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海洋温差发电技术的商业化轨迹

新闻来源:沈苏雯    浏览量:2621 admin 2015-11-20
        目前, 海洋温差发电系统(OTEC)的研究开发,自第一次石油危机时的首次高峰期后又迎来了第二次高峰期。
        第一次石油危机后,OTEC被视为与其他自然能源一样,受到欧美和日本等国家的关注。但随着石油价格的滑落,几乎所有国家都停止了研发工作。1990 年美国对OTEC的评价为“海洋温差发电从技术上来说是可能的,但以目前的原油价格来看,是不经济的。至少原油价格不超过49 美元/ 桶的话,OTEC便不经济”。从那之后,OTEC的推广被预言将要到20 年甚至50 年后才能实现。
        2008年原油价格超过140美元/桶,随着油价高企带来的能源和环境问题愈加显著化,成为了全球瞩目的课题。近年来以美国和法国为首开展了10MW级商用设备研发工作。这一动向,使得海洋温差发电再次受到学界的青睐,因其在可再生能源领域中如同地热发电一般具有“稳定性”是主要原因。而且,作为海洋温差发电的特点之一,“高稼动率”结合海洋深层水的“复合利用”甚至可以产生兆瓦级的规模经济。
        此外,2011 年韩国为了建立海洋温差发电的国际标准,在国际电工委员会(IEC)的IEC/TC114上,提出了“海洋温差发电”的标准提案。随后该提案被认可,从2012年开始了标准化进程。
        在日本,2010 年7 月,新能源产业技术综合开发机构(NEDO)发表了日本首个真正的《可再生能源技术白皮书》,展现了到2030 年可再生能源的技术课题、未来发展规划图和展望。在这些可再生能源中,海洋温差发电、太阳能发电、风力发电均有所介绍。并且2011年,NEDO 发表了包含海洋温差发电在内的海洋可再生能源5年内的研究计划《海洋能源技术研究开发》。另一方面,2012 年在冲绳县,一项旨在全年连续运转的100kW规模的海洋温差发电计划开始执行, 并于2013年6 月正式开展了50kW 规模的实证实验,跻身国际先进行列。
海洋温差发电的原理及潜能
        海洋温差发电是将海洋表层的温海水和深层(约600 米~ 1000米)的冷海水之间约10℃~ 25℃的温度差作为能源转化成电能的发电系统。
图1  海洋温差发电原理
        图1 所示为基本的海洋温差发电系统的原理。主要组成设备为蒸发器、凝结器、涡轮、发电机和泵。这些设备由管路连接,充入氨作为工作流体。工作流体在液体状态下会由泵送往蒸发器。在那里由表层25℃~ 30℃的温海水加热,蒸发,成为蒸气。该蒸气通过涡轮,使涡轮和发电机工作并进行发电。从涡轮中出来的蒸气通过凝结器,由从深层汲取上来的4℃~ 10℃的冷海水进行冷却,重新成为液体。如此往复而行,可在不使用化石燃料和铀的情况下进行海水发电。
        海洋温差能源的潜能在于其蕴含的资源量。经过各种计算,国际能源署(IEA)认为海洋温差能源的理论含量在10000TWh,同时IEA调查了世界各地海水的温度分布,并发表了适合设置海洋温差发电设备的海域。仅表层与深层1000 米处水温差在22℃以上的海域就有6000 万km²。
        2010年在NEDO发表的《把握海洋能源潜能业务报告书》中给出了日本的经济水域中海洋温差能源总量在47TWh的数据。不过需要注意的是,潜能较高的海域仅限日本南部海域,距离日本电力需求地较远。
        海洋温差发电在发电的同时还可复合性地进行持续性海水淡化、生产氢、回收锂等等许多工作,如图2 所示。海洋温差能作为来自占据地球三分之二面积的海水的能源,它的量是大的,但与化石燃料相比,能源密度很小,因此对该能源的复合利用便十分重要。诸如将淡化后的海水与发出来的电一起制造氢,不仅可储藏电力,对于依赖能源进口的地区甚至能转变产业链为能源出口型。而锂作为信息化社会不可或缺的锂电池原料,对于有些国内很少、几乎100% 靠进口的国家来说,如果能在发电的同时从海水中回收,则可带来很大的利益。还有,发电时所使用的海洋深层水可以用来改善由于滥捕滥杀和环境变化造成水产减少的渔场。

图2  海洋温差发电的复合利用
海洋温差发电两大技术路线
        海洋温差发电方式大致可分为开路循环方式和闭路循环方式两大类。闭路循环如图1 所示采用氨为工作流体进行循环。而开路循环则不使用氨等工作流体,而是直接蒸发海水。日本主要使用开路循环。美国当初也是采用开路循环。不过,日本佐贺大学的研究学者认为,要推进OTEC的实用化,闭路循环是不可缺的,并对此进行技术研究。开路循环的优点在于无需使用氨并且较易获得淡水,然而涡轮的出入口压力差较小,气体凝结困难问题等课题尚待解决。从至今为止的成果来看,闭路循环比起开路循环评价更好。目前国际上的主流方式即为闭路循环。
