早在维多利亚女王时代，法国科幻小说家儒勒·凡尔纳就设想过大洋中蕴藏着取之不尽的能源。然而，直到21世纪的今天，工程师们才有底气说蕴藏在海洋里的热量可为世人提供电力。以下介绍的是“海底两万里格”是如何变成现实世界的“海底两万兆瓦”。
大洋蕴藏的热量能够为全世界提供电能
如果说，有哪种能源配得上“蒸汽朋克”称谓的话，那就非海水温差发电（OTEC）莫属了。这是维多利亚时代的科幻小说吗？没错。早在1870年，儒勒·凡尔纳（Jules Verne）在其科幻小说《海底两万里》中就曾设想过这种可能。这是19世纪前后的机械技术？也没错。或这就是可再生能源的最佳候选者？选这个答案也未尝不可。
人们显然曾经对这一技术期望过高。从理论上讲，海水温差发电在任何年份内都能提供相当于全世界能源需求的4 000倍能量，既无污染也无温室气体排放。但在现实中，这项技术因其难以现实而被束之高阁。
2014年，世界各地出现了许多与之有关的项目，数量之多令人瞠目，且领头者并非堂吉诃德式的空想家，而是像航空业巨头洛克希德-马丁公司那样精明的实业公司。究竟是什么发生了如此的变化？
OTEC这个想法，有可能是凡尔纳为解决尼莫船长的动力问题而构思出来的。这位凡尔纳笔下的深海探险者需要电力来驱动“鹦鹉螺”号潜水艇，这也是第一次以书面形式提到了OTEC。尼莫说：“将两根电线插入不同深度以构成一个电路，就有可能通过接触到的温差获得电能。”《海底两万里》出版11年后，法国物理学家雅克－阿尔塞纳·达松瓦尔（Jacques-Arsène d'Arsonval）提出了以此为原理的第一个电厂的实际设计――他采用的是管道而非电线来开发冰冷深海和温暖洋面之间的温差，以产生蒸汽能。
这确实是个金点子。海洋是一个巨大而又不断得到补充的太阳能储存媒介，这些热量大部分储存在海洋表层100米的水层中，而1 000米以下的区域――来自极地的海水――恒常保持在4℃～5℃。
为了从温差中获取能量，现代化的系统将温暖的表层海水泵过装有氨之类低沸点液体的管道，氨沸腾之后，蒸汽用来驱动涡轮产生电能。之后，利用深海冷水使蒸汽冷凝恢复液态状，准备下一轮循环（参见“海水温差发电示意图”）。世界上几乎所有的火力和核电厂都由蒸汽涡轮机驱动，它们产生蒸汽要么靠燃烧污染大气的煤炭，要么会产生难以处理的核废料。相比之下，OTEC提供蒸汽的方式是清洁的，且在理论上是用之不竭的。
取自不尽的“电能之洋”
那是在理想世界发生的事情。现实中，海洋热梯度给予的东西都会被设备吸收。主要问题在于如何获取深海冷水：泵送电站运转所需的巨量海水要求至少1 000米长的管道，而且管道尺寸和强度还要足以承受生产每1 000瓦电力所需的每秒数立方米海水的流量。把过程中所有的低效因素考虑在内后，OTEC电站的理论效能是令人沮丧的4%至6%。
基于上述原因及其他因素，表层海水与深层海水之间的温差至少达到20℃才能使整个过程运转起来。这样的条件仅存于地球赤道两旁包括热带和亚热带在内的一条相对狭窄的带状区域内（参见“海水温差电站分布图”），俗称“赤道腰带”。
尽管受到这些因素的限制，整个20世纪里人们依然在不断地努力，力求让OTEC成为现实。其中最雄心勃勃的一次，是被1970年代的石油危机激发的，时任美国总统吉米·卡特签署了一项法律，要在1999年之前用此项技术生产1万兆瓦的电力。之后石油危机解除后，石油能源的替代方案再次被冷落。因此，当洛克希德-马丁公司2013年宣布在中国南部沿海建造一座10兆瓦海水温差电站时，并没有提起人们的兴趣。因为这样的情形之前也出现过。
