海洋溫差發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化軌跡

沈蘇雯

目前，海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)（OTEC）的研究開發(fā)，自第一次石油危機(jī)時(shí)的首次高峰期后又迎來(lái)了第二次高峰期。

第一次石油危機(jī)后，OTEC被視為與其他自然能源一樣，受到歐美和日本等國(guó)家的關(guān)注。但隨著石油價(jià)格的滑落，幾乎所有國(guó)家都停止了研發(fā)工作。1990年美國(guó)對(duì)OTEC的評(píng)價(jià)為“海洋溫差發(fā)電從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是可能的，但以目前的原油價(jià)格來(lái)看，是不經(jīng)濟(jì)的。至少原油價(jià)格不超過(guò)49美元/桶的話，OTEC便不經(jīng)濟(jì)”。從那之后，OTEC的推廣被預(yù)言將要到20年甚至50年后才能實(shí)現(xiàn)。

2008年原油價(jià)格超過(guò)140美元/桶，隨著油價(jià)高企帶來(lái)的能源和環(huán)境問(wèn)題愈加顯著化，成為了全球矚目的課題。近年來(lái)以美國(guó)和法國(guó)為首開展了10MW級(jí)商用設(shè)備研發(fā)工作。這一動(dòng)向，使得海洋溫差發(fā)電再次受到學(xué)界的青睞，因其在可再生能源領(lǐng)域中如同地?zé)岚l(fā)電一般具有“穩(wěn)定性”是主要原因。而且，作為海洋溫差發(fā)電的特點(diǎn)之一，“高稼動(dòng)率”結(jié)合海洋深層水的“復(fù)合利用”甚至可以產(chǎn)生兆瓦級(jí)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

此外，2011年韓國(guó)為了建立海洋溫差發(fā)電的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的IEC/TC114上，提出了“海洋溫差發(fā)電”的標(biāo)準(zhǔn)提案。隨后該提案被認(rèn)可，從2012年開始了標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

在日本，2010年7月，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）發(fā)表了日本首個(gè)真正的《可再生能源技術(shù)白皮書》，展現(xiàn)了到2030年可再生能源的技術(shù)課題、未來(lái)發(fā)展規(guī)劃圖和展望。在這些可再生能源中，海洋溫差發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電均有所介紹。并且2011年，NEDO發(fā)表了包含海洋溫差發(fā)電在內(nèi)的海洋可再生能源5年內(nèi)的研究計(jì)劃《海洋能源技術(shù)研究開發(fā)》。另一方面，2012年在沖繩縣，一項(xiàng)旨在全年連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的100kW規(guī)模的海洋溫差發(fā)電計(jì)劃開始執(zhí)行，并于2013年6月正式開展了50kW規(guī)模的實(shí)證實(shí)驗(yàn)，躋身國(guó)際先進(jìn)行列。

海洋溫差發(fā)電的原理及潛能

海洋溫差發(fā)電是將海洋表層的溫海水和深層（約600米～1000米）的冷海水之間約10℃～25℃的溫度差作為能源轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電系統(tǒng)。

圖1所示為基本的海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的原理。主要組成設(shè)備為蒸發(fā)器、凝結(jié)器、渦輪、發(fā)電機(jī)和泵。這些設(shè)備由管路連接，充入氨作為工作流體。工作流體在液體狀態(tài)下會(huì)由泵送往蒸發(fā)器。在那里由表層25℃～30℃的溫海水加熱，蒸發(fā)，成為蒸氣。該蒸氣通過(guò)渦輪，使渦輪和發(fā)電機(jī)工作并進(jìn)行發(fā)電。從渦輪中出來(lái)的蒸氣通過(guò)凝結(jié)器，由從深層汲取上來(lái)的4℃～10℃的冷海水進(jìn)行冷卻，重新成為液體。如此往復(fù)而行，可在不使用化石燃料和鈾的情況下進(jìn)行海水發(fā)電。

