jīng)引發(fā)過的關切：OTEC對環(huán)境是否會產(chǎn)生當?shù)睾腿蛐杂绊?，比如改變全球氣溫?/p>

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OTEC產(chǎn)能。美國夏威夷大學海洋和資源工程系的研究者對迅速擴張的商業(yè)規(guī)模OTEC發(fā)電的影響建立了模型，其中包括全球溫鹽循環(huán)——在海洋中輸送深層海水的緩慢洋流網(wǎng)絡。他們發(fā)現(xiàn)，OTEC電站能夠安全地攫取7太瓦的電力，相當于全球能源消費量的接近一半，也不會對海洋溫度造成任何值得注意的影響。然而論文作者們也承認，很難就OTEC對環(huán)境的影響拿出強有力的結論。

由于目前的清潔能源技術都可能遭受氣候變化不可預知的影響，顯然是時候往能源結構里加入一種新的可再生能源了。2013年7月，美國能源部發(fā)表了一份關于能源行業(yè)在氣候變化面前弱點的報告，其中認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備降溫。

美國科羅拉多州戈爾登市國家可再生能源實驗室的研究員羅伯特·思雷舍（Robert Thresher）說，比較而言，OTEC的可愛之處是，它似乎不會受到氣候變化的影響。他說：“大部分OTEC資源都分布在赤道附近，你不必擔心那里的海洋表層溫度會發(fā)生顯著的變化?！?/p>

電出于藍

事實上，氣候變化甚至還可能擴大OTEC適用區(qū)域，從而提高全球OTEC產(chǎn)量。思雷舍說：“當海洋隨著氣候變化而變暖，你可能在離赤道更遠的地方發(fā)現(xiàn)更加溫暖的表層水?！北M管這個想法也被別人提出來過，他還是急忙補充說，這是個“直覺見解”，需要嚴格的建模來確認。

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，縮小了至關重要的表層和深層海水溫差。然而，根據(jù)英國雷丁市歐洲中期天氣預報中心的瑪格達萊納·巴爾馬賽達（Magdalena Balmaseda）及其同事2013年發(fā)表的一項研究，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>

不管OTEC所依賴的溫暖的赤道腰帶會不會擴展，能夠享受這項技術的也許很快便不限于赤道國家了。2013年2月，在美國德克薩斯州休斯敦市的遠洋研討會上，開發(fā)石油勘探及鉆井技術的思蓓曼遠洋公司披露，他們正在研發(fā)設計用于為遠洋油井提供電力的10兆瓦OTEC發(fā)電船。建造地點離海岸越遠，OTEC電站就會越昂貴，而建造成本低廉的船舶則不受此約束。OTEC發(fā)電船可以在海上四處尋找溫度差異最合適的地點，釋放海底電纜將電力送回海岸。

事實上，這項技術的支持者們相信，“游牧”在天海之間尋找電能的發(fā)電船才代表了OTEC技術的未來。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水電解為氫和氧，然后把氫存儲到燃料電池中運往全世界。一艘100兆瓦的OTEC發(fā)電船每小時可以生產(chǎn)1.3噸液氫，維加說，不過目前成本還是一桶油的3倍。畢竟，氫能經(jīng)濟還在尋找自己的立足點。

不管怎么說，似乎過了這么多年之后，我們發(fā)現(xiàn)儒勒·凡爾納原來真的有一套。不過即便如此，他的格局也有失狹小。海洋不僅僅能夠驅動一艘船而已，借助成群結隊的船，海洋的能量將可以供養(yǎng)全世界。這可是如假包換的蒸汽朋克。（來源：果殼網(wǎng)）endprint