然而，经过一番详查后便会发现，该项目也许正标志着OTEC发生了重大变化。在其他可再生能源、石油工业，甚至还有气候变化等因素的陪伴下，这项19世纪的技术成为21世纪可再生能源结构一份子的时刻，也许最终到来了。
许多计算结果都在发生变化。OTEC的效率或许不高，但由于它利用的是充足而免费的海水，只要规模足够大，在经济上还是可行的。石油价格的多变和气候变化正日益紧迫地推动着替代能源的开发。风能和太阳能等可再生能源其间歇性的弱点――只在有阳光或刮风时才产生电力――仍在阻止它们成为主流。意在将OTEC技术商业化的美国海洋热能公司的特德·强森（Ted Johnson）指出，OTEC电站能昼夜不停地工作。昼夜发电意味着OTEC可直接纳入城市电网，省却了太阳能、风能发电所需的整合和调整。
在美国夏威夷大学自然能源研究所从事OTEC研究的路易斯·维加（Luis Vega）说，多亏了这些进步，现在建造一座100兆瓦的电站约需7.9亿美元。维加推算，若把建造和运行OTEC电站的费用都计算在内，OTEC电站所发电力的价格大约为每千瓦时18美分。这与美国能源部估算的火力和太阳能发电的价格相去不远，前者是每千瓦时14美分，其中涵盖了碳捕捉和存储的费用，后者是14至26美分。
改良和升级OTEC电站
在这种不同于以往的大环境中，OTEC项目在全世界开始呈雨后春笋之势。2013年，一座50千瓦的试验性OTEC电站在日本冲绳县久米岛上开始运行。同时，在夏威夷，马凯海洋能源公司正在其位于夏威夷大岛的海洋能源研究中心建造一座100千瓦的电站。2014年，荷兰代尔夫特理工大学衍生公司Bluerise，计划在加勒比海库拉索岛国际机场附近建造一座500千瓦的OTEC电站。“这些小岛有可能成为第一批市场，因为它们都苦于对昂贵的进口燃料的依赖。”Bluerise首席执行官雷米·布洛克（Remi Blokker）说。它们不会是最后一批，技术的进步有望让OTEC成为主流能源。
多个研究团队正在探究将OTEC与太阳能结合的可能性。意大利米兰理工大学的保拉·庞巴达（Paola Bombarda）为一种新型OTEC电站建立了产出模型。这种电站在温暖海水被用于蒸发氨之前，先利用太阳能提升其温度。庞巴达发现，即使是廉价的太阳能集热器――利用透镜和管子收集热量的简单设备――也能将电站的日间发电量增至原来的3倍。
类似的技术使那些位置略显偏北的国家的电站全年都能够依靠OTEC运转。在夏季，韩国周围海域表层与深层水温差异超过了20℃的最小临界值，但到了冬天就不是这样了。因此，为了实现全年运转，固城郡韩国海洋研究院（KORDI）的工程师开始改造一座20千瓦的验证电站，以便在表层海水遇到氨之前，来自太阳能、风能和废物焚化电站的热量能够先对它加热。
一个更妙的点子是将OTEC与另一种不间断能源结合起来。KORDI的金贤珠及其同事们正在寻求地热能来提高海水的温度，以便在组合型“GeOTEC”电站中蒸发氨水。这样的调整能使适合建造OTEC电站的“赤道腰带”区域扩大一倍。
由于这些快速的进步，OTEC的光明前途已经令环保人士忧心于其扩张的前景。美国国家海洋和大气管理局等机构已经提出了关切，当营养丰富且无菌的海水从没有阳光的深海被引向温暖而有阳光的海水中的那些饥饿的藻类时，是否会造成藻类的爆发。不过，维加指出，计算机模型显示，只要冷海水被送回60米以下的深度，藻类爆发的风险微乎其微。
