王 燕,劉邦凡,段曉宏

(1.燕山大學經濟管理學院，河北 秦皇島 066004；2.河北科技師范學院工商管理學院,河北 秦皇島 066004；3.燕山大學公共管理學院,河北 秦皇島 066004)

1 理論探討

1.1 鹽差能概念界定

鹽差能，與潮汐能、波浪能、溫差能、海流能、潮汐能、海洋生物能一樣，同為海洋可再生綠色能源的一種。與其他海洋能源相比，鹽差能有著較少受氣候條件限制的優(yōu)勢，但也是眾多海洋能源中最少被開發(fā)利用的一種可再生能源。鹽差能是一種清潔的可再生綠色能源，很多西方學者稱其為“藍色能源”，它主要存在于河海交接處，淡水豐富地區(qū)的鹽湖和地下鹽礦也存在可被利用的鹽差能，因為這些地方都存在著淡水和鹽水之間的鹽梯度差。鹽差能的發(fā)電原理是：當把兩種濃度不同的鹽溶液進行混合時，濃溶液中的鹽類離子就會自發(fā)地向稀溶液中擴散，直到兩者濃度相等為止，同時，在這一過程中會釋放出能量[1]。因此，鹽差能發(fā)電，就是利用海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差，并將其轉換為有效的電能，它是一種以化學形態(tài)出現的海洋能源。

目前，鹽差能的發(fā)電方法主要有三種，分別是滲透壓能法、反電滲析法與蒸汽壓能法。滲透壓能法的基本原理是：用半透膜將淡水和海水隔開，由于含鹽濃度不同的淡水和海水之間存在著滲透壓，在滲透壓的作用下，含鹽較低的淡水會滲入到另一側含鹽較高的海水中，海水一側的勢能會逐漸增大，從而推動水輪機旋轉，實現鹽差能向電能的轉換。反電滲析法的基本原理是：使用陰陽離子交換膜將海水和淡水隔開，其中陰離子交換膜只能通過陰離子，陽離子交換膜只能通過陽離子，將陰陽離子膜交替放置，陰陽離子在溶液中會定向流動，連接上負載之后即有電流產生。蒸汽壓能法的基本原理是：在溫度條件相同的情況下，含鹽較高海水的蒸汽壓比含鹽較少淡水的小，因此利用淡水與海水之間的蒸汽壓力差推動風扇旋轉，實現鹽差能向電能的轉換[2]。在這三種鹽差能發(fā)電技術中，滲透壓能法和反電滲析法的前景更為可觀，但由于這兩種方法的關鍵技術在于膜，而當前膜的制作成本十分昂貴，卻也遠不能滿足高效率的鹽差能發(fā)電設想，大規(guī)模市場化銷售的膜至今沒有實現。而蒸汽壓能法雖然比膜方法具有更高的轉換率，但由于其發(fā)電裝置過于龐大，而且所需的投資費用高昂，目前整體上還停留在理論研究階段。近年來，隨著“藍色能源”重新受到西方國家的關注，出現了很多開發(fā)鹽差能的新技術，如電解質電容器、納米流體擴散技術、雙電層電容器、法拉第電容器等，但這些技術都處于初步的研發(fā)與進一步的完善階段。

