盐差能的研究技术、产业实践与展望

2018-05-10 08:58刘邦凡段晓宏
中国科技论坛 2018年5期
关键词:渗透压发电

王 燕,刘邦凡,段晓宏

(1.燕山大学经济管理学院,河北 秦皇岛 066004;2.河北科技师范学院工商管理学院,河北 秦皇岛 066004;3.燕山大学公共管理学院,河北 秦皇岛 066004)

1 理论探讨

1.1 盐差能概念界定

盐差能,与潮汐能、波浪能、温差能、海流能、潮汐能、海洋生物能一样,同为海洋可再生绿色能源的一种。与其他海洋能源相比,盐差能有着较少受气候条件限制的优势,但也是众多海洋能源中最少被开发利用的一种可再生能源。盐差能是一种清洁的可再生绿色能源,很多西方学者称其为“蓝色能源”,它主要存在于河海交接处,淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也存在可被利用的盐差能,因为这些地方都存在着淡水和盐水之间的盐梯度差。盐差能的发电原理是:当把两种浓度不同的盐溶液进行混合时,浓溶液中的盐类离子就会自发地向稀溶液中扩散,直到两者浓度相等为止,同时,在这一过程中会释放出能量[1]。因此,盐差能发电,就是利用海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差,并将其转换为有效的电能,它是一种以化学形态出现的海洋能源。

目前,盐差能的发电方法主要有三种,分别是渗透压能法、反电渗析法与蒸汽压能法。渗透压能法的基本原理是:用半透膜将淡水和海水隔开,由于含盐浓度不同的淡水和海水之间存在着渗透压,在渗透压的作用下,含盐较低的淡水会渗入到另一侧含盐较高的海水中,海水一侧的势能会逐渐增大,从而推动水轮机旋转,实现盐差能向电能的转换。反电渗析法的基本原理是:使用阴阳离子交换膜将海水和淡水隔开,其中阴离子交换膜只能通过阴离子,阳离子交换膜只能通过阳离子,将阴阳离子膜交替放置,阴阳离子在溶液中会定向流动,连接上负载之后即有电流产生。蒸汽压能法的基本原理是:在温度条件相同的情况下,含盐较高海水的蒸汽压比含盐较少淡水的小,因此利用淡水与海水之间的蒸汽压力差推动风扇旋转,实现盐差能向电能的转换[2]。在这三种盐差能发电技术中,渗透压能法和反电渗析法的前景更为可观,但由于这两种方法的关键技术在于膜,而当前膜的制作成本十分昂贵,却也远不能满足高效率的盐差能发电设想,大规模市场化销售的膜至今没有实现。而蒸汽压能法虽然比膜方法具有更高的转换率,但由于其发电装置过于庞大,而且所需的投资费用高昂,目前整体上还停留在理论研究阶段。近年来,随着“蓝色能源”重新受到西方国家的关注,出现了很多开发盐差能的新技术,如电解质电容器、纳米流体扩散技术、双电层电容器、法拉第电容器等,但这些技术都处于初步的研发与进一步的完善阶段。

1.2 研究综述

国外关于盐差能发电的设想最早是由美国人于1939年提出的,他们关于盐差能的研究多集中在技术开发方面。1954年,英国工程师帕特尔(R.E.Pattle)在“用淡水和盐水混合的水力发电设备的电力生产”一文中指出,盐差能是一种可再生能源,并且潜力巨大,当两种含盐浓度不同的液体混合时会释放出能量。该文还介绍了反电渗析法发电装置,并简单描述了其工作原理[3]。但由于该技术的核心部件是供离子间相互交换的膜,而当时缺少制作半透膜的人工材料,所以帕特尔的想法并未付诸实践,仅停留在理论设想阶段。1973 年,以色列科学家西德尼·洛布(Sidney Loeb)首创出一台盐差能实验室发电装置,使得利用盐差能进行发电的可能性得到了验证。随后,洛布发表报告,名为“浓盐水通过渗透压能法进行发电:初级技术与经济间的相关性”,报告中介绍了渗透压能法的盐差能发电技术[4]。这篇报告也是第一份公开发表的关于渗透压能发电的报告,被能源界公认为是盐差能研究的开始,洛布也使得当年帕特尔的想法付诸实践。此后,杰拉尔德·维克(Wick G L)在“海洋可再生能源前景分析”一文中提出,“全球江河入海口处可供利用的盐差能功率可达到2.6太瓦(TW),占世界能源需求的近20%[5]。”奥尔森(Olsson M)等人1979年在“盐度梯度功率:利用蒸汽压差”一文中介绍了盐差能开发的蒸汽压法技术。经测试,它是一种比利用膜方法,具有更高转换效率的盐差能技术[6]。2010年,凯蒂奈·迈耶尔(Kitty Nijmeijer)等在《可持续科学与工程》一书第五章“盐差能”中介绍了盐差能的发展现状,并主要介绍了盐差能发电的渗透压能法与反电渗析法两种技术[7]。2015年,费尔南达·赫尔佛(Fernanda Helfer)等在“盐差能:以澳大利亚为例”中重点介绍了盐差能发电技术——渗透压能法,阐述了该方法的核心“半透膜”技术近来的发展状况,并指出渗透压能法未来面临的挑战;最后以澳大利亚为例,提出在澳大利亚利用渗透压能进行盐差能发电的可能性[8]。此外,还有一些学者认为,盐差能发电的原理虽然很简单,但实现其规模化和商业化会面临众多的问题,因此对其进行投资既在经济上尚无效率、也在技术上尚不可行。

