非熱能產(chǎn)電支持RO海水淡化能耗低
《紐約時報》最近公布了在圣地亞哥北部地區(qū)建造海水淡化設(shè)施的計劃。淡化設(shè)施建成后，每天可以提供5000萬加侖的水，到2020年可以滿足本地需求的7%。建造費用大約是10億美元。均攤下來，就是說每天增加1加侖水的轉(zhuǎn)換費用為20美元。預(yù)計的開銷是4.8美元每百立方英尺，這個價格比現(xiàn)在個人用戶交的水價要高。但我想要講的可不是價格的問題，沒有了美妙的化石能源，我們將來要面對的很可能會是許多更加昂貴的選項。
從能量的角度來看，最直接的海水淡化方法是蒸餾法：將水蒸發(fā)后，收集水蒸汽冷凝得到的淡水。具體做法是將咸水（或任何潮濕的東西）放在底部和四周不透光的容器里，只在上部以淺色塑料或玻璃掩蓋，然后置于陽光下。容器內(nèi)部會變熱，導(dǎo)致水分蒸發(fā)，并在溫度較低的塑料/玻璃掩板上凝結(jié)。可以將掩板形狀設(shè)為朝兩側(cè)傾斜，以便于收集冷凝的淡水。
每克（毫升）水在蒸發(fā)的時候會吸收2257焦耳的能量。這是一份不小的能量，1克水加熱1℃只吸收4.18焦耳所以想煮干一鍋沸水是很耗時間的，以這種方式蒸餾出一加侖水需要花的能量是2.4千瓦時，也就是每立方米633千瓦時！在認真動手計算以前，我總夢想著可以將海水引導(dǎo)入一個封頂?shù)莫M長溝槽里，然后就可以得到新鮮的蒸餾冷凝水。這樣技術(shù)含量低，又可以利用太陽能，多棒！樂觀地估計，這種方法能夠利用到50%的入射到集熱溝槽中的光能，假設(shè)每平方米能夠接到5千瓦時/日的入射能量，那么每日就可以產(chǎn)出1加侖水。這樣如果要產(chǎn)出全加州需水量的10%，需要的溝槽面積是3600平方千米（此處已修改），直觀一點說，就是沿加州全海岸線的2.5公里寬的帶狀地域的面積。好吧，這是無法實現(xiàn)的，我杯具了。
不過現(xiàn)實中有更好的辦法。比如說，發(fā)電廠（包括核電廠）的高溫廢水可以用作蒸餾的補充熱源（熱電聯(lián)產(chǎn)的一種模式）。同時在大多數(shù)減壓設(shè)備里，只要將壓強降到大氣壓強的1/40左右（大約20托），水就能在室溫下沸騰蒸發(fā)了。這種方案下，得到1000升（1立方米）水只需要34千瓦時的能量，比起直接加熱633千瓦時的耗能，減壓法可是省多了。
大部分海水淡化廠使用的是一種叫做多級閃蒸的方法，不僅用到多個低壓室，而且水蒸汽會回流過新入海水旁邊，利用冷凝釋放的熱量為新入海水加熱，以提高能量使用效率。這樣的設(shè)備比單純用減壓室更加節(jié)省熱能，最后能達到每立方米18～25千瓦時的能耗，比起直接加熱就更是大大的節(jié)約了。
此外，還有一招叫反滲透法（reverse osmosis，簡稱RO）。一般來說，將淡水和咸水用只允許水分子通過的半透膜隔開，水分子會從淡水一側(cè)流向咸水一側(cè)，直到兩邊張壓相等，這就是自然滲透。但如果在鹽水一側(cè)施加壓力，可以迫使水分子從咸水一側(cè)流向淡水一側(cè)，就是反滲透法。典型的反滲透裝置可以達到每立方米5～7千瓦時的熱能消耗，不過滲透方法需要用到電能，假設(shè)使用熱力發(fā)電，反滲透法生產(chǎn)出1立方米的淡水的總耗能是17千瓦時。
所以說，最為常用的幾種淡化海水方法在熱能消耗上其實并沒有太大的差別。不過RO法因使用的海水需要經(jīng)過預(yù)處理和過濾，以及使用半透膜等等，可能會顯得比較麻煩。然而，如果RO使用的電能是通過非熱能的方式產(chǎn)生的（比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電或水力發(fā)電等等），那么RO在熱能消耗這一點上就穩(wěn)贏其它方法。
通過以上的介紹，各位對海水淡化已經(jīng)有了大概的了解。那么如果加州要用海水淡化的方式來獲得一部分的供水，從能量消耗的角度上來看意味著什么呢？以下我會用每立方米20千瓦時來估計海水淡化的能耗。
圣地亞哥市計劃要用一座日產(chǎn)淡水5000萬加侖的淡化廠來提供其日需水量的7%，這等于要消耗平均1.6億瓦特的功率。該地區(qū)總的用電功率是23億瓦特，所以淡化海水的功率可不算小了。而如果想完全用海水淡化來供水的話，需要消耗的平均熱功率也是23億瓦特，這意味著圣地亞哥地區(qū)的總能耗會大幅增加。具體到價錢上，預(yù)計每百立方英尺水4.80元的價格中，有大約一半是能耗成本，假設(shè)水費一直不變，要15年才能返還海水淡化廠的建造成本。
水和能量之聯(lián)系的重要性不僅止于學(xué)術(shù)研究的意義，水對于我們的實際生活是必不可少的，而能量則是我們社會發(fā)展的基石。這兩者之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，如果兩者之一出現(xiàn)了不足，可能會導(dǎo)致兩者都產(chǎn)生短缺的情況。在這個人口壓力越來越大、氣候變化影響越來越大的世界，水和能量的緊密關(guān)系似乎成為了一個麻煩的問題。
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