海洋溫差發電技術的商業化軌跡

沈蘇雯

目前，海洋溫差發電系統（OTEC）的研究開發，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工作。1990年美國對OTEC的評價為“海洋溫差發電從技術上來說是可能的，但以目前的原油價格來看，是不經濟的。至少原油價格不超過49美元/桶的話，OTEC便不經濟”。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。

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級商用設備研發工作。這一動向，使得海洋溫差發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電一般具有“穩定性”是主要原因。而且，作為海洋溫差發電的特點之一，“高稼動率”結合海洋深層水的“復合利用”甚至可以產生兆瓦級的規模經濟。

此外，2011年韓國為了建立海洋溫差發電的國際標準，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，新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）發表了日本首個真正的《可再生能源技術白皮書》，展現了到2030年可再生能源的技術課題、未來發展規劃圖和展望。在這些可再生能源中，海洋溫差發電、太陽能發電、風力發電均有所介紹。并且2011年，NEDO發表了包含海洋溫差發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》。另一方面，2012年在沖繩縣，一項旨在全年連續運轉的100kW規模的海洋溫差發電計劃開始執行，并于2013年6月正式開展了50kW規模的實證實驗，躋身國際先進行列。

海洋溫差發電的原理及潛能

海洋溫差發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電系統。

圖1所示為基本的海洋溫差發電系統的原理。主要組成設備為蒸發器、凝結器、渦輪、發電機和泵。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下會由泵送往蒸發器。在那里由表層25℃～30℃的溫海水加熱，蒸發，成為蒸氣。該蒸氣通過渦輪，使渦輪和發電機工作并進行發電。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電。

圖1 海洋溫差發電原理

海洋溫差能源的潛能在于其蘊含的資源量。經過各種計算，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，并發表了適合設置海洋溫差發電設備的海域。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發表的《把握海洋能源潛能業務報告書》中給出了日本的經濟水域中海洋溫差能源總量在47TWh的數據。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。

海洋溫差發電在發電的同時還可復合性地進行持續性海水淡化、生產氫、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甚至能轉變產業鏈為能源出口型。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，如果能在發電的同時從海水中回收，則可帶來很大的利益。還有，發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境變化造成水產減少的漁場。

圖2 海洋溫差發電的復合利用

海洋溫差發電兩大技術路線

海洋溫差發電方式大致可分為開路循環方式和閉路循環方式兩大類。閉路循環如圖1所示采用氨為工作流體進行循環。而開路循環則不使用氨等工作流體，而是直接蒸發海水。日本主要使用開路循環。美國當初也是采用開路循環。不過，日本佐賀大學的研究學者認為，要推進OTEC的實用化，閉路循環是不可缺的，并對此進行技術研究。開路循環的優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，閉路循環比起開路循環評價更好。目前國際上的主流方式即為閉路循環。

為了提升海洋溫差發電的循環熱效率，在閉路循環方案中提了若干種使用氨/水的循環方式。采用該循環方式的有廢熱發電、二重溫泉水發電等，已有數千千瓦規模實用化，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，相變溫度要發生變化。即非共沸制冷劑沒有共沸點。如定壓蒸發時，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器的傳熱不可逆損失，使制冷循環的效率得以提高。當蒸發溫度與被冷卻對象溫度、凝結溫度與環境介質溫度之間的溫差值越小，制冷循環效率就越高。因此它是最適合閉路循環的。并且近年來，諸如混合式循環等各種新的循環設計紛紛出現，比如2014年NEDO項目開始了世界首個15kW混合式OTEC系統結構性能試驗。

海洋溫差發電的經濟性

可再生能源的經濟性，根據其所在地域不同有很大的差異。同樣，海洋溫差發電的經濟性，也就是發電成本，根據設置的地域溫差、季節變動、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）的海洋溫差發電部推算了海洋溫差發電經濟性。在數百千瓦以下的規模，只靠發電很難形成經濟性，需與其他利用海洋深層水的技術結合利用。1000kW規模，可與太陽能發電一同在孤島、使用柴油發電的地區結合使用，充分發揮穩定性這一優點。另一方面，海洋溫差發電系統是具有很大規模經濟性的發電設備，達到100MW規模以上的發電成本在10日元/kWh左右，十分具有競爭力。此外，如果與太陽能發電、風力發電等深度結合應用，更加提升電力系統的穩定性，這一點對于經濟性評價十分重要。

日本經濟產業省制定了從2015年開始實施海洋能源實用化的目標。NEDO在2010年7月發行的《可再生能源白皮書》中也提出了開發海洋溫差發電的2個目標：一是加速研發海洋溫差發電商業化技術，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，強化國際競爭力；二是基于培養國內產業，實現低碳社會，保障能源等觀點，促進國內新興產業創新。

海洋能源利用的推進，牽涉到能源問題和環境問題，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性發展和環境能源領域上都應作出應有的貢獻。海洋溫差發電具有高穩定性、高稼動率，并且可以與海洋深層水復合利用，還可在經濟性層面上形成規模效益，優點十分明晰。曾經在海洋溫差發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、社會環境的變化以及研究成果逐漸展現而被跨越。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展，而海洋溫差發電是一項需要結合多種海洋技術，需要整個行業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電領域的國際化標準，在標準中以波浪發電和潮汐發電為優先，是一份較為完善的標準。當時海洋溫差發電技術并未收錄在IEC/TC114中，不過2011年韓國提交了《海洋溫差發電系統的設計評價導則》提案，大會予以認可并給予了規則編號TS62600-300。

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

各國研發動向

美國曾經擁有50kW的閉路循環系統“Mini-OTEC”，然而自從200kW的開路循環系統實證實驗之后，由于原油價格持續低迷，美國的海洋溫差發電研究也持續了15年的低迷期。當時美國做出了原油價格低于49美元/桶，則海洋溫差發電就不具備經濟意義的評價。但是從2007年開始隨著美國能源政策的轉變，以節能為目的的海洋溫差發電研究再一次重新開展。

在民間，上世紀70年代發明了世界首座浮體式海洋溫差發電實證設備“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。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規模海洋溫差發電關鍵技術開發（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電設備。

夏威夷的海洋溫差發電研發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方面的合作協議，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規模的海洋溫差發電設備是法國政府委托日本的海洋溫差發電制造商參與制造的。

法國海洋能源開發的核心機構IFREMER在第六屆Grenelle環境論壇上提出了到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規模的海洋溫差發電。

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電6年發展計劃，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。現在已完成20kW規模的試驗裝置，最終目的是發展出100MW規模的商用設備。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、核力發電所用的溫排水或者向南太平洋等外海發展。

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，利用海洋深層水的溫差發電發展方面，從2012年開始實施一項計劃，將來將發展10MW規模的大型化發電站，并逐步推廣商業化。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的影響，并在這個前提下獲取數據。今后將向無人連續運轉的方向進行調整，并基于實驗結果，對1MW及10MW規模設備的經濟性予以很高的評價。

圖5 沖繩縣海洋溫差發電實證計劃現狀

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30千瓦規模的系統可連續穩定地運行2個星期。實驗是在23℃的溫差數據下進行的，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電的發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真正達到商業化，必須依賴浮體式OTEC系統。近年來美國、法國和韓國等國家紛紛發表了獨立研究的10MW以及100MW規模的浮體式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的海洋溫差發電研究成果，從NK獲得了世界首個浮體式的全潛式海洋溫差發電系統的型式認可（AIP），這種方式較其他相比，成本更廉價，性能更高。