总体上来看,国外关于盐差能的研究起步较早,但研究的进程并不十分顺利,经过了近80年的研究;目前该方面的研究仍处于实验室阶段,离实际的应用阶段还有一定的距离,他们的相关研究更多的是着眼于相关技术的开发与完善。

中国于1979年开始盐差能方面的研究,1981年发表第一篇科研论文。王传崑在“我国海洋能资源的初步分析”中,给出了中国各类海洋能资源蕴藏量粗略的估算结果,包括盐差能的蕴藏量粗略估算结果[9]。吴文等在“海洋能开发及其在我国的前景”中介绍了当时西方国家开发海洋能源的原因与采取的措施,并介绍了我国海洋能源开发的进程、成就与前景,其中涉及一些关于盐差能的阐述[10]。在此之后的二十多年里,国内对盐差能的相关研究较少。直至21世纪,纪娟等在“海水盐差能发电技术的研究进展”中介绍了盐差能发电发展的历史,重点介绍了利用盐差能发电的前述三种主要方法,并对这三种方法的装置组成、发电机理、关键技术和成本做了详细介绍;最后概括了盐差能发电的现状和应用前景[11]。刘伯羽等在“盐差能发电技术的研究进展”中分别介绍了不同方法的发电原理、优势与劣势、发展前景等[2]。2011年,施伟勇等在“中国的海洋能资源及其开发前景展望”中介绍了中国盐产能的蕴藏量、分布状况与开发条件[12]。杨捷等在“长江口盐差能发电站的选址”中对盐差能发电技术在长江口的应用选址进行了探讨;详细分析了长江口各个主要汊道的盐度分布特点及在长江口建立盐差能发电站的可能性[13]。叶爱玲等在“基于反电渗析法盐差发电实验研究”中,通过改变盐浓度差、半透膜的数量、溶液与半透膜的接触面积等因素,对电流、电压、盐浓度值的影响进行分析,提出了提高盐差能发电效率的方法,即适当增大盐浓度差、增加半透膜数量并增大其与溶液的接触面积[14]。

总体上来看,中国关于盐差能的相关研究起步晚,与此相关的文献也十分稀少,已有的相关文献多以介绍国外的相关概念与研究进展为主,自身很少有突破性进展研究。

2 国内外产业实践概况

产业一词从不同的角度进行理解,有着不同的含义。从经济学的角度来看,产业主要是指由生产同一类产品的不同厂商,在相互竞争与合作的情况下所组成的一个群体类的经济活动,其最大的特点就在于它的规模性与职业化[15]。从这一角度来说,本文所要研究的盐差能产业指的是以盐差能为依托,由生产与盐差能相关的设备、技术等厂商所组成的一个群体性经济活动。

2.1 国外产业实践概况

20世纪初,西方的一些发达国家就开始了盐差能发电的理论与实验研究,并制成实验发电装置。尽管如此,盐差能发电在国外始终处于实验阶段,没能进入实际应用领域。直到21世纪,盐差能发电才略有突破性地进入实用领域。