为了消除这一微弱的风险，英国伦敦的能源岛公司为一种OTEC电站的设计申请了专利。在这种电站里，氨是在深层而非表层凝结成液体。该公司创始人多米尼克·米凯利斯（Dominic Michaelis）说，这意味着营养丰富的海水根本无需被泵送到表层。
另一个被提及的问题，表达了人们对可再生能源也曾经引发过的关注：OTEC对环境是否会产生区域性和全球性的影响，比如改变全球气温？
货真价实的“蒸汽朋克”
令人欣慰的是，研究表明，OTEC能在不影响海洋的情况下提高OTEC产能。美国夏威夷大学海洋与资源工程系的研究人员对快速扩张的商业规模OTEC发电的影响建立了模型，其中包括全球温盐环流――在海洋中输送深层海水的缓慢洋流网络。他们发现，OTEC电站能安全地汲取7兆兆瓦的电量（将近全球能源消耗量的一半），且不会对海洋温度造成明显的影响。然而，论文作者也坦承，目前很难就OTEC对环境的影响拿出强有力的结论。
对于气候变化可能对现有清洁能源技术带来不可预见的影响，当下显然是往能源家族里添加新一代能源的大好时机。2013年7月，美国能源部发布了一份关于能源行业对气候变化易感性的报告。其中认为，高温会降低用于水利发电和聚光太阳能热发电的淡水量，后者需要用水来为高热的设备降温。
位于科罗拉多州戈尔登市的美国国家可再生能源实验室的罗伯特·思雷舍（Robert Thresher）指出，相比较而言，OTEC的可爱之处在于它不易受气候变化的影响。“大部分OTEC资源都分布在赤道附近，用不着担心那里的海洋表面温度会有戏剧性的改变。”
说句公道话，气候变化也可能扩大OTEC的适用区域，提高OTEC在全球的产出。思雷舍说：“当海洋因气候变化而变暖时，在离赤道更远的地方可能会发现更温暖的表层海水。”尽管这一想法其他人也提出过，但他补充说，我只是“凭直觉”，需要严格的建模加以确认。
一个更加难以确定的观点是，深层海水可能在气候变化过程中吸收大量热量，缩小了至关重要的表层和深层海水的温差。然而，根据2013年英国雷丁市欧洲中期天气预报中心的玛格达莱纳·巴尔马赛达（Magdalena Balmaseda）团队发表的一项研究认为，热量的去向根本难有定论。巴尔马赛达说：“热量的吸收在空间、深度和时间上并不均匀。”
无论OTEC所依赖的温暖赤道腰带扩大与否，该项技术也许不会长时间只局限于赤道周边国家。2013年2月在美国休斯敦市召开的近海研讨会上，从事石油勘探和钻井技术开发的SBM近海技术公司披露，他们正在设计一艘用于向远洋油井提供电力的10兆瓦OTEC发电船。因为建造地点离海岸越远，OTEC电站的费用就越高，而建造成本相对低廉的发电船则没有这种局限。OTEC发电船可以漫游四海，搜寻温差最合适的地点，通过释放海底电缆将电力送回海岸。
OTEC技术的支持者相信，“游牧”在天海之间寻找电能的发电船才是OTEC技术的未来。为了绕开通过海底电缆向海岸输电的问题，发出的电能可以在原地将海水电解为氢和氧，其中的氢被储存在燃料电池中，运送到世界各地供人们使用。维加指出，一艘100兆瓦的OTEC发电船每小时能生产1.3吨液态氢，尽管目前的成本是一桶油的3倍，毕竟，氢能经济还刚刚起步。
不管怎么说，尽管过了这么多年之后，我们才发现儒勒·凡尔纳还是很有远见的，只不过他想得太小而已。海洋不仅仅能够驱动一艘船，借助成群结队的船，海洋的能量将可以供养全世界。这才是货真价实的“蒸汽朋克”。
资料来源 New Scientist
责任编辑 则 鸣