沈蘇雯

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

第一次石油危機后，OTEC被視為與其他自然能源一樣，受到歐美和日本等國家的關注。但隨著石油價格的滑落，幾乎所有國家都停止了研發(fā)工作。1990年美國對OTEC的評價為“海洋溫差發(fā)電從技術上來說是可能的，但以目前的原油價格來看，是不經(jīng)濟的。至少原油價格不超過49美元/桶的話，OTEC便不經(jīng)濟”。從那之后，OTEC的推廣被預言將要到20年甚至50年后才能實現(xiàn)。

2008年原油價格超過140美元/桶，隨著油價高企帶來的能源和環(huán)境問題愈加顯著化，成為了全球矚目的課題。近年來以美國和法國為首開展了10MW級商用設備研發(fā)工作。這一動向，使得海洋溫差發(fā)電再次受到學界的青睞，因其在可再生能源領域中如同地熱發(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)電的特點之一，“高稼動率”結合海洋深層水的“復合利用”甚至可以產(chǎn)生兆瓦級的規(guī)模經(jīng)濟。

此外，2011年韓國為了建立海洋溫差發(fā)電的國際標準，在國際電工委員會（IEC）的IEC/TC114上，提出了“海洋溫差發(fā)電”的標準提案。隨后該提案被認可，從2012年開始了標準化進程。

在日本，2010年7月，新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）發(fā)表了日本首個真正的《可再生能源技術白皮書》，展現(xiàn)了到2030年可再生能源的技術課題、未來發(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、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電均有所介紹。并且2011年，NEDO發(fā)表了包含海洋溫差發(fā)電在內的海洋可再生能源5年內的研究計劃《海洋能源技術研究開發(fā)》。另一方面，2012年在沖繩縣，一項旨在全年連續(xù)運轉的100kW規(guī)模的海洋溫差發(fā)電計劃開始執(zhí)行，并于2013年6月正式開展了50kW規(guī)模的實證實驗，躋身國際先進行列。

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。主要組成設備為蒸發(fā)器、凝結器、渦輪、發(fā)電機和泵。這些設備由管路連接，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。該蒸氣通過渦輪，使渦輪和發(fā)電機工作并進行發(fā)電。從渦輪中出來的蒸氣通過凝結器，由從深層汲取上來的4℃～10℃的冷海水進行冷卻，重新成為液體。如此往復而行，可在不使用化石燃料和鈾的情況下進行海水發(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含的資源量。經(jīng)過各種計算，國際能源署（IEA）認為海洋溫差能源的理論含量在10000TWh，同時IEA調查了世界各地海水的溫度分布，并發(fā)表了適合設置海洋溫差發(fā)電設備的海域。僅表層與深層1000米處水溫差在22℃以上的海域就有6000萬km2。

2010年在NEDO發(fā)表的《把握海洋能源潛能業(yè)務報告書》中給出了日本的經(jīng)濟水域中海洋溫差能源總量在47TWh的數(shù)據(jù)。不過需要注意的是，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。

海洋溫差發(fā)電在發(fā)電的同時還可復合性地進行持續(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，因此對該能源的復合利用便十分重要。諸如將淡化后的海水與發(fā)出來的電一起制造氫，不僅可儲藏電力，對于依賴能源進口的地區(qū)甚至能轉變產(chǎn)業(yè)鏈為能源出口型。而鋰作為信息化社會不可或缺的鋰電池原料，對于有些國內很少、幾乎100%靠進口的國家來說，如果能在發(fā)電的同時從海水中回收，則可帶來很大的利益。還有，發(fā)電時所使用的海洋深層水可以用來改善由于濫捕濫殺和環(huán)境變化造成水產(chǎn)減少的漁場。

