藍色能源:混合水怎樣才能發電?

這可能是世界上最具開發潛力的綠色能源了。海水和淡水在河口混合時會發生一種化學過程,利用它可以發電。

根據一項預測,這種「藍色能源」的巨大潛力能滿足我們的所有需求——只要我們能找到利用它的有效方法。「藍色能源」能夠成為新的綠色能源嗎?

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Image caption 海水中的鹽離子是上述化學過程的關鍵所在(圖片來源:Thinkstock)

藍色能源的設想由英國工程師帕特爾(R E Pattle)在 1954 年第一次提出。它有時候被稱為「滲透能」,原因是它利用了滲透現象。為說明其中的工作原理,我們假定有兩種水溶液,分別含有不同濃度的溶質,如鹽。如果兩種溶液被一張「半滲透的」薄膜隔開,薄膜只允許水通過,而不允許鹽離子通過,自然而然地,水將從含鹽分少的一側流向含鹽分多的一側。穿過薄膜的水流會在薄膜一側形成壓力,我們可以利用這種壓力驅動渦輪機發電。

最初的構想是利用約旦河河水與死海鹽水的混合進行發電。

直到 1970 年代,利用帕特爾的設想進行發電才成為可能。當時也是用於製造半透膜的人造材料實現商用之時。以色列科學家西德尼·羅卜(Sidney Loeb)提出,半透膜可用於他所稱的「滲透發電廠」,羅卜希望這種發電廠能夠利用約旦河河水與死海鹽水混合所釋放的能量。

在這種發電廠,並非通過薄膜的水流流速越大,發電效果越好,實際上,流速慢一些反而更好。可以通過擠壓鹽水,讓產生的壓力阻止淡水從薄膜另一側流入鹽水一側來實現上述效果。因此,這種技術也稱為「壓力阻滯滲透發電」。

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Image caption 河水與海水交匯時產生的能量可以利用(圖片來源:SPL)

2009 年,挪威國家電力公司(Statkraft)在挪威托夫特開設了第一個利用壓力阻滯滲透技術發電的藍色能源電廠,總發電量 4 千瓦,這與小型核電廠 5,000 千瓦的典型發電量相比顯得微不足道。儘管發電過程沒有問題,但挪威國家電力公司發現該電廠並不具備成本效益,其發電量不足以抵銷建設、運營和維護成本。挪威國家電力公司於 2013 年關閉了該電廠。

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Image caption 現已廢棄的挪威滲透發電廠(圖片來源:Getty Images)

但商業開發者並未就此卻步。在荷蘭水資源研究所設在呂伐登的可持續用水技術中心(Wetsus),一家名為「REDstack」的新公司在一個原型發電廠開始利用一種稱為「反向電滲析 (RED)」的滲透能方法。這種技術與壓力阻滯滲透發電略有不同。它採用的薄膜不僅允許水分子通過,也允許鹽離子通過。

另一種方法涉及一種有點兒像三明治的結構。

薄膜分為兩類:一種允許鹽水中帶正電的鈉離子通過,另一種則允許鹽水中帶負電的氯離子通過。利用上述薄膜,使多層水形成一種類似三明治的結構,其中鹽水層與淡水層交替分佈,各層水之間交替採用兩類離子半透膜。這種結構產生的電壓隨後能被直接用來產生電流,而無需任何壓力驅動的渦輪機。理論上,上述方法可以非常有效地捕獲混合過程中產生的能量。

荷蘭可持續用水技術中心的科學家還研究了第三種方法,稱為「電容混合(capmix)」技術。這種方法中,鹽水和淡水交替進入一個有兩個電極的容器內,電極將作為儲電裝置(或電容器)。這個過程也會產生電壓。

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Image caption 如果我們能加以利用,滲透能將產生更多的能量。(圖片來源:SPL)

自 2010 年以來,由來自荷蘭、意大利、波蘭和西班牙的多家機構組成的歐洲財團已斥資 240 萬歐元(170 萬英鎊)用於電容混合技術的開發。新的利用技術仍有待探索。例如,荷蘭烏德勒支大學物理學家雷納·範羅伊(Rene van Roij)領導的一個研究團隊最近發現,如果將淡水加熱後與海水混合,則藍色能源電容混合裝置產生的電能可能翻倍 ——據說,淡水最高可加熱到 50 攝氏度左右。

研究人員表示,加熱淡水無需採用化石燃料,利用工業過程廢水即可,如來自發電廠或數據中心的冷卻水。令人欣喜的巧合是,西班牙格拉納達大學一個獨立研究團隊 在荷蘭團隊研究上述理論的同時,也用實踐證明了上述理論。

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Image caption 一般而言,利用二氧化碳就能產生滲透能(圖片來源:Getty Images)

這種思路甚至對化石燃料電廠產生的碳都能行得通。

存在濃度差的任何溶質(例如糖)都能產生滲透能。因此,「藍色能源」並不局限於淡水和海水的混合。2013 年,荷蘭可持續用水技術研究中心的一個團隊提出,利用溶解的二氧化碳也能發電,二氧化碳可從使用化石燃料的發電廠捕獲。二氧化碳極易溶於水,生成碳酸,碳酸隨後又會分解為碳酸氫鹽和氫離子。與普通鹽離子一樣,利用電極即可讓上述過程也形成電容混合。與電容混合方法中鹽水和淡水交替流入一樣,這種新方法中,在水中首先溶入二氧化碳(相當於鹽水),隨後再溶入潔淨空氣(相當於淡水)。

研究人員表示,全球範圍內,化石燃料電廠的煙氣中有足夠的二氧化碳可加以利用,由此每年可發電 850 太瓦(百萬兆瓦),這幾乎是全英國年用電量的 100 倍。這的確是個有顛覆意義的好思路:二氧化碳通常是能源生產中需要解決的問題,現在卻成了解決方案的一個部分。

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(責編:友義)

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