海洋溫差發電的過去、現在與未來

【摘要】台灣東側面臨黑潮暖流，海底地形陡峭，所以上下水層溫差大，再加上人口稠密，使台灣成為發展溫差發電最具潛力的地方。

海洋浩瀚無邊，蘊藏了無盡的資源，能源是其中一項。海洋的能有各種形式，有動能與位能，如波浪、潮汐與海流；有化學能，如鹽差，指海水與河口淡水的鹽度差；有生質能，如生長在加州外海的巨型海帶，採收後發酵可得沼氣；有熱能，如溫差，即本文主題。

海洋能源的利用，在法國侖斯河口已有商業運轉的潮汐電廠。潮汐發電必須要有足夠的潮差與適合的地形，才有開發的價值，合乎要求的地點很少。有些具開發潛力的地點，尚在作可行性評估，主要關鍵在工程的難易度與經濟效益。

波浪發電的構想很多，但具有經濟價值的波浪發電廠目前還沒有，僅有專供導航浮標燈與燈塔用電的例子。海流發電由於海流能源密度低，吸能裝置要大，尚無具體研究行動。鹽差發電乃利用淡水與海水之間的滲透壓來發電，只有理論沒有技術。

生質能需種植巨型海帶，其適宜水溫較低，需占用大面積海域，可能與其他目的衝突，並需架設海帶附著支架及抽取深層海水中高營養鹽等設備，尚無具體研究行動。

海洋溫差發電乃利用表層與深層海水溫差來發電，英文簡稱為OTEC（Ocean thermal energy conversion）。溫差能源與波浪海流能源比較，有下列優點：一﹒能源密度大；二﹒較穩定，適合大規模發電；三﹒有副產品，如海水淡化、海水養殖等。海洋就好像一個巨大的太陽能吸熱板，並不占用陸地空間，表層與深層的溫差無日夜之分，冬夏的變化也不大，是其他海洋再生能源所不能望其項背的。

根據作者1979∼1980年間，在綠島所測表面水溫資料顯示：一年之中每個月的平均溫差（與1,000公尺深處水溫相比）在19℃∼24℃之間，僅一、二及十二月低於20℃。由於台灣東方海域有黑潮流過，所以水溫較高，而東部1000公尺等深線距岸不遠（1000公尺深海水溫度約為4℃），所以在台灣東部的溫差發電很有潛力。

基本原理

一般火力發電廠是用煤或重油燃燒，將鍋爐內的水加熱成水蒸汽，蒸汽推動渦輪機帶動發電機發電。通過渦輪機的水蒸汽由冷水冷卻，凝結為水，再送回鍋爐循環使用。海洋溫差發電的原理，與火力發電相同。目前主要的動力系統有二。其一是「開放式循環」（open cycle）：把表層25℃海水中溶解的氣體，如CO₂、N₂、O₂等除去（因這些氣體不易液化），再放在真空的蒸發槽內，則海水沸騰產生水蒸汽，將水蒸汽引到凝結槽，由約5℃的冷海水使水蒸汽凝結為水，壓力降低。在蒸發槽與凝結槽之間存在一具有壓力差的蒸汽流，如果在其間加上渦輪機即可發電（見圖一）。

其二為「封閉式循環」（closed cycle）；將氨封閉在一管路（見圖二），熱海水經熱交換器，使液態氨在蒸發槽蒸發為氨蒸汽（氨的沸點比水低很多）。在凝結槽，由冷海水透過熱交換器，使氨蒸汽凝結為液態氨。同樣的蒸發槽與凝結槽之間，存在一具有壓力差的氨蒸汽流，如裝一具渦輪機則可發電。目前封閉式循環的技術比較成熟，此種海洋溫差發電的基本原理與火力發電或核能發電相似，所不同的是，以氨取代火力與核能發電的工作流體──水。

根據熱力學原理的卡諾循環，工作流體在一高溫度與一低溫度之間，作高溫度等溫－高溫度絕熱－低溫度等溫－低溫度絕熱四行程的循環時，其效率與工作流體無關，而由高溫度T₁與低溫度T₂來決定。其理論效率為η=(T₁-T₂)/T₁，其中T₁與T₂均為絕對溫度，也就是攝氏溫度加上273。理論上海洋溫差的卡諾效率約為7%，但實際上有各種能量損失，實際效率僅約3%，雖然與火力及核能比較稍嫌過小，但海洋溫差不使用燃料，這或可扳回一些頹勢。