圖2 海洋溫差發(fā)電的復合利用

海洋溫差發(fā)電兩大技術路線

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)。美國當初也是采用開路循環(huán)。不過，日本佐賀大學的研究學者認為，要推進OTEC的實用化，閉路循環(huán)是不可缺的，并對此進行技術研究。開路循環(huán)的優(yōu)點在于無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，氣體凝結困難問題等課題尚待解決。從至今為止的成果來看，閉路循環(huán)比起開路循環(huán)評價更好。目前國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)模實用化，并長期運轉了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。如定壓蒸發(fā)時，溫度在不斷變化，由低到高地滑移；定壓凝結時則是正好相反。這一特性于實際運用中，凝結過程冷卻水是不斷變化的，蒸發(fā)過程被冷卻對象溫度是不斷降低的變溫特點相適應，縮小了變相過程中的傳熱溫差、減小了過程的不可逆損失，進而減小了凝結器和蒸發(fā)器的傳熱不可逆損失，使制冷循環(huán)的效率得以提高。當蒸發(fā)溫度與被冷卻對象溫度、凝結溫度與環(huán)境介質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，諸如混合式循環(huán)等各種新的循環(huán)設計紛紛出現(xiàn)，比如2014年NEDO項目開始了世界首個15kW混合式OTEC系統(tǒng)結構性能試驗。

海洋溫差發(fā)電的經(jīng)濟性

可再生能源的經(jīng)濟性，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)濟性，也就是發(fā)電成本，根據(jù)設置的地域溫差、季節(jié)變動、設置形式、海底地形和輸電方式的不同有著很大的變化，因此無法一概而論。在此基礎上，日本海洋能源資源利用推進機構（OEA-J）的海洋溫差發(fā)電部推算了海洋溫差發(fā)電經(jīng)濟性。在數(shù)百千瓦以下的規(guī)模，只靠發(fā)電很難形成經(jīng)濟性，需與其他利用海洋深層水的技術結合利用。1000kW規(guī)模，可與太陽能發(fā)電一同在孤島、使用柴油發(fā)電的地區(qū)結合使用，充分發(fā)揮穩(wěn)定性這一優(yōu)點。另一方面，海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)是具有很大規(guī)模經(jīng)濟性的發(fā)電設備，達到100MW規(guī)模以上的發(fā)電成本在10日元/kWh左右，十分具有競爭力。此外，如果與太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等深度結合應用，更加提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這一點對于經(jīng)濟性評價十分重要。

日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省制定了從2015年開始實施海洋能源實用化的目標。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個目標：一是加速研發(fā)海洋溫差發(fā)電商業(yè)化技術，并拓展海外市場，維持世界最尖端技術的地位，培育國內企業(yè)，強化國際競爭力；二是基于培養(yǎng)國內產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)低碳社會，保障能源等觀點，促進國內新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。

海洋能源利用的推進，牽涉到能源問題和環(huán)境問題，在全球都有十分重要的影響。因此地球上任何大國在可持續(xù)性發(fā)展和環(huán)境能源領域上都應作出應有的貢獻。海洋溫差發(fā)電具有高穩(wěn)定性、高稼動率，并且可以與海洋深層水復合利用，還可在經(jīng)濟性層面上形成規(guī)模效益，優(yōu)點十分明晰。曾經(jīng)在海洋溫差發(fā)電實用化推進過程中碰到的無法逾越的障礙，都隨著各種新技術的誕生、社會環(huán)境的變化以及研究成果逐漸展現(xiàn)而被跨越。多個國家已踏上真正實用化的進程。在這種情況下，同樣擁有豐富海洋資源的我國，在這方面也應有所發(fā)展，而海洋溫差發(fā)電是一項需要結合多種海洋技術，需要整個行業(yè)領域共同的合作和努力。

海洋溫差技術國際化標準

IEC的TC114從2007年開始以歐美各國為中心開展確立海洋發(fā)電領域的國際化標準，在標準中以波浪發(fā)電和潮汐發(fā)電為優(yōu)先，是一份較為完善的標準。當時海洋溫差發(fā)電技術并未收錄在IEC/TC114中，不過2011年韓國提交了《海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的設計評價導則》提案，大會予以認可并給予了規(guī)則編號TS62600-300。

