藍色能源:利用江河與海水交匯發電

兩個試點專案正在測試“鹽差能”的潛力,這是一種可再生能源,依靠河口不同的鹽度來發電。


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為了尋找汙染環境和加劇氣候變暖的化石燃料的替代品,人們的注意力轉向了江河入海口。在這裡,淡水和海水自然地形成鹽度差異,歐洲的兩個先驅專案將嘗試利用這種現象來產生清潔能源。

“鹽差能”的概念——也稱為滲透能或鹽度梯度能——已經被提出幾十年了,現在,支持者們希望,技術已經足夠先進,使其在經濟上具有競爭力。

11月24日,世界首個大型滲透能原型設施預計將在挪威開始全面執行,該設施旨在開發一種名為壓力延遲滲透的鹽差能。“建造這個設施的主要原因是回答有關[滲透能]的重要問題,雖然我們已經做了很多理論研究,但我們需要實際經驗,”挪威國家電力公司Statkraft的滲透能副總裁斯坦·埃裡克·斯基爾哈根說,該公司建造了該電廠。 該原型設施將沒有客戶,儘管其產生的少量電力在技術上將被輸送到電網。

Statkraft公司耗資約500萬美元建造的原型工廠是由一家造紙廠改造而成,位於奧斯陸以南約60公里的海邊村莊托夫特。 該工廠的壓力延遲滲透裝置將淡水和鹽水分別置於半透膜的兩側,這種膜可以阻止鹽顆粒透過,但允許水透過。 淡水側的水自然流入鹽水側,產生相當於120米高水柱的壓力。 這種加壓水可用於驅動渦輪機發電。 Statkraft公司的目標是每平方米膜產生5瓦電力,而目前的容量約為3瓦。 如果成功,該公用事業公司希望在2015年左右為付費客戶建造一座商業鹽差能發電廠,目標成本為每千瓦時7至14美分(pdf)(按目前的歐元兌美元匯率計算),如果成本較低,將與煤炭和天然氣價格具有競爭力。

在南部的荷蘭,一家名為Wetsus的荷蘭研究公司啟動了自己的鹽差能實驗,以評估本質上是一種鹽水-淡水電池的技術。

Wetsus公司與一家名為Redstack的衍生公司合作,正在研究一種被稱為“藍色能源”的鹽差能版本。 Wetsus公司副科學主任格特·揚·歐文林克說,一個大約是美式大冰箱兩倍大的中試規模裝置已經在瓦登海邊的哈林根投入執行。 該技術依賴於反向電滲析,其中一系列淡水和鹽水流透過地下管道被分流到兩種膜的相對兩側。 這些膜允許溶解在水中的鈉離子或氯離子——鹽的組成元素——進入分離的淡水流。 這會在膜之間建立電勢,就像電池一樣,這種電荷與鐵反應形成電流。 Wetsus公司的研究員約斯特·維爾曼表示,該公司的目標是每平方米膜獲得5瓦電力,與Statkraft公司的工藝結果相同。

Statkraft公司和Wetsus公司都不期望他們的初始實驗能產生超過幾千瓦的電力——只夠燒開水。 相反,他們計劃展示可能實現可擴充套件的、商業上可行的能源生產,並確定鹽差能是否會危及源頭河口水域的健康。 Statkraft公司估計,鹽差能的全球發電潛力高達1700太瓦時,約佔全球需求的10%。

鹽差能之所以吸引人,有幾個原因:首先,與利用太陽能或風能的可再生能源技術不同,鹽差能系統不依賴於天氣,並且可以提供像煤炭、天然氣和核能所提供的基載(恆定、可預測的)電力。 “河水 24/7 不間斷地流入大海,因此您擁有持續可用的能源,”斯基爾哈根說。 他還指出,除了微鹹水外,沒有其他排放物,而微鹹水無論如何都會在河口中攪動。

與傳統水電不同,鹽差能發電廠不需要築壩截斷水道,並且與河床式渦輪機或用於同等潮汐能和波浪能的漂浮式發電機組相比,它可能需要更少的基礎設施。 Statkraft公司的斯基爾哈根說,鹽差能發電廠,包括其膜堆、渦輪機、清潔設施和辦公室,實際上可以位於河邊工業綜合體的地下室,或者在河岸內地下建造,管道延伸到水道中——這對於將此類設施納入已開發的、人口稠密的沿海地區來說是一個很大的優勢。

膜的設計和效能仍然是Statkraft公司和Wetsus公司方法的最大障礙。 必須使膜更高效、更耐用,並更能抵抗微生物積聚,即所謂的生物汙染。 透過過濾掉有機物和河流帶來的碎屑來預處理泵入的水是有幫助的,但斯基爾哈根說,這個關鍵步驟會消耗能源,而且預計會很昂貴,他還補充說,現在要知道到底有多昂貴還為時過早。

因此,專家們對鹽差能的前景仍然持謹慎態度。 芬蘭赫爾辛基理工大學的機械工程師和熱力學家阿里·塞帕拉說:“這兩種方法都很有前景,當然值得研究,但這兩種方法在商業化之前可能仍需要突破性創新。” 塞帕拉認為,在生產效能大大提高的膜方面,沒有物理或化學方面的障礙,儘管他也指出,可能還會找到一種更好的、無膜方法來利用鹽度差異發電。

另一個關鍵的不確定因素:鹽差能發電廠對當地水生環境的影響。 耶魯大學化學與環境工程學教授梅納赫姆·埃利梅萊克說:“這是一個全新的工藝,尚未在這個規模上進行過測試。” “我懷疑根本不會有[環境]影響。” 然而,他補充說,如果生態足跡最小且膜技術取得進展,鹽差能可能成為“重要的可再生能源選擇”。

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