圖1 海洋溫差發(fā)電原理

海洋溫差能源的潛能在于其蘊(yùn)含的資源量。經(jīng)過(guò)各種計(jì)算，國(guó)際能源署（IEA）認(rèn)為海洋溫差能源的理論含量在10000TWh，同時(shí)IEA調(diào)查了世界各地海水的溫度分布，并發(fā)表了適合設(shè)置海洋溫差發(fā)電設(shè)備的海域。僅表層與深層1000米處水溫差在22℃以上的海域就有6000萬(wàn)km2。

2010年在NEDO發(fā)表的《把握海洋能源潛能業(yè)務(wù)報(bào)告書》中給出了日本的經(jīng)濟(jì)水域中海洋溫差能源總量在47TWh的數(shù)據(jù)。不過(guò)需要注意的是，潛能較高的海域僅限日本南部海域，距離日本電力需求地較遠(yuǎn)。

海洋溫差發(fā)電在發(fā)電的同時(shí)還可復(fù)合性地進(jìn)行持續(xù)性海水淡化、生產(chǎn)氫、回收鋰等等許多工作，如圖2所示。海洋溫差能作為來(lái)自占據(jù)地球三分之二面積的海水的能源，它的量是龐大的，但與化石燃料相比，能源密度很小，因此對(duì)該能源的復(fù)合利用便十分重要。諸如將淡化后的海水與發(fā)出來(lái)的電一起制造氫，不僅可儲(chǔ)藏電力，對(duì)于依賴能源進(jìn)口的地區(qū)甚至能轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)鏈為能源出口型。而鋰作為信息化社會(huì)不可或缺的鋰電池原料，對(duì)于有些國(guó)內(nèi)很少、幾乎100%靠進(jìn)口的國(guó)家來(lái)說(shuō)，如果能在發(fā)電的同時(shí)從海水中回收，則可帶來(lái)很大的利益。還有，發(fā)電時(shí)所使用的海洋深層水可以用來(lái)改善由于濫捕濫殺和環(huán)境變化造成水產(chǎn)減少的漁場(chǎng)。

圖2 海洋溫差發(fā)電的復(fù)合利用

海洋溫差發(fā)電兩大技術(shù)路線

海洋溫差發(fā)電方式大致可分為開路循環(huán)方式和閉路循環(huán)方式兩大類。閉路循環(huán)如圖1所示采用氨為工作流體進(jìn)行循環(huán)。而開路循環(huán)則不使用氨等工作流體，而是直接蒸發(fā)海水。日本主要使用開路循環(huán)。美國(guó)當(dāng)初也是采用開路循環(huán)。不過(guò)，日本佐賀大學(xué)的研究學(xué)者認(rèn)為，要推進(jìn)OTEC的實(shí)用化，閉路循環(huán)是不可缺的，并對(duì)此進(jìn)行技術(shù)研究。開路循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需使用氨并且較易獲得淡水，然而渦輪的出入口壓力差較小，氣體凝結(jié)困難問(wèn)題等課題尚待解決。從至今為止的成果來(lái)看，閉路循環(huán)比起開路循環(huán)評(píng)價(jià)更好。目前國(guó)際上的主流方式即為閉路循環(huán)。

為了提升海洋溫差發(fā)電的循環(huán)熱效率，在閉路循環(huán)方案中提了若干種使用氨/水的循環(huán)方式。采用該循環(huán)方式的有廢熱發(fā)電、二重溫泉水發(fā)電等，已有數(shù)千千瓦規(guī)模實(shí)用化，并長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)了12年以上。另一方面，氨/水的組合為非共沸混合物制冷劑，其特點(diǎn)在于，在定壓下，相變溫度要發(fā)生變化。即非共沸制冷劑沒有共沸點(diǎn)。如定壓蒸發(fā)時(shí)，溫度在不斷變化，由低到高地滑移；定壓凝結(jié)時(shí)則是正好相反。這一特性于實(shí)際運(yùn)用中，凝結(jié)過(guò)程冷卻水是不斷變化的，蒸發(fā)過(guò)程被冷卻對(duì)象溫度是不斷降低的變溫特點(diǎn)相適應(yīng)，縮小了變相過(guò)程中的傳熱溫差、減小了過(guò)程的不可逆損失，進(jìn)而減小了凝結(jié)器和蒸發(fā)器的傳熱不可逆損失，使制冷循環(huán)的效率得以提高。當(dāng)蒸發(fā)溫度與被冷卻對(duì)象溫度、凝結(jié)溫度與環(huán)境介質(zhì)溫度之間的溫差值越小，制冷循環(huán)效率就越高。因此它是最適合閉路循環(huán)的。并且近年來(lái)，諸如混合式循環(huán)等各種新的循環(huán)設(shè)計(jì)紛紛出現(xiàn)，比如2014年NEDO項(xiàng)目開始了世界首個(gè)15kW混合式OTEC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。

