没有落差的水如何发电

北欧主要的电力公司之一Statkraft决定在挪威建立”世界上第一座渗透压发电站”，预计2008年底竣工。对于可再生能源，人们对于太阳能、风能、潮汐能、地热、水电等耳熟能详，这个”渗透压发电”又是个什么东西？没有落差的水，如何发出电来呢？

让我们先来看看”渗透压”是什么东西吧：

假设有两杯水，一杯淡水，一杯盐水，底部用一根管字连通起来。淡水一边没有盐，对于盐水里的的盐离子来说，淡水那边是无人居住的旷野，所以纷纷跑到那边去抢滩。而对于水分子，虽然两边都很多，但是盐水那边的密密集程度还是要小一些（被盐占据的空间水分子是视而不见的），所以还是倾向于从淡水一侧向盐水一侧游弋。于是，不需要任何外部压力，水分子和盐离子就产生了大规模迁徙，一直到两杯水实现”种族融合”，”两杯共荣”为止。

有一种东西叫做”半透膜”，类似于门卫或者关卡，能够选择性地拦截住一些物质而让另一些通过–”半透膜”这个名字有点误导，望文生义是”透过一半留下另一半”。其实不然，它是让一些种类通过而另一些种类留下。就像一道写着”男士莫入”的门，女士们可以自由进出而男士们就被截下了。

有一种半透膜作用是拦住所有的盐离子，而允许水分子自由来去。如果我们把这样的一层膜装在盐水和淡水之间，那么盐离子就将无法跑到淡水那边，但是水分子依然可以从淡水那边溜到盐水里。宏观上看，就仿佛有一个压力推动淡水往盐水那边跑一样。这样的一个压力，就被称为”渗透压”。由于盐水这边只进不出，淡水那边只出不进，盐水一边的水位逐渐升高而淡水那边逐渐降低，结果产生了水位差来抵抗渗透压的作用。到最后这个水位差足够大，完全抵消了渗透压的时候，通过半透膜来来往往的水分子一样多，宏观上看这个世界就清静了。这时候的水压差也就可以用来计算盐水的渗透压。如果在盐水的一侧外加一个高于其渗透压的压力，不难想象，盐水一侧的水分子就纷纷逃难到纯水一侧，而盐离子逃不掉，只好心不甘情不愿地留下。宏观上看，盐水就变成了淡水。这被称为” 反渗透”，已经大量应用于海水淡化和废水处理了。这是题外话，按下不表。

有个叫范德霍夫（Van’t Hoff）的荷兰人推导出了一个公式来计算任何溶液的渗透压。他的公式计算结果与实验测量高度一致。海水通常含有百分之三点几的盐，这个浓度的渗透压大致相当于二百几十米的水位差。换句话说，如果在淡水和海水之间放置半透膜，那么其间的水压相当于二百几十米的大坝！

地球上有无数的海滨，多数江河里的淡水最终也流向大海。如果我们在二者交汇的地方装上半透膜，那么海水的渗透压蕴含的能量就可能用来发电。这样的能源清洁无污染，可再生，也不用修大坝而被许多”环保人士”痛骂。

这就是”渗透压发电”的原理。这样的原理早在1973年就被提出来了，但是其后的二十多年中一直没有大的进展。主要原因就是成本实在太高，而且实际建造中也面临一些工程技术上的困难。1997年，Statkraft开始进军这一领域。经过十余年的研究，伴随着膜技术的发展，他们认为实际建造渗透压发电站的时机已经来临，于是在2007年宣布将建造一座容量为2~4千瓦的渗透压模型电站，预计在2008年底完成，算是开始了”渗透压发电”的商业化进程。

Statkraft开发的渗透压发电站采取的是被称为”压力延迟渗透（Pressure Retarded Osmosis，PRO）”的方式。简单来说，就是经过预处理的淡水进入半透膜区域，半透膜另一侧是海水。绝大部分的淡水在渗透压的作用下渗过半透膜，小部分相当于废液被排掉。透过半透膜后水压大增，目前能够获得的压力可以达到理论值的一半，相当于一百多米的水位差。这些水一部分去冲动涡轮发电，另一部分作为循环水把海水”压”进半透膜区域。正常运行条件下，半透膜装置能够使用7~10年。PRO还有另一种设计是把膜装置和发电装置修到海面下一百多米处，这样可以利用海水的自然压力来压入海水，从而大大提高整个体系的运行效率。当然，这种方式需要的修建成本大大增加了。