扭转可再生能源的一大短板
太阳落山，太阳能电池板便停止发电；微风减弱，风力涡轮机也会停转。即使是水力发电大坝，在长期干旱期间也会看到发电量下滑。数十年来，可再生能源革命一直在寻找一种清洁能源，能够不看天气预报、持续稳定地发电。2025年8月，日本南部沿海的一座小型设施开始实现这一目标：它从淡水与盐水之间的化学势差中获取电力。这座电站位于福冈市海中道奈多海水淡化中心内，是亚洲首座投入运营的渗透能电站，也是全球第二座持续运行的商业化同类电站；此前，丹麦一座同类设施已于2023年投运。对于一个大部分化石燃料依赖进口、减碳压力日益增大的国家来说，这座电站启动不仅是一次地方试验，也是对日本周边海洋能否成为稳定基荷清洁能源来源的一次实际检验。
这座设施也被称为“Mamizupia”，于2025年8月5日举行启用仪式并正式投入运营。它与传统发电站不同，不燃烧燃料，也不排放二氧化碳。除一台涡轮机外，几乎没有活动部件。更重要的是，它不依赖阳光、风速或季节性降雨。电站采用一种称为压力延迟渗透的原理，通常简称PRO，从水自然平衡盐浓度的趋势中提取可用能量。系统利用城市已有的两种废物流：海水淡化产生的浓盐水，以及污水处理设施处理后的废水，每年可发电约880000千瓦时。这一发电量足以满足淡化中心相当一部分用电需求，相当于为220至300户日本普通家庭供电。运营方报告称，电站利用率接近90%，这种稳定性是太阳能和风能设施只有配备昂贵的备用电池才能达到的。
蓝色能源背后的静默物理原理
要了解福冈电站的工作原理，不妨回想一种基本的生物过程。渗透作用能让树根从土壤中吸收水分，也能防止人体细胞在液体环境中塌陷。当两种盐浓度不同的溶液隔着半透膜相邻时，水分子会自然从含盐量较低的一侧迁移到含盐量较高的一侧，试图平衡浓度。盐离子本身太大，无法穿过膜，因此只有水分子会移动。在密闭的压力腔内，这种迁移会增加盐水侧的体积和压力。工程师捕获这种压力，将其导入涡轮机，带动发电机旋转。最终，电力仅凭两股水体之间的化学差异便得以产生。
福冈电站采用的是一种称为压力延迟渗透的技术变体。在标准的海水与淡水PRO系统中，约26巴的压差最有利于发挥化学作用，相当于270米高水柱底部所承受的压力。福冈设施在教科书式模型的基础上作了改进：盐水侧使用的不是普通海水，而是海水淡化过程中分离出淡水后剩下的浓盐水；淡水侧则使用从附近污水处理设施输送来的处理后废水。墨尔本大学化学工程师Sandra Kentish解释说，这种组合扩大了盐度差，比标准海水配置能从过程中提取更多可用能量。悉尼科技大学替代水源专家Ali Altaee博士指出，这两股水流在排放前原本就会混合，因此在它们之间加入膜和涡轮机，就能回收原本会消散到海里的能量。
应对沿海难题的循环解决方案
福冈并非一个显然会面临水资源危机的大都市，但地理条件迫使该地区谨慎规划。福冈都市圈约有260万居民，却没有大型河流近在咫尺，降雨因而无法成为可靠的单一饮用水来源。自2005年以来，海中道奈多海水淡化中心每天将约50000立方米海水转化为淡水，保障当地供水稳定。这一过程虽维系着民生，却也产生了棘手的副产品。浓盐水的含盐量通常接近8%，必须谨慎处置，以免破坏当地海洋生态系统。
渗透能电站将这种废弃物重新视为资源。运营方不再把浓盐水当作需要稀释后排放的环境负担，而是将其导入膜组件，与处理后的废水进行交换。淡水透过膜流动，在盐水侧形成压力，驱动涡轮机，最终产生盐度较低、对生态环境影响较小的水，可供排放。实际上，这座电站把两个处置难题转化为一股电力。所发电力回输至海水淡化中心，降低运营成本，并减少对常规电网的用电需求。海水淡化中心负责人Kenji Hirokawa将该设施称为一个不算大的第一步，而非已经完成的解决方案。这一定位符合一种仍在证明自身商业化能力的技术，也体现了更广泛的目标：世界各地的沿海城市都面临能源需求增长和浓盐水处置这两大难题。福冈的案例展示了如何同时应对二者。
从十年屡屡受挫中汲取经验
利用盐度梯度发电的想法并不新鲜。美国研究人员于1976年首次在《膜科学杂志》上提出这一概念。此后30多年里，这一理论基本无人问津，直到挪威公用事业公司Statkraft开始建造实际设备。2009年11月，Statkraft在奥斯陆峡湾沿岸的托夫特启用首座PRO原型电站，希望证明渗透能可以在真实市场上参与竞争。该电站的设计装机容量为10千瓦，但实际发电量只有2至4千瓦。到2014年1月，Statkraft关闭了该项目，并表示膜的效率仍然太低，无法实现商业化。