1.2 研究綜述

國外關于鹽差能發(fā)電的設想最早是由美國人于1939年提出的，他們關于鹽差能的研究多集中在技術開發(fā)方面。1954年，英國工程師帕特爾(R.E.Pattle)在“用淡水和鹽水混合的水力發(fā)電設備的電力生產”一文中指出，鹽差能是一種可再生能源，并且潛力巨大，當兩種含鹽濃度不同的液體混合時會釋放出能量。該文還介紹了反電滲析法發(fā)電裝置，并簡單描述了其工作原理[3]。但由于該技術的核心部件是供離子間相互交換的膜，而當時缺少制作半透膜的人工材料，所以帕特爾的想法并未付諸實踐，僅停留在理論設想階段。1973 年，以色列科學家西德尼·洛布(Sidney Loeb)首創(chuàng)出一臺鹽差能實驗室發(fā)電裝置，使得利用鹽差能進行發(fā)電的可能性得到了驗證。隨后，洛布發(fā)表報告，名為“濃鹽水通過滲透壓能法進行發(fā)電：初級技術與經濟間的相關性”，報告中介紹了滲透壓能法的鹽差能發(fā)電技術[4]。這篇報告也是第一份公開發(fā)表的關于滲透壓能發(fā)電的報告，被能源界公認為是鹽差能研究的開始，洛布也使得當年帕特爾的想法付諸實踐。此后，杰拉爾德·維克(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?？谔幙晒├玫柠}差能功率可達到2.6太瓦(TW)，占世界能源需求的近20%[5]?！眾W爾森(Olsson M)等人1979年在“鹽度梯度功率：利用蒸汽壓差”一文中介紹了鹽差能開發(fā)的蒸汽壓法技術。經測試，它是一種比利用膜方法，具有更高轉換效率的鹽差能技術[6]。2010年，凱蒂奈·邁耶爾(Kitty Nijmeijer)等在《可持續(xù)科學與工程》一書第五章“鹽差能”中介紹了鹽差能的發(fā)展現狀，并主要介紹了鹽差能發(fā)電的滲透壓能法與反電滲析法兩種技術[7]。2015年，費爾南達·赫爾佛(Fernanda Helfer)等在“鹽差能：以澳大利亞為例”中重點介紹了鹽差能發(fā)電技術——滲透壓能法，闡述了該方法的核心“半透膜”技術近來的發(fā)展狀況，并指出滲透壓能法未來面臨的挑戰(zhàn)；最后以澳大利亞為例，提出在澳大利亞利用滲透壓能進行鹽差能發(fā)電的可能性[8]。此外，還有一些學者認為，鹽差能發(fā)電的原理雖然很簡單，但實現其規(guī)?；蜕虡I(yè)化會面臨眾多的問題，因此對其進行投資既在經濟上尚無效率、也在技術上尚不可行。

總體上來看，國外關于鹽差能的研究起步較早，但研究的進程并不十分順利，經過了近80年的研究；目前該方面的研究仍處于實驗室階段，離實際的應用階段還有一定的距離，他們的相關研究更多的是著眼于相關技術的開發(fā)與完善。

中國于1979年開始鹽差能方面的研究，1981年發(fā)表第一篇科研論文。王傳崑在“我國海洋能資源的初步分析”中，給出了中國各類海洋能資源蘊藏量粗略的估算結果，包括鹽差能的蘊藏量粗略估算結果[9]。吳文等在“海洋能開發(fā)及其在我國的前景”中介紹了當時西方國家開發(fā)海洋能源的原因與采取的措施，并介紹了我國海洋能源開發(fā)的進程、成就與前景，其中涉及一些關于鹽差能的闡述[10]。在此之后的二十多年里，國內對鹽差能的相關研究較少。直至21世紀，紀娟等在“海水鹽差能發(fā)電技術的研究進展”中介紹了鹽差能發(fā)電發(fā)展的歷史，重點介紹了利用鹽差能發(fā)電的前述三種主要方法，并對這三種方法的裝置組成、發(fā)電機理、關鍵技術和成本做了詳細介紹；最后概括了鹽差能發(fā)電的現狀和應用前景[11]。劉伯羽等在“鹽差能發(fā)電技術的研究進展”中分別介紹了不同方法的發(fā)電原理、優(yōu)勢與劣勢、發(fā)展前景等[2]。2011年，施偉勇等在“中國的海洋能資源及其開發(fā)前景展望”中介紹了中國鹽產能的蘊藏量、分布狀況與開發(fā)條件[12]。楊捷等在“長江口鹽差能發(fā)電站的選址”中對鹽差能發(fā)電技術在長江口的應用選址進行了探討；詳細分析了長江口各個主要汊道的鹽度分布特點及在長江口建立鹽差能發(fā)電站的可能性[13]。葉愛玲等在“基于反電滲析法鹽差發(fā)電實驗研究”中，通過改變鹽濃度差、半透膜的數量、溶液與半透膜的接觸面積等因素，對電流、電壓、鹽濃度值的影響進行分析，提出了提高鹽差能發(fā)電效率的方法，即適當增大鹽濃度差、增加半透膜數量并增大其與溶液的接觸面積[14]。

