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作為水科技領(lǐng)域的集大成者，位于荷蘭的歐洲卓越可持續(xù)水處理技術(shù)中心(Wetsus)提供了非常好的創(chuàng)新案例和模式。
面朝大海，發(fā)電產(chǎn)氫
談到荷蘭，大家也許都知道它是世界地勢(shì)最低的國(guó)家，相當(dāng)一部分國(guó)土面積都在海平面之下。過(guò)去的荷蘭飽受海水入侵的折磨，必須想盡辦法與海斗爭(zhēng)，著名的風(fēng)車就是借風(fēng)力排水治澇的杰作。約在100年前，在經(jīng)歷了1916年的一場(chǎng)大水災(zāi)后，荷蘭人有了一個(gè)大膽的想法——他們要建一個(gè)超長(zhǎng)的堤壩，人為地劃出一個(gè)淡水湖與海隔離帶，著名的Afsluitdijk攔海大壩就這樣應(yīng)運(yùn)而生。
如今，這個(gè)攔海大壩上還修建了雙向四車道的高速公路，成為了世界上最長(zhǎng)的防洪堤壩。據(jù)說(shuō)，像中國(guó)長(zhǎng)城那樣，這座攔海大堤也是可從月球上看到的人類建筑壯舉。
2014年，在這個(gè)壩上建起了一個(gè)藍(lán)色建筑，北邊的咸水和南邊的淡水分別流入這個(gè)房子后再排出到北邊的瓦登海。在這個(gè)過(guò)程中，藍(lán)房子里邊就能產(chǎn)生電能。
我們?nèi)祟愐恢庇邢蚝Ｇ箅姷奶剿?，例如潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電等，而藍(lán)房子用到的是一種叫鹽濃差能(Salinity Gradient)的發(fā)電技術(shù)。利用海水和河水之間的鹽濃度差異就能發(fā)電，聽(tīng)起來(lái)是不是覺(jué)得有點(diǎn)不可思議？如果你還沒(méi)聽(tīng)過(guò)它的話，現(xiàn)在你得留意一下了，它可能是可再生能源的終極形態(tài)，因?yàn)樗粌H產(chǎn)電還能產(chǎn)氫。鑒于市場(chǎng)最近對(duì)電和氫的關(guān)注，小編蹭一個(gè)熱度，在本期推送里帶大家了解這種藍(lán)色能源。
海水淡水混合發(fā)電
學(xué)界認(rèn)為海水淡水混合發(fā)電的概念首先是在70年前提出的——1954年，英國(guó)人Richard Pattle博士在《自然》發(fā)文：假設(shè)有兩瓶不同濃度的鹽溶液，用一片半透性薄膜將其隔開(kāi)，水可以通過(guò)此膜，但鹽離子通不過(guò)，這樣水自然會(huì)從低濃度一側(cè)向高鹽一側(cè)流動(dòng)，水流通過(guò)薄膜產(chǎn)生的壓力，可用來(lái)推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。但直到20世紀(jì)70年代中期，半透膜才開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用，以色列的Sidney Loeb教授首次將這個(gè)理念變成現(xiàn)實(shí)。
但Loeb教授發(fā)明的裝置有個(gè)特點(diǎn)，就是流經(jīng)薄膜的速度不是越快越好，因?yàn)榱魉龠^(guò)快會(huì)擠壓鹽水，阻礙大量淡水從膜另一側(cè)的流入。這就是所謂的壓力阻尼滲透(Pressure Retarded Osmosis - PRO)。
挪威國(guó)家電力公司Statkraft被公認(rèn)為是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)PRO工程應(yīng)用的團(tuán)隊(duì)。2009年，他們?cè)谂餐腡ofte落成第一個(gè)示范項(xiàng)目，但發(fā)電規(guī)模很小，只有10kW。起初該公司還想說(shuō)在2015年實(shí)現(xiàn)PRO技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用，但他們發(fā)現(xiàn)示范項(xiàng)目入不敷出——生產(chǎn)的電能無(wú)法抵消施工和運(yùn)維的成本，最終被迫關(guān)門(mén)停業(yè)。
反向電滲析技術(shù)
除了PRO，反向電滲析技術(shù)(Reverse Electrodialysis – RED)是一個(gè)有應(yīng)用案例的鹽差能技術(shù)。它基本原理和電滲析脫鹽剛好相反，它由陽(yáng)極、陰極以及在中間交替排列的陰、陽(yáng)離子交換膜疊堆而成。這些陰、陽(yáng)離子交換膜由隔板隔開(kāi)，形成獨(dú)立的濃水室和淡水室。鹽度差推動(dòng)離子的內(nèi)部遷移，形成電流。
大家都知道海水含有大量的鹽分，而淡水湖的鹽分相對(duì)少很多。荷蘭的Afsluitdijk攔海大壩兩側(cè)就是取之不盡的海水和淡水，自然是理想的RED系統(tǒng)建造地點(diǎn)。上文提到的那座藍(lán)房子，就是RED技術(shù)的一個(gè)示范項(xiàng)目，規(guī)模為50kW。它由一家名為REDStack的公司在2013年啟動(dòng)建造，并在2014年開(kāi)始運(yùn)行。
產(chǎn)業(yè)化前的黎明
乍眼看去，RED技術(shù)是頗具吸引力的可再生能源技術(shù)，畢竟原料基本只需水，比太陽(yáng)能和風(fēng)能來(lái)得穩(wěn)定。但為什么2014年至今沒(méi)有新工程呢？其中一個(gè)原因是膜成本沒(méi)法降下來(lái)，阻礙了進(jìn)一步的發(fā)展。但這不等于研究停滯不前，相關(guān)研發(fā)團(tuán)隊(duì)其實(shí)一直在默默耕耘，并且獲得了一些令人興奮的發(fā)展。而在這背后，一直有來(lái)自荷蘭萊瓦頓的水研究中心Wetsus的持續(xù)貢獻(xiàn)。