海洋溫差發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性

可再生能源的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)其所在地域不同有很大的差異。同樣，海洋溫差發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，也就是發(fā)電成本，根據(jù)設(shè)置的地域溫差、季節(jié)變動(dòng)、設(shè)置形式、海底地形和輸電方式的不同有著很大的變化，因此無(wú)法一概而論。在此基礎(chǔ)上，日本海洋能源資源利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)（OEA-J）的海洋溫差發(fā)電部推算了海洋溫差發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。在數(shù)百千瓦以下的規(guī)模，只靠發(fā)電很難形成經(jīng)濟(jì)性，需與其他利用海洋深層水的技術(shù)結(jié)合利用。1000kW規(guī)模，可與太陽(yáng)能發(fā)電一同在孤島、使用柴油發(fā)電的地區(qū)結(jié)合使用，充分發(fā)揮穩(wěn)定性這一優(yōu)點(diǎn)。另一方面，海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)是具有很大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性的發(fā)電設(shè)備，達(dá)到100MW規(guī)模以上的發(fā)電成本在10日元/kWh左右，十分具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，如果與太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等深度結(jié)合應(yīng)用，更加提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對(duì)于經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)十分重要。

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省制定了從2015年開始實(shí)施海洋能源實(shí)用化的目標(biāo)。NEDO在2010年7月發(fā)行的《可再生能源白皮書》中也提出了開發(fā)海洋溫差發(fā)電的2個(gè)目標(biāo)：一是加速研發(fā)海洋溫差發(fā)電商業(yè)化技術(shù)，并拓展海外市場(chǎng)，維持世界最尖端技術(shù)的地位，培育國(guó)內(nèi)企業(yè)，強(qiáng)化國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力；二是基于培養(yǎng)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)，保障能源等觀點(diǎn)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。

海洋能源利用的推進(jìn)，牽涉到能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，在全球都有十分重要的影響。因此地球上任何大國(guó)在可持續(xù)性發(fā)展和環(huán)境能源領(lǐng)域上都應(yīng)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。海洋溫差發(fā)電具有高穩(wěn)定性、高稼動(dòng)率，并且可以與海洋深層水復(fù)合利用，還可在經(jīng)濟(jì)性層面上形成規(guī)模效益，優(yōu)點(diǎn)十分明晰。曾經(jīng)在海洋溫差發(fā)電實(shí)用化推進(jìn)過(guò)程中碰到的無(wú)法逾越的障礙，都隨著各種新技術(shù)的誕生、社會(huì)環(huán)境的變化以及研究成果逐漸展現(xiàn)而被跨越。多個(gè)國(guó)家已踏上真正實(shí)用化的進(jìn)程。在這種情況下，同樣擁有豐富海洋資源的我國(guó)，在這方面也應(yīng)有所發(fā)展，而海洋溫差發(fā)電是一項(xiàng)需要結(jié)合多種海洋技術(shù)，需要整個(gè)行業(yè)領(lǐng)域共同的合作和努力。

海洋溫差技術(shù)國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)

IEC的TC114從2007年開始以歐美各國(guó)為中心開展確立海洋發(fā)電領(lǐng)域的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)中以波浪發(fā)電和潮汐發(fā)電為優(yōu)先，是一份較為完善的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)海洋溫差發(fā)電技術(shù)并未收錄在IEC/TC114中，不過(guò)2011年韓國(guó)提交了《海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》提案，大會(huì)予以認(rèn)可并給予了規(guī)則編號(hào)TS62600-300。

