海洋发电场
利用海水温差发电的探索，为人类向海洋发展描绘了美好的前景。也许在未来的某一天，隐藏在海洋中的能量可以供给世界运转所需的能源。
早在1870年，科幻小说家儒勒·凡尔纳就在《海底两万里》中有这样一段充满想象力的描述：“就人类信仰而言，全世界最大的能量是光与爱;而就无限能源而言，非‘海洋能’莫属！”
何谓“海洋温差发电”？
19世纪工业革命，西方国家完成了从工厂手工业向机器大工业过渡的阶段，机器逐渐取代了人力，把人类推向了崭新的“蒸汽时代”。21世纪，潜藏在海洋中的巨大能量成为人类热切关注的对象。人们似乎将要迎来前所未有的“海洋蒸汽时代”。那么，凡尔纳一百多年前的构想，如今能否走向现实呢？
理论上讲，海洋温差发电（也称海洋热能转换）能够提供相当于全世界人类所消耗电力的4千倍。利用海洋温差发电这个设想相当宏大，既不会污染环境又不会排放温室气体，被人们寄予厚望。然而，回到现实中，该设想却因诸多难题而被搁置多年。
2014年，全球各地如雨后春笋般涌现了众多与之相关的项目，而项目执导者们都是精明能干的实用主义者。究竟发生了什么？
“海洋温差发电”这一点子，极有可能是凡尔纳为了解决尼摩船长的难题而想出来的。尼摩船长是凡尔纳笔下的一位主人公，他迫切需要电力在深海中驱动他的鹦鹉螺号潜艇。那是“海洋温差发电”这个名词首次出现。尼摩船长告诉他的水手：“将‘两根’电线伸入不同深度，形成电路，便有可能通过温度的差异来获得电能。”该书出版11年之后，法国物理学家雅克·阿瑟·阿松瓦尔首次提出利用海水温差发电这一设想，不过该设想被埋没了近半世纪。他认为，采用管道而非电缆，利用深海的冷水和温暖的表层海水之间的温差来产生蒸汽能量，从而实现热力循环。
这绝对是一个高明的想法。因为海洋是一个巨大且不断吸收太阳能的存储介质，海洋中蕴藏着丰富的热能。太阳每年供应给海洋的热能大约有60多万亿千瓦，这样庞大的能量，除了一部分转变为海流的动能和水蒸气的循环外，都直接以热能的形式储存在海水中，主要表现为海水表层和深层之间的温差。通常情况下，大部分热量都存储在距海平面100米以上的表层海水中，海水表层温度可达20～28℃，而在海平面1千米以下，水温却只有4～5℃。深海洋流以及暗流等使深层水温常年保持恒定。这样来看，上下水层之间温差保持在20℃左右，说明“海洋温差发电”这一设想的确极具潜力。
目前，全世界几乎所有的核电站和燃煤电厂都离不开涡轮蒸气机驱动。火力发电和核能发电是以热能使水沸腾，利用蒸汽带动涡轮机，然后发电。但其产生的蒸汽要么靠燃烧污染大气的煤，要么会产生可怕的核废料。相比之下，海洋温差发电提供的蒸汽能量最为清洁且在理论上是没有上限的。
那么，海洋温差发电具体是如何运作的呢？在海洋温差发电中，巧妙运用到了氨水和水的混合液。水的沸点是100℃，而氨水的沸点是零下33℃，相比之下后者更容易沸腾。为了从温度差中获取能量，工程师将温暖的表层海水加入内层装有氨水等低沸点液体的管道。氨水沸腾后，其蒸汽推动涡轮机，即可发电。之后，工程师再将深层冰冷的海水泵入蒸汽管道进行冷却，导致氨蒸气冷凝回液体状态，进入下一个温度循环。
难度超乎想象
100多年前，人们就开始利用潮汐发电。近几年来，利用海浪、洋流发电的技术也开始被采用。然而，人们的探索并不满足于此，海洋温差发电技术如果能够成功运用，估计至少能满足全世界对能源需求的20%左右。
赤道地区（包括热带和亚热带）拥有建造海洋温差发电的良好条件，因为赤道地区海洋的温差更为明显。在太阳的强烈照射下，热带地区表层海水均温可达30℃，而深层海水均温大约为5～10℃。这种终年形成的20℃以上的垂直海水温差可以很轻松地实现热力循环并发电，因此海洋温差发电项目在热带和亚热带地区最为适用。
由于发电介质是海水，燃料费用几乎为零，这项新技术似乎不久即可达到实用阶段。然而，工程师进行电脑模拟发现，由于海水之间的温差至少要达到20℃才能使发电过程运转起来。要达到这个要求，需要长达1000多米的巨型管道，管道需要足够粗，同时还能承受住海流的影响。所以，海洋温差发电设备的规模必须造得很庞大才能获得足够的电力，同时，大量资金需要预先投入，因此海洋温差发电的成本不一定比火电站和核电站低。另外，海洋温差发电的能量密度低，其效率仅为3%～6%，比火力发电的40%要低得多。
尽管面临诸多困难，工程师们还是不断努力，希望海洋温差发电能够达到实用阶段。其中最雄心勃勃的一次尝试是在20世纪70年代。当时石油危机爆发，美国总统吉米·卡特签署了一项命令：在1999年之前，务必采用海洋温差发电技术生产高达1万兆瓦的电力。但后来，由于石油价格一降再降，替代石油的“海洋温差发电”方案再次被无限期搁置。
成为主流指日可待
长远来看，由于石油等全球不可再生能源对气候和环境产生的不良影响，使得可再生能源受到各国的普遍重视。但是，大多数可再生能源（如风能和太阳能）也不是无限制的，因为它们只在有风和有阳光的条件下才能产生电力。相比之下，海洋温差发电却可24小时全天候运作。海洋温差发电这个19世纪的构想也许能成为21世纪可再生能源的有力“候补成员”。