歷史回顧

海洋溫差發電的發展已有相當久遠的歷史，早在1881年法國人達森瓦（J. D'Arsonval），就注意到熱帶地方的海洋其表層水溫與深層水溫相差很大，並曾提議利用此一溫差使熱機運作。但是該項提議要如何實現卻不得而知，或許他本人也從未嘗試利用海水溫差去使熱機運轉。

1926年十一月十五日法國科學家克勞德（G.Cladude），於法國科學學士院使用一座小型的實驗裝置，並由法國電氣學會的協助下做了世界上第一個海洋溫差發電的公開實驗，實驗的情形經著名的《巴黎日報》予以披露並詳加報導。其他獲得消息的外國報章雜誌也都刊載了這則消息，特別是英國的工業新聞《工程師》（The Engineer），在1926年十一月二十日有過詳細的報導。根據該項報導實驗進行的情形如下：

「實驗是先在一個25公升的燒瓶中注入28℃的溫水，而在另一燒瓶中放進冰塊，此二燒瓶是相通的，而一具小渦輪機裝在連通的管路上。隨後用真空泵將其中的空氣抽出，如此一來，溫水即告沸騰而生水蒸汽，水蒸汽從噴嘴噴出後衝向渦輪機葉片，渦輪機隨即轉動，並帶動與其連接的發電機，作每分鐘5000次的運轉，而使3個小燈泡點亮8∼10分鐘。當溫水的溫度降到20℃時，蒸發乃告停止。」

這個實驗是第一個成功地從很小的溫差中獲取電能的實驗，雖然實驗裝置頗為簡陋，但已引起許多人對海洋溫差發電的注意。克勞德在上述實驗後會晤記者，表示：「如果每秒抽取1000立方公尺的表層溫海水，大約能夠得到10萬瓩的發電量（當然也要同時抽取約等流量的深層冷海水）。而這溫差發電廠的建造費並不比最便宜的水力電廠高。」對於克勞德充滿希望的言論，英國及美國的報章雜誌，卻給予非常嚴厲的批評。但克勞德並不以為意，仍然為了要取得實用化所需的資料，以籌畫進行大規模的基礎實驗，並且付諸行動。

克勞德為要確定有關溫差發電系統，根據熱力學理論所作的計算，與實際情形是否相符，乃利用比利時烏沽里煉鋼廠的高溫廢水及表層海水，以及出力60kw的渦輪機進行實驗。

克勞德在烏沽里的實驗，證明熱力學的理論計算與實際的驗證相符，剩下的只是用實際的表層海水與深層海水去做實驗而已。他開始選擇新的地方進行實驗，經考慮各種條件後選擇了古巴。1927年底，克勞德用他自己的牙買加號遊艇，在古巴島四周來回尋求適當的實驗地點，最後選定了哈瓦那附近的馬丹札斯（Matanzas）海岸作為新的實驗場，在那裡，克勞德鋪設了一條外徑2公尺的冷海水取水管路到離岸2公里處，成功的從水深650公尺處取得了冷海水。實驗的條件是：每小時使用720噸冷卻水、表層海水溫度27℃、深層海水溫度13℃。這次實驗成功的產生22瓩的電力，但是消耗的電力比生產的要多。

後來克勞德更在1933年，利用一艘貨船改裝成海洋溫差發電船，船上有一組800瓩的渦輪發電機以及1200瓩的製冰機。這艘發電船採用的冷水管直徑2.5公尺、長650公尺。發電船原定在距離巴西海岸120公里的海上進行實驗，由於鋪設冷水管的浮台搖擺過大，在初期目的尚未達成前，發電船即已沈沒而終告失敗。

據說克勞德遭此打擊後，身體一度陷於虛脫狀態，但後來仍然再度奮起，而於1940年擬妥了一項前所未有的大計畫，也就是所謂的「亞必強」（Abidjan）計畫，這項計畫原打算挖掘一條長達4公里的海底隧道作為冷水管路，然在計畫開始後不久克勞德即停止了這項隧道工程，而改以1933年沈掉的冷水管取代，並將原先採用一部出力40MW渦輪發電機組的設計，改為二部3.5MW的機組。

克勞德的這項計晝，獲得了當時法國政府的認可，而於1948年成立了半官方半民營的組織──「能源製造公司」，並為實現「亞必強」計畫進行各種基礎的研究及調查。此等研究所涉範圍甚廣，且一直持續到1955年。在這期間的研究包括蒸發器、凝結器、脫氣器、取水管以及設計等方面。

亞必強計畫研究成果相當豐碩，但是海洋溫差電廠並未建造。因為1950年代世界各國都不難獲得充分且廉價的石油，法國也不例外。與當時的廉價石油發電比較，海洋溫差發電顯得並不經濟。由於社會情勢以及法國本身政策上的考慮，這項計畫宣告中斷，使得海洋溫差發電的發展暫告停頓。

