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作為水科技領域的集大成者，位于荷蘭的歐洲卓越可持續水處理技術中心(Wetsus)提供了非常好的創新案例和模式。
面朝大海，發電產氫
談到荷蘭，大家也許都知道它是世界地勢最低的國家，相當一部分國土面積都在海平面之下。過去的荷蘭飽受海水入侵的折磨，必須想盡辦法與海斗爭，著名的風車就是借風力排水治澇的杰作。約在100年前，在經歷了1916年的一場大水災后，荷蘭人有了一個大膽的想法——他們要建一個超長的堤壩，人為地劃出一個淡水湖與海隔離帶，著名的Afsluitdijk攔海大壩就這樣應運而生。
如今，這個攔海大壩上還修建了雙向四車道的高速公路，成為了世界上最長的防洪堤壩。據說，像中國長城那樣，這座攔海大堤也是可從月球上看到的人類建筑壯舉。
2014年，在這個壩上建起了一個藍色建筑，北邊的咸水和南邊的淡水分別流入這個房子后再排出到北邊的瓦登海。在這個過程中，藍房子里邊就能產生電能。
我們人類一直有向海求電的探索，例如潮汐發電、波浪發電等，而藍房子用到的是一種叫鹽濃差能(Salinity Gradient)的發電技術。利用海水和河水之間的鹽濃度差異就能發電，聽起來是不是覺得有點不可思議？如果你還沒聽過它的話，現在你得留意一下了，它可能是可再生能源的終極形態，因為它不僅產電還能產氫。鑒于市場最近對電和氫的關注，小編蹭一個熱度，在本期推送里帶大家了解這種藍色能源。
海水淡水混合發電
學界認為海水淡水混合發電的概念首先是在70年前提出的——1954年，英國人Richard Pattle博士在《自然》發文：假設有兩瓶不同濃度的鹽溶液，用一片半透性薄膜將其隔開，水可以通過此膜，但鹽離子通不過，這樣水自然會從低濃度一側向高鹽一側流動，水流通過薄膜產生的壓力，可用來推動渦輪機發電。但直到20世紀70年代中期，半透膜才開始商業化應用，以色列的Sidney Loeb教授首次將這個理念變成現實。
但Loeb教授發明的裝置有個特點，就是流經薄膜的速度不是越快越好，因為流速過快會擠壓鹽水，阻礙大量淡水從膜另一側的流入。這就是所謂的壓力阻尼滲透(Pressure Retarded Osmosis - PRO)。
挪威國家電力公司Statkraft被公認為是第一個實現PRO工程應用的團隊。2009年，他們在挪威的Tofte落成第一個示范項目，但發電規模很小，只有10kW。起初該公司還想說在2015年實現PRO技術的商業應用，但他們發現示范項目入不敷出——生產的電能無法抵消施工和運維的成本，最終被迫關門停業。
反向電滲析技術
除了PRO，反向電滲析技術(Reverse Electrodialysis – RED)是一個有應用案例的鹽差能技術。它基本原理和電滲析脫鹽剛好相反，它由陽極、陰極以及在中間交替排列的陰、陽離子交換膜疊堆而成。這些陰、陽離子交換膜由隔板隔開，形成獨立的濃水室和淡水室。鹽度差推動離子的內部遷移，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少很多。荷蘭的Afsluitdijk攔海大壩兩側就是取之不盡的海水和淡水，自然是理想的RED系統建造地點。上文提到的那座藍房子，就是RED技術的一個示范項目，規模為50kW。它由一家名為REDStack的公司在2013年啟動建造，并在2014年開始運行。
產業化前的黎明
乍眼看去，RED技術是頗具吸引力的可再生能源技術，畢竟原料基本只需水，比太陽能和風能來得穩定。但為什么2014年至今沒有新工程呢？其中一個原因是膜成本沒法降下來，阻礙了進一步的發展。但這不等于研究停滯不前，相關研發團隊其實一直在默默耕耘，并且獲得了一些令人興奮的發展。而在這背后，一直有來自荷蘭萊瓦頓的水研究中心Wetsus的持續貢獻。