近海油气工业积累了丰富的经验，1000多米的深海操作在该行业已经司空见惯。几十年前，美国一家公司将桥梁技术和涡轮机制造技术融合在一起——两者都采用先进的、超轻超强的玻璃纤维和树脂复合材料——设计出价格低廉、强度和灵活性足以承受洋流压力和张力的超级管道。更重要的是，这些管道能够在海面浮动平台上组装，避免了大型装置远距离运输的风险，这为海洋温差发电的开发前景铺平了道路。
美国负责研究海洋温差发电的路易斯·维加估算道：“海洋温差发电的技术在不断进步，现在建造一座100兆瓦的海洋温差发电场大约需要花费7.9亿美元。如果把建造费用和运行成本都计算在内，电费大约为每度18美分。这与美国能源部门估算的煤炭和太阳能电费相差不大，前者为每度14美分，后者为每度14～16美分。
1930年，阿松瓦尔的学生克劳德在古巴海滨建造了世界上第一座海水温差发电站。2013年，一座50千瓦的海洋温差发电站在日本久米岛开始运作。同年，美国夏威夷也建好了一座100千瓦的实验电站。2014年，荷兰开始在加勒比海的库拉索岛建造一座500千瓦的电站。由此看来，较小的岛屿有幸成为了第一批海洋温差发电站的“宠儿”，因为它们十分依赖进口燃料并苦于其高昂的价格。这些进展使得海洋温差发电有望成为主流发电方式之一。目前，海洋温差发电站已经出现在世界各地。日本、法国、比利时等国都已经建成了海洋温差发电站，功率从100千瓦到5000千瓦不等，上万千瓦的电站也正在筹建之中。
技术创新意义重大
目前，各国多个研究小组正在研究将海洋温差发电与太阳能相结合的可能性。意大利的保拉·蓬巴模拟出了一款热能转换装置，它先利用太阳能将海水温度提高，再蒸发液体氨。她发现，即使是低成本的太阳能集热器，也可以将电站白天的发电量提高到原先的3倍。
类似的新技术还可以帮助到北半球一些能源匮乏的国家。在夏季，韩国周边海水表面和深层海水之间的温差超过了20℃。但在冬季，情况就不同了。因此，要让海洋温差发电站终年运转，韩国海洋研究与发展研究所的高城郡教授改造了一座20千瓦的电站，他让表层海水在遇到氨水之前，先利用来自太阳能、风电场和垃圾焚烧发电厂产生的电能提前对它进行预热，以保持它与深层海水之间的温度差。
另一个好办法是将海洋温差发电与地热能源相结合。韩国海洋研究院的贤菊和他的同事正在寻找合适的地热能源，希望利用地下深处源源不断的热能，将表层海水加热，以保持温差。这一创新举措能够大大扩展适合建造海洋温差发电的区域。
鉴于该项目的迅速发展，海洋温差发电受到各国的普遍重视。但环保人士还是忧心忡忡：富含无机营养成分的深层海水被引到上层水域时，是否会导致海中的藻类疯狂繁殖？但具计算机模型显示，只要深层海水被泵出的深度仍在水深60米以下，藻类大量繁殖的风险可以说几乎为零。但是，为了消除哪怕一点点可能会面临的风险，而采取的措施都是值得的。为此，英国的一家能源公司用独特的设计方案解决了这一问题，并为此申请了专利。在该公司设计建造的电站中，改变了把深层海水泵入海洋表层作为冷却水的做法，而是直接将蒸发出来的氨蒸气输送到海洋深层进行冷凝。这意味着，营养丰富的深层海水将永远不需要被泵送到表面了。
另外一个之前研究的问题是，海洋温差发电是否会对当地环境和全球产生影响，比如导致气候变暖？
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海洋温差发电的产能。美国研究者对海洋温差发电站可能导致的影响建立了模型，其中包括全球温盐环流（温盐环流是指依靠海水温度和含盐度驱动的全球洋流循环系统）。实验发现，电站可以安全地获取7太瓦（1太瓦等于1012瓦特）的电力，相当于全球能源消费量的一半，而且并不会对海洋温度造成任何显著的影响。然而论文作者也承认，很难就海洋温差发电站对环境的影响作出明确的结论。
发电船只敬请期待
建造地点离海岸越远，发电场的造价就会越昂贵，而建造成本低廉的船则不受此约束。2013年2月，在美国休斯敦召开的海洋专题研讨会上，一家能源公司公布，他们正在研发设计10兆瓦海洋温差发电船。海洋温差发电船可以在海上四处寻找具有最佳温度差的海域，利用海底电缆向海岸输送电力。
事实上，许多研究者都相信，徜徉在天海之间寻找电能的发电船才代表了该技术的未来。为了解决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海水电解为氢和氧，然后把氢存储到燃料电池中运往全世界使用。一艘10兆瓦的海洋温差发电船每小时可以生产1.3吨的液态氢，尽管目前成本还是生产一桶原油的3倍。但技术的进步能进一步降低成本，而且氢是完全绿色可持续利用的能源。
对于海水温差发电的探索，为人类向海洋发展描绘了美好的前景。也许在未来的某一天，隐藏在海洋中的能量将能供给全世界运转所需的能源。
作者： 文颖
来源：《大自然探索》