(1)挪威国家电力公司(Statkraft)。目前,挪威国家电力公司(Statkraft)在盐差能发电领域是处于领先地位的。1997年开始,该公司就与挪威的两位工程师索森(Southon)和霍尔特(Holt)开展合作,在公司内设立了渗透压能法盐差能发电技术研发部门,并在研发中得到了接近预期值的实验结果,为日后工作的开展提供了理论支撑。2003 年,该公司建成了世界上第一个专门研究盐差能的实验室,致力于盐差能开发技术的研发,尤其是对膜技术的研发。2009年11月,该公司开发的世界第一台渗透压发电机在托夫特河(Tofte)上投入应用,突破了盐差能发电的实验室设想。目前,虽然该发电机的发电效率较低,只能满足一台小型咖啡机的用电量,但该电站的投产却给盐差能研究带来新的活力,迈开了其日后大规模应用的关键第一步[16]。2013年,该公司计划在桑达尔瑟拉市(Sunndalsøra)附近修建一座“渗透压”试用电站。并且,该公司已向挪威水资源能源局(NVE)申请许可证。获得许可后,公司将进一步对其进行投资[17]。

(2)荷兰特文特大学纳米研究所。2002年,荷兰政府出资与克马公司(KEMA)进行合作,共同启动了“蓝色能源”计划,该计划致力于制造低成本的电渗析膜。2014年11月底,在荷兰特文特大学纳米研究所的参与建设下,荷兰首次在其北部的阿夫鲁戴克大坝(Afsluitdijk)正式建成盐差能试验电厂,并成功进行发电。该盐差能试验电厂地处含盐浓度不同的艾瑟人工淡水湖和瓦登海之间,在湖与海之间安装半渗透膜。当湖中的淡水经过电厂安装的半渗透膜与另一侧的海水相遇时,就会产生一定渗透压,从而推动湖中的淡水不断向海水一侧流动,流动过程中产生的水流势能推动水轮发电机转动,从而产生电能。但就该试验发电厂目前的发电效果来看,其发电效率并不高,甚至不能满足自身的用电需求,更不用说满足解决能源危机的需求。然而值得肯定的是,荷兰盐差能试验电厂的建成为盐差能早日进入到实践应用领域,并在未来切实为缓解能源危机开辟一种新途径。荷兰也继续加大对该试验电厂的运营与技术研发的资金投入,致力于提高半透膜的性能与发电效率[18]。

2.2 中国产业实践概况

中国于1985年7月14日在西安建筑科技大学成功研制了干涸盐湖浓差发电实验室装置,在此之后的二十多年里,国内对盐差能发电技术的研究较少,基本处于停滞不前的状态。因此,严格来说,目前中国的盐差能并不具备产业化的条件。与潮汐能、潮流能、波浪能等其他海洋能源的发展相比,盐差能的发展基本处于一种停滞状态。表1为盐差能在技术发展现状及特点、应用现状、产业化前景方面与其他海洋能源的对比[19]。

表1 国内盐差能与其他海洋能产业化发展对比

中国盐差能技术与国外发达国家相比有着很大差距,其发展基本处于停止状态。究其原因,主要有以下几个方面:第一,国内对盐差能发电机技术的认识不够全面,对其的重视程度不够。目前我国虽然大力推进各种新能源的开发,但却因缺少对盐差能的认识,而缺少对其政策的引领与资金的支持。第二,面临渗透膜技术研制的困境,盐差能开发的关键在于膜技术,而目前中国较为缺少相关方面的研究。即使是西方的发达国家至今也未能突破膜技术的研发瓶颈,缺少低成本、规模性、商业化销售的膜,这必然会阻碍盐差能在中国的发展。第三,缺少对盐差能发电环境条件的评估。利用盐差能进行发电,必然面临选址与环境保护等问题,但由于实际应用中淡水和海水两种原料选取以及环境保护等问题上考虑得不够成熟,缺少实践经验的借鉴。因此,盐差能在中国的发展还有相当长的一段距离。上述困难使得国内盐差能技术的研究工作一度处于搁浅状态。随着渗透膜技术的发展以及工业发展对新能源的迫切需求,有必要对盐差能发电技术进行重新的认识,并进行深入的研究。

其实,不仅是在国内,从世界范围来看,盐差能发电的研究仍处于实验室的技术研发阶段,离大规模的商业化推广利用仍有很大的距离。同时,由于一些不确定自然因素的限制,盐差能发电更是面临着重重阻力。但是,面临对清洁、可再生能源的迫切需求,各国会大力推动盐差能技术取得突破性进展。盐差能发电的探索道路是曲折的,但未来的发展前景是广阔的、光明的。相信,目前盐差能发电所面临的一系列经济、技术和环境难题都会在不久的将来逐一得到解决。