總體上來看，中國關于鹽差能的相關研究起步晚，與此相關的文獻也十分稀少，已有的相關文獻多以介紹國外的相關概念與研究進展為主，自身很少有突破性進展研究。

2 國內外產業(yè)實踐概況

產業(yè)一詞從不同的角度進行理解，有著不同的含義。從經濟學的角度來看，產業(yè)主要是指由生產同一類產品的不同廠商，在相互競爭與合作的情況下所組成的一個群體類的經濟活動，其最大的特點就在于它的規(guī)模性與職業(yè)化[15]。從這一角度來說，本文所要研究的鹽差能產業(yè)指的是以鹽差能為依托，由生產與鹽差能相關的設備、技術等廠商所組成的一個群體性經濟活動。

2.1 國外產業(yè)實踐概況

20世紀初，西方的一些發(fā)達國家就開始了鹽差能發(fā)電的理論與實驗研究，并制成實驗發(fā)電裝置。盡管如此，鹽差能發(fā)電在國外始終處于實驗階段，沒能進入實際應用領域。直到21世紀，鹽差能發(fā)電才略有突破性地進入實用領域。

(1)挪威國家電力公司(Statkraft)。目前，挪威國家電力公司(Statkraft)在鹽差能發(fā)電領域是處于領先地位的。1997年開始，該公司就與挪威的兩位工程師索森(Southon)和霍爾特(Holt)開展合作，在公司內設立了滲透壓能法鹽差能發(fā)電技術研發(fā)部門，并在研發(fā)中得到了接近預期值的實驗結果，為日后工作的開展提供了理論支撐。2003 年，該公司建成了世界上第一個專門研究鹽差能的實驗室，致力于鹽差能開發(fā)技術的研發(fā)，尤其是對膜技術的研發(fā)。2009年11月，該公司開發(fā)的世界第一臺滲透壓發(fā)電機在托夫特河(Tofte)上投入應用，突破了鹽差能發(fā)電的實驗室設想。目前，雖然該發(fā)電機的發(fā)電效率較低，只能滿足一臺小型咖啡機的用電量，但該電站的投產卻給鹽差能研究帶來新的活力，邁開了其日后大規(guī)模應用的關鍵第一步[16]。2013年，該公司計劃在桑達爾瑟拉市(Sunndals?ra)附近修建一座“滲透壓”試用電站。并且，該公司已向挪威水資源能源局(NVE)申請許可證。獲得許可后，公司將進一步對其進行投資[17]。

(2)荷蘭特文特大學納米研究所。2002年，荷蘭政府出資與克馬公司(KEMA)進行合作，共同啟動了“藍色能源”計劃，該計劃致力于制造低成本的電滲析膜。2014年11月底，在荷蘭特文特大學納米研究所的參與建設下，荷蘭首次在其北部的阿夫魯戴克大壩(Afsluitdijk)正式建成鹽差能試驗電廠，并成功進行發(fā)電。該鹽差能試驗電廠地處含鹽濃度不同的艾瑟人工淡水湖和瓦登海之間，在湖與海之間安裝半滲透膜。當湖中的淡水經過電廠安裝的半滲透膜與另一側的海水相遇時，就會產生一定滲透壓，從而推動湖中的淡水不斷向海水一側流動，流動過程中產生的水流勢能推動水輪發(fā)電機轉動，從而產生電能。但就該試驗發(fā)電廠目前的發(fā)電效果來看，其發(fā)電效率并不高，甚至不能滿足自身的用電需求，更不用說滿足解決能源危機的需求。然而值得肯定的是，荷蘭鹽差能試驗電廠的建成為鹽差能早日進入到實踐應用領域，并在未來切實為緩解能源危機開辟一種新途徑。荷蘭也繼續(xù)加大對該試驗電廠的運營與技術研發(fā)的資金投入，致力于提高半透膜的性能與發(fā)電效率[18]。

2.2 中國產業(yè)實踐概況

中國于1985年7月14日在西安建筑科技大學成功研制了干涸鹽湖濃差發(fā)電實驗室裝置，在此之后的二十多年里，國內對鹽差能發(fā)電技術的研究較少，基本處于停滯不前的狀態(tài)。因此，嚴格來說，目前中國的鹽差能并不具備產業(yè)化的條件。與潮汐能、潮流能、波浪能等其他海洋能源的發(fā)展相比，鹽差能的發(fā)展基本處于一種停滯狀態(tài)。表1為鹽差能在技術發(fā)展現狀及特點、應用現狀、產業(yè)化前景方面與其他海洋能源的對比[19]。