1964年美國人安德森（J.H. Anderson）向美國專利局提出了，「自天然水取得動力的方法及其裝置」發明專利的申請。該項發明相當優異，為今日研究海洋溫差發電的導火線。安德森仔細檢討了克勞德的試驗，並舉出其缺點如下：

「克勞德所設計的海洋溫差電廠是有運作的可能，但無經濟效益，主要原因乃是使用一般大氣壓力以下的水蒸汽作為工作流體。因為一般大氣壓力以下的水蒸汽密度較小，致使渦輪機的效率較差，為能獲較大的動力，非得使用極大的渦輪機以及蒸汽配管不可。此外，克勞德的方法不易去除溶在海水中的氣體。而且克勞德所試驗的陸上型溫差電廠，必須要很長的冷水管路。」

安德森為了要除去克勞德的各項缺點，因而有以下的構想：

一﹒使用沸點低、密度大、壓力高的物質作為工作流體；

二﹒發電廠大部沈在水中。

安德生的發明，帶給世界上關心能源的人很大的刺激，因此隨後出現了許多對海洋溫差發電感到興趣的人。在1973年能源危機以後，海洋溫差發電的研究便蓬勃地發展起來，尤其在卡特總統執政期間，美國政府投資了大量經費。美國幾個主要的研究單位為：TRW公司、洛克希德公司、約翰霍浦金斯大學、麻省大學、卡內基米侖大學、SSP公司、阿岡國家實驗室等。自1974年起，美國每年舉辦一次海洋溫差發電研討會，一直到1980年的第七屆為止。1981年雷根總統上台，大量削減海洋溫差發電預算，最後一次較大規模的國際性海洋溫差發電研討會，是附在1982年的Oceans'82裡面。

在這段黃金時代裡，美國聯邦政府約投入了2億美元在海洋溫差發電的研究上。公民營機構對溫差發電作了廣泛而深入的研究，如洛克希德公司、Alfa-Laval熱力公司、Dillingham公司及夏威夷州政府幾個單位合作，於1979年在夏威夷Konu外海，進行Mini-OTEC計畫，首次成功的自海水溫差獲得淨的電量。試驗船為長37公尺寬10公尺之平底船，動力系統採封閉式循環，蒸發器與凝結器使用平版式熱交換器，材質為鈦合金。

又在1980∼1981年在美國能源部支援下，進行一項大型海洋溫差發電海上試驗計畫──OTEC-1，其「1」是表示具有1MW（百萬瓦）出力的意思。本計畫的主要研究項目如下：

一﹒水平多管圓筒式熱交換器的性能分析；

二﹒冷水取水管的沈設方法以及海流等資料的蒐集；

三﹒浮動發電廠繫留固定系統的研究；

四﹒熱交換器的清潔方法研究。

OTEC-1乃是「Chepachet」油輪號所改裝的實驗船，該船最後在高雄港給解體了。

OTEC-1計畫提前結束後，在1982年把冷水管交給夏威夷自然能源研究所，作抽取深海海水來進行養殖研究之用。養殖成果豐碩，據說養鮑魚已經商業化。

在日本有兩件重要的事與溫差發電有關，1981年日本東京電力株式會社在諾魯（Nauru）共和國建造岸上型120瓩海洋溫差發電廠，冷水取水管管徑70公分，淨發電量31.5瓩。動力系統係封閉式循環，工作液為Freon-22。這是人類首度將海水溫差獲得的電力加入正常供電系統，該廠先後運轉約一年。1982，年日本九州電力株式會社，在德之島建造岸上型50瓩海洋溫差發電廠，冷水管管徑為50公分，材質為聚乙烯。該廠利用火力電廠熱廢水作為熱源，動力系統也採封閉式循環。運轉一年後也停止了。

溫差發電現況

到目前為止，世界上還沒有一座商業化的海洋溫差發電廠。雖然如此，自1970年以來在技術上已有許多進展，以下簡介海洋溫差發電的技術現狀：

一﹒動力系統以封閉式循環最先進，已經達到商業化的水準。開放式循環還不能商業化，主要困難在低壓渦輪的效率太低。封閉式循環採用的工作流體以氨最理想。

二﹒熱交換器以shell-tube與平板式為主，為提高熱傳導效率，在表面加槽。熱交換器的材料以鋁合金或鈦合金為主。

三﹒當初認為棘手的問題──在熱交換器因生物附著而降低熱傳效率，實際上只局限於蒸發器上。防止的方法是偶而加氯及用海綿球擦拭。

四﹒海洋溫差發電廠的建立方式有二：（一）固定式；（二）浮動式。固定式又分岸邊式與陸棚式，前者在岸上建廠，後者以平台建電廠於陸棚邊緣，再往外便是陡坡。浮動式又分錨碇式與漂游式，前者的困難在垂直冷水管、錨碇系統及輸電問題，後者的困難在垂直冷水管及將電源轉變成液態氫或以其他型式運送到岸上使用。