3 中国盐差能发展现状分析

3.1 盐差能蕴藏量与空间分布情况

中国的海岸线漫长,并且江河众多,众多大江大河流入渤海、黄海、东海和南海,因此江河入海口处盐差能蕴藏量十分丰富。据估算,全国每年江河流入海中的水量约1.6×1012m3,其中23个主要河流的水量共计达1.4×1012m3,仅长江的水量就达9.1×1011m3,占23个主要河流水量的近62%。沿海的盐差能蕴藏量高达3.58×1015kJ,理论上的发电功率达1.14 ×108kW。此外,中国盐差能资源在地理上分布不均,主要分布在沿海城市的近海河口区,尤其以长江及长江以南的近海河口蕴藏量最为丰富,该地区的盐差能蕴藏量约占全国的 92%。其中,长江的理论储藏量为2214×1012kJ,理论功率为70220MW,约占全国的61.8%;珠江的理论储藏量为694.9×1012kJ,理论功率为22030MW,约占全国的19.4%。就省市而言,上海市的蕴藏量最大,理论蕴藏量达2214×1012kJ,其次是广东、福建、浙江、山东、江苏。就海区而言,东海最大,理论蕴藏量达10520.4×1012kJ,理论功率达81051MW,占全国的 71.38%,其次是南海、渤海、黄海。同时,青海省等地还有不少内陆盐湖存在可以被利用的盐差能,见表2[20]。

3.2 盐差能发展政策环境

盐差能作为海洋能源之一,与其他海洋能源相比发展十分缓慢。21世纪以来,我国十分重视海洋能源的开发,但却由于技术等方面的不成熟,缺少对盐差能发展的推动。2003年9月,国务院批准了“908专项”立项,该立项目的在于对海洋进行综合的调查与评价,以尽可能广泛地获取并掌握海洋方面的信息。该项目于2004年3月正式启动,在3万多名海洋科技工作者的努力下于2012年共同完成,并于2012年10月26日在北京顺利通过验收。该项目基本摸清了中国近海海洋环境资源的家底,包括对盐差能相关内容的调查与数据的收集,对日后盐差能的开发有着重要的意义。此外,我国十分重视对海洋能研究的资金支持,并于2010年5月设立海洋可再生能源专项资金,大力支持海洋能的研究。专项资金共支持96个项目,投入经费总额近10亿元。但对盐差能进行研究的经费投入所占的比重十分微小。因此,我国在发展海洋能源的过程中,着力为海洋能源的开发营造良好的政策环境。但是纵观各种出台的政策,却唯独缺少专门针对盐差能开发的政策,国家仍缺少对该能源开发的重视。

3.3 盐差能开发的难度

与其他海洋能源开发的进展相比,中国盐差能的开发最为缓慢,基本处于停滞状态。盐差能开发面临的挑战主要表现在以下几个方面:

第一,自然因素。虽然盐差能有着较少受气候条件限制的优势,但是却深受季节变换的影响。因为盐差能功率的大小取决于沿海江河入海淡水流量的变化。一方面,受自然因素的影响,沿海江河入海淡水流量原本一年四季就不同。因此,盐差能功率在不同季节以及不同年份的变化也十分显著,具有不稳定性。另一方面,由于一些人为的因素,一些地区江河的入海淡水流量呈现出逐年减少的趋势,甚至出现断流的情况,这将严重影响盐差能的发电功率。因此,盐差能开发面临着自然与人为的双重的严峻挑战。

表2 中国主要入海河流河口盐差能资源储量

第二,技术因素。中国盐差能研究进展缓慢的关键原因就在于技术方面的不成熟,这也是世界各国所共同面临的问题。目前,盐差能的发电方法主要是渗透压能法和反电渗析法,这两种方法的关键部件是渗透膜。但现在所研发的渗透膜不仅能量转化效率低,能量密度小,而且发电成本超高。同时,盐差能开发的其他技术更不成熟,更无法满足盐差能利用的商业化发展。

第三,现实因素。盐差能发电的选址主要位于河海交汇处,而中国的这些地区多为经济活动十分发达与活跃的地区,在这些地区开发盐差能是否会对现有的正常经济活动造成影响是值得思考的问题之一。此外,统计数据中的中国盐差能蕴藏量为理论上的,也就是说要把江河入海的全部水量用于盐差能发电,因此,如何提高盐差能发电的实际功率是值得思考的问题之二。