表1 國內鹽差能與其他海洋能產業(yè)化發(fā)展對比

中國鹽差能技術與國外發(fā)達國家相比有著很大差距，其發(fā)展基本處于停止狀態(tài)。究其原因，主要有以下幾個方面：第一，國內對鹽差能發(fā)電機技術的認識不夠全面，對其的重視程度不夠。目前我國雖然大力推進各種新能源的開發(fā)，但卻因缺少對鹽差能的認識，而缺少對其政策的引領與資金的支持。第二，面臨滲透膜技術研制的困境，鹽差能開發(fā)的關鍵在于膜技術，而目前中國較為缺少相關方面的研究。即使是西方的發(fā)達國家至今也未能突破膜技術的研發(fā)瓶頸，缺少低成本、規(guī)模性、商業(yè)化銷售的膜，這必然會阻礙鹽差能在中國的發(fā)展。第三，缺少對鹽差能發(fā)電環(huán)境條件的評估。利用鹽差能進行發(fā)電，必然面臨選址與環(huán)境保護等問題，但由于實際應用中淡水和海水兩種原料選取以及環(huán)境保護等問題上考慮得不夠成熟，缺少實踐經驗的借鑒。因此，鹽差能在中國的發(fā)展還有相當長的一段距離。上述困難使得國內鹽差能技術的研究工作一度處于擱淺狀態(tài)。隨著滲透膜技術的發(fā)展以及工業(yè)發(fā)展對新能源的迫切需求，有必要對鹽差能發(fā)電技術進行重新的認識，并進行深入的研究。

其實，不僅是在國內，從世界范圍來看，鹽差能發(fā)電的研究仍處于實驗室的技術研發(fā)階段，離大規(guī)模的商業(yè)化推廣利用仍有很大的距離。同時，由于一些不確定自然因素的限制，鹽差能發(fā)電更是面臨著重重阻力。但是，面臨對清潔、可再生能源的迫切需求，各國會大力推動鹽差能技術取得突破性進展。鹽差能發(fā)電的探索道路是曲折的，但未來的發(fā)展前景是廣闊的、光明的。相信，目前鹽差能發(fā)電所面臨的一系列經濟、技術和環(huán)境難題都會在不久的將來逐一得到解決。

3 中國鹽差能發(fā)展現狀分析

3.1 鹽差能蘊藏量與空間分布情況

中國的海岸線漫長，并且江河眾多，眾多大江大河流入渤海、黃海、東海和南海，因此江河入海口處鹽差能蘊藏量十分豐富。據估算，全國每年江河流入海中的水量約1.6×1012m3，其中23個主要河流的水量共計達1.4×1012m3，僅長江的水量就達9.1×1011m3，占23個主要河流水量的近62%。沿海的鹽差能蘊藏量高達3.58×1015kJ，理論上的發(fā)電功率達1.14 ×108kW。此外，中國鹽差能資源在地理上分布不均，主要分布在沿海城市的近海河口區(qū)，尤其以長江及長江以南的近海河口蘊藏量最為豐富，該地區(qū)的鹽差能蘊藏量約占全國的 92%。其中，長江的理論儲藏量為2214×1012kJ，理論功率為70220MW，約占全國的61.8%；珠江的理論儲藏量為694.9×1012kJ，理論功率為22030MW，約占全國的19.4%。就省市而言，上海市的蘊藏量最大，理論蘊藏量達2214×1012kJ，其次是廣東、福建、浙江、山東、江蘇。就海區(qū)而言，東海最大，理論蘊藏量達10520.4×1012kJ，理論功率達81051MW，占全國的 71.38%，其次是南海、渤海、黃海。同時，青海省等地還有不少內陸鹽湖存在可以被利用的鹽差能，見表2[20]。