五﹒由於浮動式較困難，目前以固定式為優先考慮的方式，如此則問題只剩下海底冷水管一項而已。

六﹒因為海洋溫差約僅20℃而已，所以需用大量的冷海水及熱海水，約2立方公尺／秒的冷海水可得1百萬瓦電力。為減少管流在水管中摩擦而損失水頭，管路的直徑必須要大，估計商業運轉電廠的冷水管徑須5公尺以上。這個問題到現在還沒有解決。

七﹒深層海水營養鹽含量高，可供養殖之用，在夏威夷已經養鮑魚成功。將冷海水直接排放在海面，到底會產生正面或負面影響，尚待研究。但預估正面影響大於負面影響。

我國發展OTEC的潛力

作者在1981年，完成國科會補助計畫，對台灣溫差發電能源作一評估，發現台灣東部的海洋溫差發電能源很有潛力，估計綠島全年月平均溫差約在19℃∼24℃之間。另建議在紅柴利用核三廠熱廢水以及附近300公尺深海溝的泠海水，建造一座先驅海洋溫差發電廠，可同時解決熱污染問題。台電公司針對紅柴海洋溫差發電問題，除本身進行附近水深調查外，另委託台大慶齡工業研究中心，進行紅柴溫差發電廠構想設計；並委託港灣技術研究所，進行海底水溫、海流調查。台大慶齡工業中心估計淨發電量為8.74百萬瓦，建廠費用30億，主要困難在海底冷水管灣。港灣技術研究所發現，在200公尺水深處的全年月平均水溫小於15.56℃，此層水溫有明顯的半日週期振動，振幅在2℃∼4℃之間，可謂不小。該計畫在墾丁國家公園的反對下胎死腹中。

另外台電公司委託台灣大學海洋研究所進行東部海底地形初步調查，發現和平、石梯及樟原三處1000公尺等深線距岸最近。台電進一步委託文化大學進行海洋環境調查。目前台電公司由能源基金補助，正在進行多目標海洋溫差發電可行性研究。

作者鑑於海底冷水管是目前亟須突破的瓶頸，根據過去從事人工湧升流試驗研究的心得，提出全柔性深海海底管路構想，並擬進行基礎試驗研究，希望逐步克服此項困難。

台灣為一海島，陸上資源有限，且自然條件很適合發展海洋溫差發電。美國夏威夷州與日本皆屬海島，與台灣情況相似，也是一直對海洋溫差發電很感興趣。因為海洋溫差發電的發展，需要高科技與大資本，如果經由國際合作方式來推動海洋溫差發電的研究，將可收事半功倍之效（註）。

海洋溫差發電在世界上已經發展了很久，惟至今尚無一座商業運轉的發電廠，這表示目前的技術層次還需要提升。台灣四周環海，對海洋溫差發電應較其他國家更加重視。在此油價低迷，正是聯合美國夏威夷州、日本以及法國，以合作方式開發此技術的好時機。目前最主要的困難在海底冷水管的沈設，此項技術屬海洋工程，國內海洋工程同仁可往此方向努力，使人類早日達成自海洋獲得大量能源的心願

（參考資料：經濟部能源委員會譯印之《海洋溫差發電》）。

梁乃匡任教於台灣大學海洋研究所，專長海洋工程

註：另外，經濟部能源委員會正委託美國夏威夷「太平洋高科技中心」總裁Paul Yuen博士，為我國草擬建立海洋溫差發電先導廠的計畫，目標是在台灣建立一座5百萬瓦的海洋溫差發電廠，並作水產養殖與觀光等目標利用。該報告目前（七十八年七月）尚未完成。據最近（今年六月）作者赴法國考察海洋科技得悉，法國於1986年暫停其建立大溪地海洋溫差發電廠計畫，主要原因是油價太低，估計原油價格在每桶30美元才有競爭力。因此作者以為，我國因本身的自然條件與對能源的渴求，應大力推動海洋溫差發電的研究發展，宜先進行分項的試驗與調查工作，俟技術上有相當把握，經濟的預估可回收成本時，再一舉完成小型商業化的海洋溫差發電廠，才是穩健踏實的實施步驟。

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