蓝色能源:混合水怎样才能发电?

这可能是世界上最具开发潜力的绿色能源了。海水和淡水在河口混合时会发生一种化学过程,利用它可以发电。

根据一项预测,这种“蓝色能源”的巨大潜力能满足我们的所有需求——只要我们能找到利用它的有效方法。“蓝色能源”能够成为新的绿色能源吗?

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Image caption 海水中的盐离子是上述化学过程的关键所在(图片来源:Thinkstock)

蓝色能源的设想由英国工程师帕特尔(R E Pattle)在 1954 年第一次提出。它有时候被称为“渗透能”,原因是它利用了渗透现象。为说明其中的工作原理,我们假定有两种水溶液,分别含有不同浓度的溶质,如盐。如果两种溶液被一张“半渗透的”薄膜隔开,薄膜只允许水通过,而不允许盐离子通过,自然而然地,水将从含盐分少的一侧流向含盐分多的一侧。穿过薄膜的水流会在薄膜一侧形成压力,我们可以利用这种压力驱动涡轮机发电。

最初的构想是利用约旦河河水与死海盐水的混合进行发电。

直到 1970 年代,利用帕特尔的设想进行发电才成为可能。当时也是用于制造半透膜的人造材料实现商用之时。以色列科学家西德尼·罗卜(Sidney Loeb)提出,半透膜可用于他所称的“渗透发电厂”,罗卜希望这种发电厂能够利用约旦河河水与死海盐水混合所释放的能量。

在这种发电厂,并非通过薄膜的水流流速越大,发电效果越好,实际上,流速慢一些反而更好。可以通过挤压盐水,让产生的压力阻止淡水从薄膜另一侧流入盐水一侧来实现上述效果。因此,这种技术也称为“压力阻滞渗透发电”。

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Image caption 河水与海水交汇时产生的能量可以利用(图片来源:SPL)

2009 年,挪威国家电力公司(Statkraft)在挪威托夫特开设了第一个利用压力阻滞渗透技术发电的蓝色能源电厂,总发电量 4 千瓦,这与小型核电厂 5,000 千瓦的典型发电量相比显得微不足道。尽管发电过程没有问题,但挪威国家电力公司发现该电厂并不具备成本效益,其发电量不足以抵销建设、运营和维护成本。挪威国家电力公司于 2013 年关闭了该电厂。

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Image caption 现已废弃的挪威渗透发电厂(图片来源:Getty Images)

但商业开发者并未就此却步。在荷兰水资源研究所设在吕伐登的可持续用水技术中心(Wetsus),一家名为“REDstack”的新公司在一个原型发电厂开始利用一种称为“反向电渗析 (RED)”的渗透能方法。这种技术与压力阻滞渗透发电略有不同。它采用的薄膜不仅允许水分子通过,也允许盐离子通过。

另一种方法涉及一种有点儿像三明治的结构。

薄膜分为两类:一种允许盐水中带正电的钠离子通过,另一种则允许盐水中带负电的氯离子通过。利用上述薄膜,使多层水形成一种类似三明治的结构,其中盐水层与淡水层交替分布,各层水之间交替采用两类离子半透膜。这种结构产生的电压随后能被直接用来产生电流,而无需任何压力驱动的涡轮机。理论上,上述方法可以非常有效地捕获混合过程中产生的能量。

荷兰可持续用水技术中心的科学家还研究了第三种方法,称为“电容混合(capmix)”技术。这种方法中,盐水和淡水交替进入一个有两个电极的容器内,电极将作为储电装置(或电容器)。这个过程也会产生电压。

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Image caption 如果我们能加以利用,渗透能将产生更多的能量。(图片来源:SPL)

自 2010 年以来,由来自荷兰、意大利、波兰和西班牙的多家机构组成的欧洲财团已斥资 240 万欧元(170 万英镑)用于电容混合技术的开发。新的利用技术仍有待探索。例如,荷兰乌德勒支大学物理学家雷纳·范罗伊(Rene van Roij)领导的一个研究团队最近发现,如果将淡水加热后与海水混合,则蓝色能源电容混合装置产生的电能可能翻倍 ——据说,淡水最高可加热到 50 摄氏度左右。

研究人员表示,加热淡水无需采用化石燃料,利用工业过程废水即可,如来自发电厂或数据中心的冷却水。令人欣喜的巧合是,西班牙格拉纳达大学一个独立研究团队 在荷兰团队研究上述理论的同时,也用实践证明了上述理论。

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Image caption 一般而言,利用二氧化碳就能产生渗透能(图片来源:Getty Images)

这种思路甚至对化石燃料电厂产生的碳都能行得通。

存在浓度差的任何溶质(例如糖)都能产生渗透能。因此,“蓝色能源”并不局限于淡水和海水的混合。2013 年,荷兰可持续用水技术研究中心的一个团队提出,利用溶解的二氧化碳也能发电,二氧化碳可从使用化石燃料的发电厂捕获。二氧化碳极易溶于水,生成碳酸,碳酸随后又会分解为碳酸氢盐和氢离子。与普通盐离子一样,利用电极即可让上述过程也形成电容混合。与电容混合方法中盐水和淡水交替流入一样,这种新方法中,在水中首先溶入二氧化碳(相当于盐水),随后再溶入洁净空气(相当于淡水)。

研究人员表示,全球范围内,化石燃料电厂的烟气中有足够的二氧化碳可加以利用,由此每年可发电 850 太瓦(百万兆瓦),这几乎是全英国年用电量的 100 倍。这的确是个有颠覆意义的好思路:二氧化碳通常是能源生产中需要解决的问题,现在却成了解决方案的一个部分。

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(责编:友义)

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