        为了提升海洋温差发电的循环热效率,在闭路循环方案中提了若干种使用氨/ 水的循环方式。采用该循环方式的有废热发电、二重温泉水发电等,已有数千千瓦规模实用化,并长期运转了12年以上。另一方面,氨/ 水的组合为非共沸混合物制冷剂,其特点在于,在定压下,相变温度要发生变化。即非共沸制冷剂没有共沸点。如定压蒸发时,温度在不断变化,由低到高地滑移;定压凝结时则是正好相反。这一特性于实际运用中,凝结过程冷却水是不断变化的,蒸发过程被冷却对象温度是不断降低的变温特点相适应,缩小了变相过程中的传热温差、减小了过程的不可逆损失,进而减小了凝结器和蒸发器的传热不可逆损失,使制冷循环的效率得以提高。当蒸发温度与被冷却对象温度、凝结温度与环境介质温度之间的温差值越小,制冷循环效率就越高。因此它是最适合闭路循环的。并且近年来,诸如混合式循环等各种新的循环设计纷纷出现,比如2014 年NEDO 项目开始了世界首个15kW混合式OTEC 系统结构性能试验。
海洋温差发电的经济性
        可再生能源的经济性,根据其所在地域不同有很大的差异。同样,海洋温差发电的经济性,也就是发电成本,根据设置的地域温差、季节变动、设置形式、海底地形和输电方式的不同有着很大的变化,因此无法一概而论。在此基础上,日本海洋能源资源利用推进机构(OEA-J)的海洋温差发电部推算了海洋温差发电经济性。在数百千瓦以下的规模,只靠发电很难形成经济性,需与其他利用海洋深层水的技术结合利用。1000kW规模,可与太阳能发电一同在孤岛、使用柴油发电的地区结合使用,充分发挥稳定性这一优点。另一方面,海洋温差发电系统是具有很大规模经济性的发电设备,达到100MW规模以上的发电成本在10日元/kWh 左右, 十分具有竞争力。此外,如果与太阳能发电、风力发电等深度结合应用,更加提升电力系统的稳定性,这一点对于经济性评价十分重要。
        日本经济产业省制定了从2015年开始实施海洋能源实用化的目标。NEDO 在2010 年7 月发行的《可再生能源白皮书》中也提出了开发海洋温差发电的2 个目标:一是加速研发海洋温差发电商业化技术,并拓展海外市场,维持世界最尖端技术的地位,培育国内企业,强化国际竞争力;二是基于培养国内产业,实现低碳社会,保障能源等观点,促进国内新兴产业创新。
        海洋能源利用的推进,牵涉到能源问题和环境问题,在全球都有十分重要的影响。因此地球上任何大国在可持续性发展和环境能源领域上都应作出应有的贡献。海洋温差发电具有高稳定性、高稼动率,并且可以与海洋深层水复合利用,还可在经济性层面上形成规模效益,优点十分明晰。曾经在海洋温差发电实用化推进过程中碰到的无法逾越的障碍,都随着各种新技术的诞生、社会环境的变化以及研究成果逐渐展现而被跨越。多个国家已踏上真正实用化的进程。在这种情况下,同样拥有丰富海洋资源的我国,在这方面也应有所发展,而海洋温差发电是一项需要结合多种海洋技术,需要整个行业领域共同的合作和努力。
海洋温差技术国际化标准
        IEC的TC114从2007年开始以欧美各国为中心开展确立海洋发电领域的国际化标准,在标准中以波浪发电和潮汐发电为优先,是一份较为完善的标准。当时海洋温差发电技术并未收录在IEC/TC114中,不过2011 年韩国提交了《海洋温差发电系统的设计评价导则》提案,大会予以认可并给予了规则编号TS62600-300。
        该规则包括以下内容:1.范围;2. 规范性引用文件;3. 术语、定义、符号和缩写术语;4. 一般要求和条件;5. 极限状态设计原则;6. 基本变量;7. 分析;8. 水管道系统的设计要求;9. 热泵系统的设计;10. 平台设计;11. 其他注意事项;12. 参考。这份规则的详情在2014 年开始研讨。
各国研发动向
        美国曾经拥有50kW的闭路循环系统“Mini-OTEC”,然而自从200kW 的开路循环系统实证实验之后,由于原油价格持续低迷,美国的海洋温差发电研究也持续了15 年的低迷期。当时美国做出了原油价格低于49 美元/ 桶,则海洋温差发电就不具备经济意义的评价。但是从2007 年开始随着美国能源政策的转变,以节能为目的的海洋温差发电研究再一次重新开展。