該規(guī)則包括以下內(nèi)容：1.范圍；2.規(guī)范性引用文件；3.術(shù)語(yǔ)、定義、符號(hào)和縮寫術(shù)語(yǔ)；4.一般要求和條件；5.極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則；6.基本變量；7.分析；8.水管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；9.熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；10.平臺(tái)設(shè)計(jì)；11.其他注意事項(xiàng)；12.參考。這份規(guī)則的詳情在2014年開始研討。

各國(guó)研發(fā)動(dòng)向

美國(guó)曾經(jīng)擁有50kW的閉路循環(huán)系統(tǒng)“Mini-OTEC”，然而自從200kW的開路循環(huán)系統(tǒng)實(shí)證實(shí)驗(yàn)之后，由于原油價(jià)格持續(xù)低迷，美國(guó)的海洋溫差發(fā)電研究也持續(xù)了15年的低迷期。當(dāng)時(shí)美國(guó)做出了原油價(jià)格低于49美元/桶，則海洋溫差發(fā)電就不具備經(jīng)濟(jì)意義的評(píng)價(jià)。但是從2007年開始隨著美國(guó)能源政策的轉(zhuǎn)變，以節(jié)能為目的的海洋溫差發(fā)電研究再一次重新開展。

在民間，上世紀(jì)70年代發(fā)明了世界首座浮體式海洋溫差發(fā)電實(shí)證設(shè)備“Mini-OTEC”的洛克希德·馬丁公司獲得了政府的支持，重新展開了研發(fā)。2008年美國(guó)能源部給予120萬(wàn)美元的補(bǔ)助，2009年又從國(guó)防部獲得了812萬(wàn)美元，2010年再一次從能源部獲得了贊助金，在夏威夷和關(guān)島開展10MW規(guī)模海洋溫差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)（取水管及熱交換器等），如圖3。

圖3 洛克希德·馬丁公司的夏威夷10 MW OTEC構(gòu)想

洛克希德·馬丁公司對(duì)于取水管的選取，放棄了常規(guī)的高密度聚乙烯（HDPE）材料而是選擇了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），構(gòu)建了新的取水管技術(shù)。熱交換器方面，日本采用的是其在國(guó)際上十分具有競(jìng)爭(zhēng)力、抗海水性能很優(yōu)秀的鈦合金薄板為主要材料，美國(guó)使用的則是鋁合金材料。此外，2013年10月，洛克希德·馬丁公司宣布與華彬集團(tuán)達(dá)成合作，在中國(guó)建造全球最大的海洋溫差發(fā)電設(shè)備。

夏威夷的海洋溫差發(fā)電研發(fā)計(jì)劃是基于可再生能源導(dǎo)入計(jì)劃，目標(biāo)是在2015年建成35MW，到2030年建成365MW以上規(guī)模。在這種情況下，夏威夷州立自然能源研究所（NELHA）以美國(guó)的OTEC International公司為平臺(tái)，在2011年9月進(jìn)行了1MW項(xiàng)目的國(guó)際公開籌股。2014年NELHA宣布1MW項(xiàng)目成功完成。值得一提的是，OTEC International公司為了25MW和100MW浮體式OTEC的商用化，已獲得了必要的ABS認(rèn)可。

雖然在波浪、洋流領(lǐng)域，英國(guó)是歐洲海洋可再生能源技術(shù)的領(lǐng)頭羊，然而法國(guó)在海洋溫差發(fā)電研究方面受政府主導(dǎo)，在歐洲處于領(lǐng)先地位。其中，前身為法國(guó)國(guó)有船舶制造集團(tuán)（DCN）的DCNS公司宣布將在2016年建造完成10MW規(guī)模的實(shí)驗(yàn)機(jī)計(jì)劃。