藍(lán)色能源(Blue Energy)是Wetsus水研究中心的重要板塊。為了幫助RED技術(shù)朝產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，wetsus和多個(gè)大學(xué)開(kāi)展一系列的研究。Diego Pintossi就是埃因霍溫大學(xué)和wetsus聯(lián)合培養(yǎng)的博士生，他主要的研究?jī)?nèi)容是對(duì)膜模型的優(yōu)化。
“河水和海水的雜質(zhì)是一個(gè)大問(wèn)題，水中的細(xì)菌、泥、鹽和有機(jī)物逐漸在膜上和膜內(nèi)積累，降低了電池的輸出功率。” Pintossi博士指的是膜技術(shù)常常會(huì)遇到的結(jié)垢問(wèn)題(fouling)。
利用電化學(xué)阻抗顯微鏡(electrochemical impedance spectroscopy)，Pintossi博士能夠提前預(yù)測(cè)結(jié)垢發(fā)生的時(shí)間，這些信息有助于運(yùn)行人員決定何時(shí)清潔及清潔程度。
另外他還發(fā)現(xiàn)硫酸鹽對(duì)膜的影響：“像硫酸鹽這種帶負(fù)電的大顆粒，會(huì)嚴(yán)重降低膜的導(dǎo)電效果。” Pintossi還開(kāi)發(fā)了兩個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述膜結(jié)垢對(duì)發(fā)電的影響：“這些模型對(duì)于預(yù)測(cè)大型裝置的發(fā)電量特別有用，可以幫助降低這些裝置的成本。”
本科和研究生在意大利修讀材料工程和納米技術(shù)的Pintossi當(dāng)然滿足于找到問(wèn)題原因，解決問(wèn)題才是他的目標(biāo)，所以他用兩性離子(zwitterions)這種技術(shù)開(kāi)發(fā)了兩種特別的涂層，提高膜表面的親水性，以延遲結(jié)垢發(fā)生。
但Pintossi博士也坦稱，水、膜和污垢之間的關(guān)系非常復(fù)雜，隨著人工智能技術(shù)的普及，研究團(tuán)隊(duì)也許能利用Afsluitdijk過(guò)去幾年積累的數(shù)據(jù)構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，更好地解釋結(jié)垢的過(guò)程。
除了Pintossi，藍(lán)色能源組還有4名左右的博士生圍繞REDstack系統(tǒng)進(jìn)行各種研究和優(yōu)化。這些研究都將為RED技術(shù)的進(jìn)一步規(guī)模化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
還能產(chǎn)氫？
除了對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)也積極嘗試豐富RED的應(yīng)用潛力。
2016年，Wetsus和REDStack和其他八個(gè)單位組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功申請(qǐng)歐盟地平線H2020的資助(1000萬(wàn)歐元)，啟動(dòng)了名為REvivED的項(xiàng)目。顧名思義，就是將電滲析脫鹽技術(shù)(ED)和反向電滲析技術(shù)(RED)相結(jié)合，前者可以生產(chǎn)超純水，后者可以發(fā)電，后者的電能可以用來(lái)電解純水制氫。這項(xiàng)技術(shù)非常適合用于海水淡化工廠，為反滲透產(chǎn)生的濃鹽水找到資源回收的方案。
2017年，他們又成功申請(qǐng)了歐盟地平線的資助(398萬(wàn)歐元 )，啟動(dòng)了名為BAoBaB的項(xiàng)目。BAoBaB是Blue Acid/Base Battery(藍(lán)色酸堿電池)的簡(jiǎn)稱，其原理是通過(guò)過(guò)量的可用電力從鹽溶液從分離出酸和堿，以此作為存儲(chǔ)電能，在需要用電時(shí)，酸堿重新結(jié)合成相應(yīng)的鹽溶液，然后在這個(gè)增熵過(guò)程中獲得電能。據(jù)稱這種技術(shù)的能量密度比抽水蓄能高10倍，是一種可靠而環(huán)保的電力存儲(chǔ)方式。
2021年11月，他們和西班牙的Sacyr水務(wù)合作，啟動(dòng)名為L(zhǎng)ife Hyreward的項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目得到歐盟環(huán)境與氣候行動(dòng)計(jì)劃(LIFE)的220萬(wàn)歐元的資助，為期三年半，目標(biāo)是進(jìn)一步完善RED技術(shù)在反滲透工藝中的應(yīng)用，回收20%的反滲透能耗，降低濃鹽水的排放濃度。
關(guān)于WETSUS
Wetsus研究所創(chuàng)立于2003年，是歐洲著名的集成高等院校、環(huán)保企業(yè)和各國(guó)政府優(yōu)勢(shì)資源的科研機(jī)構(gòu)，主要從事可持續(xù)水環(huán)境技術(shù)研發(fā)，致力于解決全球水環(huán)境問(wèn)題，目前有20項(xiàng)的在研課題。
合作與創(chuàng)新是Wetsus發(fā)展的基石，Wetsus一方面著眼于能為未來(lái)社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值的創(chuàng)意和想法，另一方面也十分重視創(chuàng)新研究的實(shí)踐與落地?？梢哉f(shuō)Wetsus的相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)高校和科研院所的產(chǎn)學(xué)研建設(shè)有其獨(dú)特的借鑒價(jià)值。
原標(biāo)題：八年了，曾被譽(yù)為藍(lán)色能源的技術(shù)現(xiàn)狀如何？