3.2 鹽差能發(fā)展政策環(huán)境

鹽差能作為海洋能源之一，與其他海洋能源相比發(fā)展十分緩慢。21世紀以來，我國十分重視海洋能源的開發(fā)，但卻由于技術等方面的不成熟，缺少對鹽差能發(fā)展的推動。2003年9月，國務院批準了“908專項”立項，該立項目的在于對海洋進行綜合的調查與評價，以盡可能廣泛地獲取并掌握海洋方面的信息。該項目于2004年3月正式啟動，在3萬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日在北京順利通過驗收。該項目基本摸清了中國近海海洋環(huán)境資源的家底，包括對鹽差能相關內容的調查與數據的收集，對日后鹽差能的開發(fā)有著重要的意義。此外，我國十分重視對海洋能研究的資金支持，并于2010年5月設立海洋可再生能源專項資金，大力支持海洋能的研究。專項資金共支持96個項目，投入經費總額近10億元。但對鹽差能進行研究的經費投入所占的比重十分微小。因此，我國在發(fā)展海洋能源的過程中，著力為海洋能源的開發(fā)營造良好的政策環(huán)境。但是縱觀各種出臺的政策，卻唯獨缺少專門針對鹽差能開發(fā)的政策，國家仍缺少對該能源開發(fā)的重視。

3.3 鹽差能開發(fā)的難度

與其他海洋能源開發(fā)的進展相比，中國鹽差能的開發(fā)最為緩慢，基本處于停滯狀態(tài)。鹽差能開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)主要表現在以下幾個方面：

第一，自然因素。雖然鹽差能有著較少受氣候條件限制的優(yōu)勢，但是卻深受季節(jié)變換的影響。因為鹽差能功率的大小取決于沿海江河入海淡水流量的變化。一方面，受自然因素的影響，沿海江河入海淡水流量原本一年四季就不同。因此，鹽差能功率在不同季節(jié)以及不同年份的變化也十分顯著，具有不穩(wěn)定性。另一方面，由于一些人為的因素，一些地區(qū)江河的入海淡水流量呈現出逐年減少的趨勢，甚至出現斷流的情況，這將嚴重影響鹽差能的發(fā)電功率。因此，鹽差能開發(fā)面臨著自然與人為的雙重的嚴峻挑戰(zhàn)。

表2 中國主要入海河流河口鹽差能資源儲量

第二，技術因素。中國鹽差能研究進展緩慢的關鍵原因就在于技術方面的不成熟，這也是世界各國所共同面臨的問題。目前，鹽差能的發(fā)電方法主要是滲透壓能法和反電滲析法，這兩種方法的關鍵部件是滲透膜。但現在所研發(fā)的滲透膜不僅能量轉化效率低，能量密度小，而且發(fā)電成本超高。同時，鹽差能開發(fā)的其他技術更不成熟，更無法滿足鹽差能利用的商業(yè)化發(fā)展。

第三，現實因素。鹽差能發(fā)電的選址主要位于河海交匯處，而中國的這些地區(qū)多為經濟活動十分發(fā)達與活躍的地區(qū)，在這些地區(qū)開發(fā)鹽差能是否會對現有的正常經濟活動造成影響是值得思考的問題之一。此外，統(tǒng)計數據中的中國鹽差能蘊藏量為理論上的，也就是說要把江河入海的全部水量用于鹽差能發(fā)電，因此，如何提高鹽差能發(fā)電的實際功率是值得思考的問題之二。

總之，鹽差能作為一種綠色能源，有著巨大的開發(fā)潛力，但是離其商業(yè)化的實際應用階段還有很長的距離。當前，不僅中國面臨著技術與其他方面的困境，世界上的其他國家亦是如此。

