如果我们不想耗尽水资源，就应该依靠太阳

冬季降雪量异常稀少，加州的水资源问题再度凸显。积雪通常为春季和夏季的加州提供大量水源，但今年雪量短缺，州长杰里·布朗不得不出台永久性的水资源保护措施。由于气候变化，水资源问题只会越来越严重，官员们对加州未来的水资源感到担忧。南加州海滨城市亨廷顿海滩着眼长远，投资兴建了一座新的海水淡化厂，将海水转化为清洁的可饮用的水。虽然该工厂的支持者表示有必要防止水资源短缺问题恶化，但批评者认为该工厂浪费了纳税人的钱，他们敦促官员们更有效地管理水资源。随着气温升高和干旱加剧，这种冲突可能会在越来越多的沿海城市上演。

这场斗争的核心是海水淡化厂需要大量能源，因此运行成本极高。如果这些能源来自燃烧化石燃料，只会加剧气候变化。美国能源部 (DOE) 正在通过资助旨在大幅降低利用太阳能从海水中提取盐的成本的研究来避免这一问题。

大多数海水淡化厂（包括在建的亨廷顿海滩海水淡化厂）都是通过一种滤除盐分的膜来处理海水，这一过程称为反渗透，需要消耗大量电力，因此成本相当高。美国能源部太阳能技术办公室代理项目经理阿维·舒尔茨解释说，虽然反渗透是海水淡化的最新技术，但“它仍不是生产淡水的首选，因为它价格昂贵”，反渗透生产淡水的成本约为每立方米 1.50 美元，“这个成本对于广泛使用来说确实有点太高了”，他说。在美国，水价平均略高于每立方米 0.50 美元，不过各地有所不同。

另一种海水淡化方法是热蒸馏。将海水煮沸，蒸汽凝结成淡水，留下盐和其他矿物质。不幸的是，这种方法比反渗透更昂贵。煮沸足够的水来供应一座城市需要大量的能源，所以舒尔茨说，目前美国还没有热海水淡化厂。

如果科学家能够开发出一种廉价的热源，那么热法海水淡化的成本将低于反渗透法，甚至可能与水井或水库的水一样便宜。为了实现这一目标，美国能源部 (DOE) 正在向 14 个项目投入 2100 万美元，旨在降低使用太阳能为热法海水淡化提供动力的成本。

通常，当我们想到太阳能时，我们会想到光伏太阳能——装饰屋顶、计算器和手表的黑色面板，利用阳光发电。这项计划的重点是太阳能热能，它利用阳光产生热量，可用于烧水。太阳能热海水淡化厂有几个优点：它们不需要燃料，不会产生空气污染，也不需要连接到电网。

太阳能热海水淡化并不是一个特别新颖或了不起的想法。任何有进取心的五年级学生都可以利用家中的零件，利用阳光净化海水。人们已经这样做了几个世纪。不同之处在于，现在专家们希望以低成本大规模地做到这一点。在大型太阳能热海水淡化厂，抛物面镜将太阳光反射到充满熔盐或其他流体的管子上。熔盐吸收阳光中的热量并将其转移到沸腾室的底部，用于蒸馏海水。

美国能源部正试图通过资助那些能降低整个过程成本的项目来降低太阳能热海水淡化的成本。首先，他们研究了能减少所需总能量的举措。舒尔茨提到了北达科他大学的一个项目，该项目旨在净化来自油气井的咸水。舒尔茨说：“如果你把水中溶解了大量盐，然后加热加压，你就能让水进入所谓的超临界状态。这种物质状态有点像气体，也有点像液体。”当水达到超临界状态时，“所有的盐都会从水中析出。”增加压力意味着不需要产生那么多热量来去除盐。

其次，美国能源部资助了降低收集和储存太阳热量成本的项目。例如，总部位于加州的初创公司 Sunvapor 正在开发一种可以储存从抛物面镜收集的热量的材料。“如果你有一个足够大的储水箱，你就可以全天 24 小时使用太阳能，”舒尔茨说。Sunvapor 正在与 Horizo​​n Nut 合作测试这种材料，利用储存的热量来干燥和烘烤开心果。

第三，美国能源部正在资助研究，以使整个系统更好地运行。舒尔茨指出，美国能源部资助的夏威夷自然能源实验室管理局项目利用了太阳热能和渗透作用，在这种情况下是正向渗透。盐水在膜的一侧流动，“汲取”溶液在另一侧流动。水分子从盐水侧穿过汲取溶液侧。舒尔茨说，用太阳热能升高现已稀释的汲取溶液的温度，“会自发导致你特意放入汲取溶液中的杂质从淡水中分离出来。”

最后，美国能源部正在资助研究，以找出太阳能热海水淡化技术可以在哪些地方发挥作用。哥伦比亚大学的一个团队正在开发公开可用的软件，该软件将确定哪种太阳能热海水淡化技术在哪些地方效果最好，因为该过程取决于可用的阳光量和水的盐度。

整个努力的目标是将海水淡化成本降低到每立方米 0.50 美元左右，远低于反渗透工厂通常的每立方米 1.50 美元。舒尔茨说，虽然反渗透目前是较便宜的选择，但太阳能热海水淡化更有可能达到每立方米 0.50 美元的目标，届时它可以与传统水源相媲美。舒尔茨解释说，降低反渗透成本意味着要找到一种便宜得多的电力来源。改进太阳能热海水淡化会更容易，因为它利用了太阳免费提供的热量。

值得注意的是，高成本并不是海水淡化厂广泛部署的唯一障碍。另一个障碍是环境影响。海边的海水淡化厂会将鱼卵、浮游生物和其他小型海洋生物吸入进水管，并将多余的咸水排回海洋，对当地海洋生物造成严重破坏。亨廷顿海滩海水淡化厂的反对者曾多次提到这些风险。

然而，不久的将来，干旱地区可能需要海水淡化来供应淡水。以色列一半以上的用水来自海水淡化厂。面对持续的水危机，南非开普敦也开始采用海水淡化。现在，加利福尼亚州也在做同样的事情。需求是发明之母，美国能源部正试图让海水淡化更便宜、更清洁。下一代太阳能热技术可能会改变游戏规则。

Jeremy Deaton 为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻通讯社。您可以通过 @deaton_jeremy 关注他。