总之,盐差能作为一种绿色能源,有着巨大的开发潜力,但是离其商业化的实际应用阶段还有很长的距离。当前,不仅中国面临着技术与其他方面的困境,世界上的其他国家亦是如此。

4 中国盐差能发展的前景展望

目前世界上仅有几个国家在初步应用盐差能,但仍存在发电效率极低等众多问题。中国盐差能的发展基本处于停止状态,近期应该做以下工作:

4.1 国家要给予足够的重视

当今,全球需要开发可持续的、环境友好型的新型能源,这不仅可以解决全球能源的短缺问题,还可以减少很多国家对化石燃料的依赖,从而较少对环境的污染。盐差能广泛存在于自然界中,它的开发不会产生废水、废气,也不会占用大片良田,更没有辐射污染,因而被誉为21世纪的绿色能源。盐差能的开发离不开国家的重视与支持,首先,国家应尽快把发展盐差能提到议事日程,充分表现出对发展盐差能的足够重视,从而吸引并激励更多的人才投入到相关技术的研发中来;其次,国家应加大对盐差能技术开发的政策与资金支持,通过鼓励性政策与金钱性支持,吸引更多相关方面的人才投入到盐差能的开发与研究中去。在政策性支持方面,可以对盐差能研发的核心技术进行立项支持,多鼓励相关方面的科研立项,并建立对科研立项支持的长效机制,保证对某一项目支持的连续性,更好地促进盐差能核心技术早日取得突破性成果。此外,要加大对盐差能技术研发的资金支持,设立相关的专项资金,专门用于相关技术的研发。通过国家的政策与资金支持,为盐差能的开发营造一个良好的外部环境。

4.2 有针对性地提高相关技术

目前,盐差能的主要发电方法是渗透压能法和反电渗析法,这两种方法的核心都是渗透膜,但由于目前渗透膜技术的不成熟,采用这两种方法发电都面临着高成本、低效率的局限性。因此,发展盐差能的关键是发展膜技术,尤其是有针对性地提高相关技术:首先,要提高膜的能量转换率。膜的能量转换率低是目前盐差能发电面临的关键性问题之一,解决好这方面的问题,对于渗透压能法来说,重点在于提高膜技术的透水率和工作性能,以使淡水更快、更有效地渗透到海水一侧;对于反电渗析法来说,重点在于提高离子渗透膜的选择性能,并尽可能降低装置内其他因素对渗透膜的选择性能造成的阻碍和对能量造成的损失,以使得阴阳离子更有效地流动;其次,降低膜的制造成本。目前,盐差能发展缓慢的另一大主要原因在于膜材料制造成本的昂贵,尤其是反电渗析法需要耗费大量的离子渗透膜。因此,为大力推动盐差能发电技术的发展,研发出廉价、能够大量商业化销售的膜是十分必要且关键的;最后,延长膜的使用寿命。一方面要提高膜的抗污染性能、抗腐蚀性,尽量延缓其因长期浸泡在水里而过早被污染、腐蚀的可能,另一方面要进行预处理和定期的清洗,避免其因长期的生物积垢和泥沙淤积而造成性能上的减弱。此外,对于蒸汽压能法来说,目前它的最大优势是不需要使用渗透膜,这样避免了与渗透膜有关的难题。但却面临着使用的装置太过庞大、昂贵的问题。因此,蒸汽压能法要在装置的体积以及成本方面做重点研究[2]。

4.3 加强人才队伍建设

为确保盐差能真正得以发展,离不开科研队伍的建设。要鼓励组建盐差能技术研发队伍,并为其研发工作提供相应的政策与资金的支持,不断扩大盐差能人才队伍的规模,形成稳定的科研力量。国家要通过对盐差能开发的重视以及对核心技术进行立项的支持,激励并吸引更多相关方面的人才投入到盐差能技术的研究中来。此外,要大力推进产—学—研相结合,鼓励高校培养相关方面的人才,鼓励高校已有的相关人才继续深入相关方面的研究,通过多种形式的产学研合作[21],保证盐差能科研队伍建设的稳定性与连续性,推动相关技术取得突破性进展,从而推动盐差能在我国应用与发展。

总之,盐差能发电作为一种新兴的绿色能源,有着很广阔的开发空间与发展前景,虽然现在国内外的技术还不是很成熟,但有关专家预测并相信,21世纪人类将步入开发海洋能源的新时代[22],两水相逢的盐度差能被大规模的利用必将成为现实。相信在不久的将来,盐差能发电会得到大力发展。

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