        在民间,上世纪70年代发明了世界首座浮体式海洋温差发电实证设备“Mini-OTEC”的洛克希德·马丁公司获得了政府的支持,重新展开了研发。2008 年美国能源部给予120 万美元的补助,2009年又从国防部获得了812 万美元,2010 年再一次从能源部获得了赞助金,在夏威夷和关岛开展10MW 规模海洋温差发电关键技术开发(取水管及热交换器等),如图3。
 
图3  洛克希德·马丁公司的夏威夷10MW OTEC构想
        洛克希德·马丁公司对于取水管的选取,放弃了常规的高密度聚乙烯(HDPE)材料而是选择了纤维增强复合材料(FRP),构建了新的取水管技术。热交换器方面,日本采用的是其在国际上十分具有竞争力、抗海水性能很优秀的钛合金薄板为主要材料,美国使用的则是铝合金材料。此外,2013年10月,洛克希德·马丁公司宣布与华彬集团达成合作,在中国建造全球最大的海洋温差发电设备。
        夏威夷的海洋温差发电研发计划是基于可再生能源导入计划,目标是在2015 年建成35MW,到2030 年建成365MW 以上规模。在这种情况下,夏威夷州立自然能源研究所(NELHA)以美国的OTEC International 公司为平台,在2011 年9 月进行了1MW 项目的国际公开筹股。2014 年NELHA宣布1MW 项目成功完成。值得一提的是,OTEC International 公司为了25MW 和100MW 浮体式OTEC 的商用化,已获得了必要的ABS 认可。
        虽然在波浪、洋流领域,英国是欧洲海洋可再生能源技术的领头羊,然而法国在海洋温差发电研究方面受政府主导,在欧洲处于领先地位。其中,前身为法国国有船舶制造集团(DCN)的DCNS公司宣布将在2016 年建造完成10MW 规模的实验机计划。
        2009 年4 月DCN 与在印度洋的法属留尼汪岛政府达成了研发方面的合作协议,以此为契机,从2010年开始在塔希提岛上进行可行性调查。在塔希提岛上建造的5MW 规模的海洋温差发电设备是法国政府委托日本的海洋温差发电制造商参与制造的。
法国海洋能源开发的核心机构IFREMER 在第六届Grenelle 环境论坛上提出了到2020 年将能源消费中可再生能源比例提升到20% 以上的目标,为此计算了4 种可行性提案,其中最佳提案便是导入200MW 规模的海洋温差发电。
图4  法国DCNS留尼汪岛10MW OTEC构想
        韩国在2010 年由韩国海洋科学技术院(KIOST)牵头成立并开始了作为国家项目的海洋温差发电6 年发展计划,该项目总投资额约为26 亿日元,并与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)合作。现在已完成20kW 规模的试验装置, 最终目的是发展出100MW规模的商用设备。在韩国,一年中温暖的表层海水十分难得,该OTEC 计划将采用火力、核力发电所用的温排水或者向南太平洋等外海发展。
        在日本冲绳县,能源供应讲究提升自给率,增加供给源。作为其中一环,利用海洋深层水的温差发电发展方面,从2012年开始实施一项计划,将来将发展10MW 规模的大型化发电站,并逐步推广商业化。该计划由IHI-PC、横河电机和Xenesys的合资公司共同推进。2013 年3 月全球首次发电成功,6 月正式开始运行。此外,对于冲绳县海洋深层水研究所汲取的海水(表层水及深层水)剩余部分加以利用,减小对研究所及民间企业的影响,并在这个前提下获取数据。今后将向无人连续运转的方向进行调整,并基于实验结果,对1MW及10MW 规模设备的经济性予以很高的评价。
图5  冲绳县海洋温差发电实证计划现状
        佐贺大学海洋能源研究中心正在进行一项研究,旨在提高海洋温差发电的性能,使用氨/ 水的混合制冷剂替代历来作为工作流体的纯氨。至今为止的研究成果表明,使用氨/ 水混合制冷剂的30千瓦规模的系统可连续稳定地运行2个星期。实验是在23℃的温差数据下进行的,实际功率达到理论最大功率的25%。此外,为了推进海洋温差发电的发展还在进行若干项复合利用的探讨,比如海水淡化、回收锂等,均在进行实证试验,其中回收锂实验,已进行了约半年的连续运转并成功。
        而要使得OTEC真正达到商业化,必须依赖浮体式OTEC系统。近年来美国、法国和韩国等国家纷纷发表了独立研究的10MW 以及100MW规模的浮体式OTEC概念设计。在这种情况下,2013年9 月JMU 采用与佐贺大学共同研发的海洋温差发电研究成果,从NK获得了世界首个浮体式的全潜式海洋温差发电系统的型式认可(AIP),这种方式较其他相比,成本更廉价,性能更高。
 
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