挪威项目的失败成为一个警示，说明实验室化学原理与工业经济效益之间存在差距。膜的功率密度成为关键指标。学术期刊发表的研究表明，渗透能系统的膜功率密度需达到每平方米约5瓦，才有望具备经济可行性。托夫特设施仅达到每平方米1至3瓦。膜材成本过高、污堵过快，水流量也太小，不足以抵消所需的泵送能耗。此后十年，这项技术一直停留在试点项目和学术论文阶段，而太阳能和风能的成本则大幅下降。
福冈电站试图通过更精明的选址避开这一困境，而不是等待材料技术取得突破。该设施本来就会产生高盐浓盐水，也接收处理后的污水，因此其盐度梯度远大于标准海水与淡水的组合。更大的盐度差意味着，尽管现有膜技术仍不完善，依然能够提取足够的净能量，让电站具备运行价值。该领域专家Akihiko Tanioka称赞了这一里程碑及其更广泛的潜力。
这一成功落地是一项重大成就。我希望它能在全球推广复制。
丹麦企业SaltPower此前已于2023年在马里亚格建成持续运行的商业化电站，证明这一概念可行。如今，日本规模更大的设施增加了亚洲的实践案例，也表明PRO能够与现有市政水利基础设施结合。
规模虽小，稳定价值不小
以大型电网的标准来看，福冈渗透能电站规模很小。其平均持续输出功率约为100千瓦，与海上风电场或燃气电站数百兆瓦的发电量相比微不足道。约438万美元的项目成本也说明，这种电力目前还谈不上便宜。几乎所有发电量都用于海水淡化中心自身运行，因此该设施更像是一个能源回收循环，而不是向城市供电的独立发电站。
不过，规模并非衡量其重要性的唯一标准。电站容量虽小，却胜在可预测。90%的利用率意味着，无论遭遇台风、平静无风的夜晚还是阴云密布的冬季，系统都能持续发电。两座足球场大小的太阳能电池板在纸面上或许能达到相同的年发电量，但云层、夜幕和季节性日照角度会使理论总量变成不稳定的实际产出。电网运营商必须用旋转备用或电池组来平衡这些波动。相比之下，渗透能发电曲线平稳，电力公司可以放心纳入调度。
结合实际情况来看，这种配置在经济上也说得通。《化学工程科学》2024年的一项研究介绍了有望推动盐度梯度可持续发电的新型膜改性方法；发表在《能源研究前沿》上的一项PRO技术经济分析则证实，将PRO与海水淡化厂整合，是该技术更具商业可行性的路径之一。原因很简单：浓盐水流本来就会产生，无需额外付费，废水流也已经在流动。电站不必购买燃料，也不用穿越荒野铺设管道，只需接入现有的水资源利用循环。
全球竞逐更优膜材料
尽管福冈项目令人乐观，渗透能行业仍面临材料方面的挑战。国际可再生能源机构估计，全球盐度梯度能的技术潜力可达647吉瓦，年发电量为5177太瓦时，不过受地理条件和工程限制，实际可利用规模会低得多。要发挥这一潜力，膜必须更便宜、更耐用，也不易污堵。国际可再生能源机构已将膜成本列为主要障碍，研究人员仍在寻找能够加快水流、同时防止有机物和矿物质积聚的材料。
日本有商业动力引领相关研究。据日本政府介绍，日本企业目前已占据全球海水淡化膜市场约60%的份额。渗透能膜技术的进步或可巩固日本的产业领先地位，并打开出口市场。为福冈电站提供膜和涡轮机设备的工程公司Kyowakiden Industry表示，如果试点设施在多年测试期间表现良好，公司计划建设规模扩大5至10倍的设施。最显而易见的潜在客户是已经依赖海水淡化的地区，尤其是中东，那里单座海水淡化厂的日产水量就可能超过900000立方米。
全球各地仍有试点项目陆续出现。挪威、韩国、澳大利亚、西班牙和卡塔尔都已建成原型设施或开展示范项目。Altaee博士指出，悉尼科技大学也建有自己的原型设施，只要获得政府资金就能重启，并计划利用新南威尔士州的盐湖作为资源基础。福冈电站无需规模庞大也能产生影响。它需要证明膜、泵和经济效益能够经受长期连续运行，从而吸引更大规模的投资。如果成功，拥有海水淡化基础设施的沿海城市或许会发现，自己坐拥一种意想不到的基荷清洁能源。
要点
- 日本首座渗透能电站于2025年8月5日在福冈海中道奈多海水淡化中心投运，成为亚洲首座此类设施，也是全球第二座持续运行的商业化电站；此前，丹麦一处同类设施于2023年投运。
- 该电站利用压力延迟渗透技术，借助海水淡化产生的浓盐水与处理后废水之间的盐度差异，年发电量约为880000千瓦时。
- 电站利用率接近90%，无论天气状况或一天中的什么时段都能持续发电，提供了太阳能和风能在没有储能设备时无法匹敌的可靠性。
- 该项目循环利用两种现有废物流，在抵消海水淡化厂部分能耗的同时，减少了浓盐水处置对环境的影响。
- 膜技术仍是核心挑战；包括2014年停运的挪威原型项目在内，此前的尝试都因膜效率过低、难以证明成本合理而失败。
- 日本企业掌握全球海水淡化膜市场约60%的份额，这为该国推进渗透能规模化提供了产业动力和技术专长。
- 如果试点成功，工程师计划建设规模扩大5至10倍的设施；中东等海水淡化需求旺盛的地区最有可能成为扩展市场。