4 中國鹽差能發(fā)展的前景展望

目前世界上僅有幾個國家在初步應用鹽差能，但仍存在發(fā)電效率極低等眾多問題。中國鹽差能的發(fā)展基本處于停止狀態(tài)，近期應該做以下工作：

4.1 國家要給予足夠的重視

當今，全球需要開發(fā)可持續(xù)的、環(huán)境友好型的新型能源，這不僅可以解決全球能源的短缺問題，還可以減少很多國家對化石燃料的依賴，從而較少對環(huán)境的污染。鹽差能廣泛存在于自然界中，它的開發(fā)不會產生廢水、廢氣，也不會占用大片良田，更沒有輻射污染，因而被譽為21世紀的綠色能源。鹽差能的開發(fā)離不開國家的重視與支持，首先，國家應盡快把發(fā)展鹽差能提到議事日程，充分表現出對發(fā)展鹽差能的足夠重視，從而吸引并激勵更多的人才投入到相關技術的研發(fā)中來；其次，國家應加大對鹽差能技術開發(fā)的政策與資金支持，通過鼓勵性政策與金錢性支持，吸引更多相關方面的人才投入到鹽差能的開發(fā)與研究中去。在政策性支持方面，可以對鹽差能研發(fā)的核心技術進行立項支持，多鼓勵相關方面的科研立項，并建立對科研立項支持的長效機制，保證對某一項目支持的連續(xù)性，更好地促進鹽差能核心技術早日取得突破性成果。此外，要加大對鹽差能技術研發(fā)的資金支持，設立相關的專項資金，專門用于相關技術的研發(fā)。通過國家的政策與資金支持，為鹽差能的開發(fā)營造一個良好的外部環(huán)境。

4.2 有針對性地提高相關技術

目前，鹽差能的主要發(fā)電方法是滲透壓能法和反電滲析法，這兩種方法的核心都是滲透膜，但由于目前滲透膜技術的不成熟，采用這兩種方法發(fā)電都面臨著高成本、低效率的局限性。因此，發(fā)展鹽差能的關鍵是發(fā)展膜技術，尤其是有針對性地提高相關技術：首先，要提高膜的能量轉換率。膜的能量轉換率低是目前鹽差能發(fā)電面臨的關鍵性問題之一，解決好這方面的問題，對于滲透壓能法來說，重點在于提高膜技術的透水率和工作性能，以使淡水更快、更有效地滲透到海水一側；對于反電滲析法來說，重點在于提高離子滲透膜的選擇性能，并盡可能降低裝置內其他因素對滲透膜的選擇性能造成的阻礙和對能量造成的損失，以使得陰陽離子更有效地流動；其次，降低膜的制造成本。目前，鹽差能發(fā)展緩慢的另一大主要原因在于膜材料制造成本的昂貴，尤其是反電滲析法需要耗費大量的離子滲透膜。因此，為大力推動鹽差能發(fā)電技術的發(fā)展，研發(fā)出廉價、能夠大量商業(yè)化銷售的膜是十分必要且關鍵的；最后，延長膜的使用壽命。一方面要提高膜的抗污染性能、抗腐蝕性，盡量延緩其因長期浸泡在水里而過早被污染、腐蝕的可能，另一方面要進行預處理和定期的清洗，避免其因長期的生物積垢和泥沙淤積而造成性能上的減弱。此外，對于蒸汽壓能法來說，目前它的最大優(yōu)勢是不需要使用滲透膜，這樣避免了與滲透膜有關的難題。但卻面臨著使用的裝置太過龐大、昂貴的問題。因此，蒸汽壓能法要在裝置的體積以及成本方面做重點研究[2]。

4.3 加強人才隊伍建設

為確保鹽差能真正得以發(fā)展，離不開科研隊伍的建設。要鼓勵組建鹽差能技術研發(fā)隊伍，并為其研發(fā)工作提供相應的政策與資金的支持，不斷擴大鹽差能人才隊伍的規(guī)模，形成穩(wěn)定的科研力量。國家要通過對鹽差能開發(fā)的重視以及對核心技術進行立項的支持，激勵并吸引更多相關方面的人才投入到鹽差能技術的研究中來。此外，要大力推進產—學—研相結合，鼓勵高校培養(yǎng)相關方面的人才，鼓勵高校已有的相關人才繼續(xù)深入相關方面的研究，通過多種形式的產學研合作[21]，保證鹽差能科研隊伍建設的穩(wěn)定性與連續(xù)性，推動相關技術取得突破性進展，從而推動鹽差能在我國應用與發(fā)展。

總之，鹽差能發(fā)電作為一種新興的綠色能源，有著很廣闊的開發(fā)空間與發(fā)展前景，雖然現在國內外的技術還不是很成熟，但有關專家預測并相信，21世紀人類將步入開發(fā)海洋能源的新時代[22]，兩水相逢的鹽度差能被大規(guī)模的利用必將成為現實。相信在不久的將來，鹽差能發(fā)電會得到大力發(fā)展。

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