2009年4月DCN與在印度洋的法屬留尼汪島政府達(dá)成了研發(fā)方面的合作協(xié)議，以此為契機(jī)，從2010年開始在塔希提島上進(jìn)行可行性調(diào)查。在塔希提島上建造的5MW規(guī)模的海洋溫差發(fā)電設(shè)備是法國(guó)政府委托日本的海洋溫差發(fā)電制造商參與制造的。

法國(guó)海洋能源開發(fā)的核心機(jī)構(gòu)IFREMER在第六屆Grenelle環(huán)境論壇上提出了到2020年將能源消費(fèi)中可再生能源比例提升到20%以上的目標(biāo)，為此計(jì)算了4種可行性提案，其中最佳提案便是導(dǎo)入200 MW規(guī)模的海洋溫差發(fā)電。

圖4 法國(guó)DCNS留尼汪島10MW OTEC構(gòu)想

韓國(guó)在2010年由韓國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)院（KIOST）牽頭成立并開始了作為國(guó)家項(xiàng)目的海洋溫差發(fā)電6年發(fā)展計(jì)劃，該項(xiàng)目總投資額約為26億日元，并與美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）合作?，F(xiàn)在已完成20kW規(guī)模的試驗(yàn)裝置，最終目的是發(fā)展出100MW規(guī)模的商用設(shè)備。在韓國(guó)，一年中溫暖的表層海水十分難得，該OTEC計(jì)劃將采用火力、核力發(fā)電所用的溫排水或者向南太平洋等外海發(fā)展。

在日本沖繩縣，能源供應(yīng)講究提升自給率，增加供給源。作為其中一環(huán)，利用海洋深層水的溫差發(fā)電發(fā)展方面，從2012年開始實(shí)施一項(xiàng)計(jì)劃，將來(lái)將發(fā)展10MW規(guī)模的大型化發(fā)電站，并逐步推廣商業(yè)化。該計(jì)劃由IHI-PC、橫河電機(jī)和Xenesys的合資公司共同推進(jìn)。2013年3月全球首次發(fā)電成功，6月正式開始運(yùn)行。此外，對(duì)于沖繩縣海洋深層水研究所汲取的海水（表層水及深層水）剩余部分加以利用，減小對(duì)研究所及民間企業(yè)的影響，并在這個(gè)前提下獲取數(shù)據(jù)。今后將向無(wú)人連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向進(jìn)行調(diào)整，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)1MW及10MW規(guī)模設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性予以很高的評(píng)價(jià)。

圖5 沖繩縣海洋溫差發(fā)電實(shí)證計(jì)劃現(xiàn)狀

佐賀大學(xué)海洋能源研究中心正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，旨在提高海洋溫差發(fā)電的性能，使用氨/水的混合制冷劑替代歷來(lái)作為工作流體的純氨。至今為止的研究成果表明，使用氨/水混合制冷劑的30千瓦規(guī)模的系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行2個(gè)星期。實(shí)驗(yàn)是在23℃的溫差數(shù)據(jù)下進(jìn)行的，實(shí)際功率達(dá)到理論最大功率的25%。此外，為了推進(jìn)海洋溫差發(fā)電的發(fā)展還在進(jìn)行若干項(xiàng)復(fù)合利用的探討，比如海水淡化、回收鋰等，均在進(jìn)行實(shí)證試驗(yàn)，其中回收鋰實(shí)驗(yàn)，已進(jìn)行了約半年的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并成功。

圖6 獲得型式認(rèn)可的浮體式OTEC概念圖

而要使得OTEC真正達(dá)到商業(yè)化，必須依賴浮體式OTEC系統(tǒng)。近年來(lái)美國(guó)、法國(guó)和韓國(guó)等國(guó)家紛紛發(fā)表了獨(dú)立研究的10MW以及100MW規(guī)模的浮體式OTEC概念設(shè)計(jì)。在這種情況下，2013年9月JMU采用與佐賀大學(xué)共同研發(fā)的海洋溫差發(fā)電研究成果，從NK獲得了世界首個(gè)浮體式的全潛式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的型式認(rèn)可（AIP），這種方式較其他相比，成本更廉價(jià)，性能更高。