《紐約時(shí)報》最近公布了在圣地亞哥北部地區建造海水淡化設施的計劃。淡化設施建成后，每天可以提供5000萬(wàn)加侖的水，到2020年可以滿(mǎn)足本地需求的7%。建造費用大約是10億美元。均攤下來(lái)，就是說(shuō)每天增加1加侖水的轉換費用為20美元。預計的開(kāi)銷(xiāo)是4.8美元每百立方英尺，這個(gè)價(jià)格比現在個(gè)人用戶(hù)交的水價(jià)要高。但我想要講的可不是價(jià)格的問(wèn)題，沒(méi)有了美妙的化石能源，我們將來(lái)要面對的很可能會(huì )是許多更加昂貴的選項。
從能量的角度來(lái)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(yáng)光下。容器內部會(huì )變熱，導致水分蒸發(fā)，并在溫度較低的塑料/玻璃掩板上凝結?？梢詫⒀诎逍螤钤O為朝兩側傾斜，以便于收集冷凝的淡水。
每克（毫升）水在蒸發(fā)的時(shí)候會(huì )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(shí)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(shí)，也就是每立方米633千瓦時(shí)！在認真動(dòng)手計算以前，我總夢(mèng)想著(zhù)可以將海水引導入一個(gè)封頂的狹長(cháng)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(yáng)能，多棒！樂(lè )觀(guān)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，假設每平方米能夠接到5千瓦時(shí)/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(guān)一點(diǎn)說(shuō)，就是沿加州全海岸線(xiàn)的2.5公里寬的帶狀地域的面積。好吧，這是無(wú)法實(shí)現的，我杯具了。
不過(guò)現實(shí)中有更好的辦法。比如說(shuō)，發(fā)電廠(chǎng)（包括核電廠(chǎng)）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(shí)在大多數減壓設備里，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(shí)的能量，比起直接加熱633千瓦時(shí)的耗能，減壓法可是省多了。
大部分海水淡化廠(chǎng)使用的是一種叫做多級閃蒸的方法，不僅用到多個(gè)低壓室，而且水蒸汽會(huì )回流過(guò)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。這樣的設備比單純用減壓室更加節省熱能，最后能達到每立方米18～25千瓦時(shí)的能耗，比起直接加熱就更是大大的節約了。
此外，還有一招叫反滲透法（reverse osmosis，簡(jiǎn)稱(chēng)RO）。一般來(lái)說(shuō)，將淡水和咸水用只允許水分子通過(guò)的半透膜隔開(kāi)，水分子會(huì )從淡水一側流向咸水一側，直到兩邊張壓相等，這就是自然滲透。但如果在鹽水一側施加壓力，可以迫使水分子從咸水一側流向淡水一側，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(shí)的熱能消耗，不過(guò)滲透方法需要用到電能，假設使用熱力發(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(shí)。
所以說(shuō)，最為常用的幾種淡化海水方法在熱能消耗上其實(shí)并沒(méi)有太大的差別。不過(guò)RO法因使用的海水需要經(jīng)過(guò)預處理和過(guò)濾，以及使用半透膜等等，可能會(huì )顯得比較麻煩。然而，如果RO使用的電能是通過(guò)非熱能的方式產(chǎn)生的（比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電或水力發(fā)電等等），那么RO在熱能消耗這一點(diǎn)上就穩贏(yíng)其它方法。
通過(guò)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(lái)獲得一部分的供水，從能量消耗的角度上來(lái)看意味著(zhù)什么呢？以下我會(huì )用每立方米20千瓦時(shí)來(lái)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(wàn)加侖的淡化廠(chǎng)來(lái)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(lái)供水的話(huà)，需要消耗的平均熱功率也是23億瓦特，這意味著(zhù)圣地亞哥地區的總能耗會(huì )大幅增加。具體到價(jià)錢(qián)上，預計每百立方英尺水4.80元的價(jià)格中，有大約一半是能耗成本，假設水費一直不變，要15年才能返還海水淡化廠(chǎng)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(shí)際生活是必不可少的，而能量則是我們社會(huì )發(fā)展的基石。這兩者之間有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，如果兩者之一出現了不足，可能會(huì )導致兩者都產(chǎn)生短缺的情況。在這個(gè)人口壓力越來(lái)越大、氣候變化影響越來(lái)越大的世界，水和能量的緊密關(guān)系似乎成為了一個(gè)麻煩的問(wèn)題。
京公網(wǎng)安備 11010802021286號