非热能产电支持RO海水淡化能耗低
《纽约时报》最近公布了在圣地亚哥北部地区建造海水淡化设施的计划。淡化设施建成后，每天可以提供5000万加仑的水，到2020年可以满足本地需求的7%。建造费用大约是10亿美元。均摊下来，就是说每天增加1加仑水的转换费用为20美元。预计的开销是4.8美元每百立方英尺，这个价格比现在个人用户交的水价要高。但我想要讲的可不是价格的问题，没有了美妙的化石能源，我们将来要面对的很可能会是许多更加昂贵的选项。
从能量的角度来看，最直接的海水淡化方法是蒸馏法：将水蒸发后，收集水蒸汽冷凝得到的淡水。具体做法是将咸水（或任何潮湿的东西）放在底部和四周不透光的容器里，只在上部以浅色塑料或玻璃掩盖，然后置于阳光下。容器内部会变热，导致水分蒸发，并在温度较低的塑料/玻璃掩板上凝结。可以将掩板形状设为朝两侧倾斜，以便于收集冷凝的淡水。
每克（毫升）水在蒸发的时候会吸收2257焦耳的能量。这是一份不小的能量，1克水加热1℃只吸收4.18焦耳所以想煮干一锅沸水是很耗时间的，以这种方式蒸馏出一加仑水需要花的能量是2.4千瓦时，也就是每立方米633千瓦时！在认真动手计算以前，我总梦想着可以将海水引导入一个封顶的狭长沟槽里，然后就可以得到新鲜的蒸馏冷凝水。这样技术含量低，又可以利用太阳能，多棒！乐观地估计，这种方法能够利用到50%的入射到集热沟槽中的光能，假设每平方米能够接到5千瓦时/日的入射能量，那么每日就可以产出1加仑水。这样如果要产出全加州需水量的10%，需要的沟槽面积是3600平方千米（此处已修改），直观一点说，就是沿加州全海岸线的2.5公里宽的带状地域的面积。好吧，这是无法实现的，我杯具了。
不过现实中有更好的办法。比如说，发电厂（包括核电厂）的高温废水可以用作蒸馏的补充热源（热电联产的一种模式）。同时在大多数减压设备里，只要将压强降到大气压强的1/40左右（大约20托），水就能在室温下沸腾蒸发了。这种方案下，得到1000升（1立方米）水只需要34千瓦时的能量，比起直接加热633千瓦时的耗能，减压法可是省多了。
大部分海水淡化厂使用的是一种叫做多级闪蒸的方法，不仅用到多个低压室，而且水蒸汽会回流过新入海水旁边，利用冷凝释放的热量为新入海水加热，以提高能量使用效率。这样的设备比单纯用减压室更加节省热能，最后能达到每立方米18～25千瓦时的能耗，比起直接加热就更是大大的节约了。
此外，还有一招叫反渗透法（reverse osmosis，简称RO）。一般来说，将淡水和咸水用只允许水分子通过的半透膜隔开，水分子会从淡水一侧流向咸水一侧，直到两边张压相等，这就是自然渗透。但如果在盐水一侧施加压力，可以迫使水分子从咸水一侧流向淡水一侧，就是反渗透法。典型的反渗透装置可以达到每立方米5～7千瓦时的热能消耗，不过渗透方法需要用到电能，假设使用热力发电，反渗透法生产出1立方米的淡水的总耗能是17千瓦时。
所以说，最为常用的几种淡化海水方法在热能消耗上其实并没有太大的差别。不过RO法因使用的海水需要经过预处理和过滤，以及使用半透膜等等，可能会显得比较麻烦。然而，如果RO使用的电能是通过非热能的方式产生的（比如风力发电、太阳能发电或水力发电等等），那么RO在热能消耗这一点上就稳赢其它方法。
通过以上的介绍，各位对海水淡化已经有了大概的了解。那么如果加州要用海水淡化的方式来获得一部分的供水，从能量消耗的角度上来看意味着什么呢？以下我会用每立方米20千瓦时来估计海水淡化的能耗。
圣地亚哥市计划要用一座日产淡水5000万加仑的淡化厂来提供其日需水量的7%，这等于要消耗平均1.6亿瓦特的功率。该地区总的用电功率是23亿瓦特，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来供水的话，需要消耗的平均热功率也是23亿瓦特，这意味着圣地亚哥地区的总能耗会大幅增加。具体到价钱上，预计每百立方英尺水4.80元的价格中，有大约一半是能耗成本，假设水费一直不变，要15年才能返还海水淡化厂的建造成本。
水和能量之联系的重要性不仅止于学术研究的意义，水对于我们的实际生活是必不可少的，而能量则是我们社会发展的基石。这两者之间有着千丝万缕的联系，如果两者之一出现了不足，可能会导致两者都产生短缺的情况。在这个人口压力越来越大、气候变化影响越来越大的世界，水和能量的紧密关系似乎成为了一个麻烦的问题。
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