該規(guī)則包括以下內容：1.范圍；2.規(guī)范性引用文件；3.術語、定義、符號和縮寫術語；4.一般要求和條件；5.極限狀態(tài)設計原則；6.基本變量；7.分析；8.水管道系統(tǒng)的設計要求；9.熱泵系統(tǒng)的設計；10.平臺設計；11.其他注意事項；12.參考。這份規(guī)則的詳情在2014年開始研討。

各國研發(fā)動向

美國曾經(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)實證實驗之后，由于原油價格持續(xù)低迷，美國的海洋溫差發(fā)電研究也持續(xù)了15年的低迷期。當時美國做出了原油價格低于49美元/桶，則海洋溫差發(fā)電就不具備經(jīng)濟意義的評價。但是從2007年開始隨著美國能源政策的轉變，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70年代發(fā)明了世界首座浮體式海洋溫差發(fā)電實證設備“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年美國能源部給予120萬美元的補助，2009年又從國防部獲得了812萬美元，2010年再一次從能源部獲得了贊助金，在夏威夷和關島開展10MW規(guī)模海洋溫差發(fā)電關鍵技術開發(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構想

洛克希德·馬丁公司對于取水管的選取，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復合材料（FRP），構建了新的取水管技術。熱交換器方面，日本采用的是其在國際上十分具有競爭力、抗海水性能很優(yōu)秀的鈦合金薄板為主要材料，美國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達成合作，在中國建造全球最大的海洋溫差發(fā)電設備。

夏威夷的海洋溫差發(fā)電研發(fā)計劃是基于可再生能源導入計劃，目標是在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）以美國的OTEC International公司為平臺，在2011年9月進行了1MW項目的國際公開籌股。2014年NELHA宣布1MW項目成功完成。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認可。

雖然在波浪、洋流領域，英國是歐洲海洋可再生能源技術的領頭羊，然而法國在海洋溫差發(fā)電研究方面受政府主導，在歐洲處于領先地位。其中，前身為法國國有船舶制造集團（DCN）的DCNS公司宣布將在2016年建造完成10MW規(guī)模的實驗機計劃。

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

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

圖4 法國DCNS留尼汪島10MW OTEC構想

韓國在2010年由韓國海洋科學技術院（KIOST）牽頭成立并開始了作為國家項目的海洋溫差發(fā)電6年發(fā)展計劃，該項目總投資額約為26億日元，并與美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）合作?，F(xiàn)在已完成20kW規(guī)模的試驗裝置，最終目的是發(fā)展出100MW規(guī)模的商用設備。在韓國，一年中溫暖的表層海水十分難得，該OTEC計劃將采用火力、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年開始實施一項計劃，將來將發(fā)展10MW規(guī)模的大型化發(fā)電站，并逐步推廣商業(yè)化。該計劃由IHI-PC、橫河電機和Xenesys的合資公司共同推進。2013年3月全球首次發(fā)電成功，6月正式開始運行。此外，對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，減小對研究所及民間企業(yè)的影響，并在這個前提下獲取數(shù)據(jù)。今后將向無人連續(xù)運轉的方向進行調整，并基于實驗結果，對1MW及10MW規(guī)模設備的經(jīng)濟性予以很高的評價。

圖5 沖繩縣海洋溫差發(fā)電實證計劃現(xiàn)狀

佐賀大學海洋能源研究中心正在進行一項研究，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)定地運行2個星期。實驗是在23℃的溫差數(shù)據(jù)下進行的，實際功率達到理論最大功率的25%。此外，為了推進海洋溫差發(fā)電的發(fā)展還在進行若干項復合利用的探討，比如海水淡化、回收鋰等，均在進行實證試驗，其中回收鋰實驗，已進行了約半年的連續(xù)運轉并成功。

圖6 獲得型式認可的浮體式OTEC概念圖

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