藍色能源(Blue Energy)是Wetsus水研究中心的重要板塊。為了幫助RED技術朝產業化邁進，wetsus和多個大學開展一系列的研究。Diego Pintossi就是埃因霍溫大學和wetsus聯合培養的博士生，他主要的研究內容是對膜模型的優化。
“河水和海水的雜質是一個大問題，水中的細菌、泥、鹽和有機物逐漸在膜上和膜內積累，降低了電池的輸出功率。” Pintossi博士指的是膜技術常常會遇到的結垢問題(fouling)。
利用電化學阻抗顯微鏡(electrochemical impedance spectroscopy)，Pintossi博士能夠提前預測結垢發生的時間，這些信息有助于運行人員決定何時清潔及清潔程度。
另外他還發現硫酸鹽對膜的影響：“像硫酸鹽這種帶負電的大顆粒，會嚴重降低膜的導電效果。” Pintossi還開發了兩個數學模型來描述膜結垢對發電的影響：“這些模型對于預測大型裝置的發電量特別有用，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的Pintossi當然滿足于找到問題原因，解決問題才是他的目標，所以他用兩性離子(zwitterions)這種技術開發了兩種特別的涂層，提高膜表面的親水性，以延遲結垢發生。
但Pintossi博士也坦稱，水、膜和污垢之間的關系非常復雜，隨著人工智能技術的普及，研究團隊也許能利用Afsluitdijk過去幾年積累的數據構建機器學習模型，更好地解釋結垢的過程。
除了Pintossi，藍色能源組還有4名左右的博士生圍繞REDstack系統進行各種研究和優化。這些研究都將為RED技術的進一步規模化奠定堅實基礎。
還能產氫？
除了對核心技術進行優化，研究團隊也積極嘗試豐富RED的應用潛力。
2016年，Wetsus和REDStack和其他八個單位組成的聯合團隊成功申請歐盟地平線H2020的資助(1000萬歐元)，啟動了名為REvivED的項目。顧名思義，就是將電滲析脫鹽技術(ED)和反向電滲析技術(RED)相結合，前者可以生產超純水，后者可以發電，后者的電能可以用來電解純水制氫。這項技術非常適合用于海水淡化工廠，為反滲透產生的濃鹽水找到資源回收的方案。
2017年，他們又成功申請了歐盟地平線的資助(398萬歐元 )，啟動了名為BAoBaB的項目。BAoBaB是Blue Acid/Base Battery(藍色酸堿電池)的簡稱，其原理是通過過量的可用電力從鹽溶液從分離出酸和堿，以此作為存儲電能，在需要用電時，酸堿重新結合成相應的鹽溶液，然后在這個增熵過程中獲得電能。據稱這種技術的能量密度比抽水蓄能高10倍，是一種可靠而環保的電力存儲方式。
2021年11月，他們和西班牙的Sacyr水務合作，啟動名為Life Hyreward的項目。這個項目得到歐盟環境與氣候行動計劃(LIFE)的220萬歐元的資助，為期三年半，目標是進一步完善RED技術在反滲透工藝中的應用，回收20%的反滲透能耗，降低濃鹽水的排放濃度。
關于WETSUS
Wetsus研究所創立于2003年，是歐洲著名的集成高等院校、環保企業和各國政府優勢資源的科研機構，主要從事可持續水環境技術研發，致力于解決全球水環境問題，目前有20項的在研課題。
合作與創新是Wetsus發展的基石，Wetsus一方面著眼于能為未來社會創造價值的創意和想法，另一方面也十分重視創新研究的實踐與落地。可以說Wetsus的相關成功經驗，對國內高校和科研院所的產學研建設有其獨特的借鑒價值。
原標題：八年了，曾被譽為藍色能源的技術現狀如何？
