扭轉再生能源的關鍵弱點
太陽一下山，太陽能板就停止發電；微風消退，風力發電機便會停轉；長期乾旱期間，水力發電水壩的輸出也會下滑。數十年來，再生能源革命一直在尋找一種潔淨能源，能夠不看天氣預報、每小時穩定運轉。2025年8月，日本南部海岸一座小型設施開始做到這件事：利用淡水與鹽水之間的化學位差發電。這座電廠位於福岡市海之中道奈多海水淡化中心，是亞洲首座投入運轉的滲透發電設施，也是全球第二座持續運轉的商業電廠；此前，丹麥一座同類設施已於2023年啟用。對於大多數化石燃料仰賴進口、減碳壓力日益增加的日本而言，這座電廠啟用不只是地方性的試驗，更是一次實地驗證，檢視日本周邊海洋能否成為穩定的基載潔淨電力來源。
這座設施也稱為「Mamizupia」，於2025年8月5日舉行啟用典禮，正式開始運轉。它不像傳統發電廠，不需燃燒燃料，也不排放二氧化碳。除了單一渦輪機外，幾乎沒有任何活動部件。更重要的是，它不受日照、風速或季節性降雨影響。電廠採用稱為「壓力延滯滲透」的原理，通常簡稱PRO，從水自然平衡鹽分濃度的趨勢中擷取可用能源。系統結合市內原本就會產生的兩股廢水流：海水淡化後的高濃度鹵水，以及污水處理設施處理過的廢水，每年可發電約880000度。這些電力足以滿足淡化中心相當一部分的用電需求，並相當於220至300戶日本一般家庭的用電量。營運方表示，設施的利用率接近90%，這種穩定程度是太陽能與風力設施只有搭配昂貴的電池備援才能企及的。
藍色能源背後的靜謐物理原理
要了解福岡電廠如何運作，可以先回想一種基本的生物過程。滲透作用讓樹根能從土壤中吸取水分，也能避免人體細胞在液體環境中塌陷。當兩種鹽分濃度不同的溶液分處半透膜兩側時，水分子會自然從含鹽量較低的一側移向較高的一側，試圖讓濃度達到平衡。鹽離子體積太大，無法穿過薄膜，因此只有水會移動。在密閉壓力槽中，這種移動會增加高鹽側的水量與壓力。工程師會擷取這股壓力，將水導入渦輪機，帶動發電機。最終，只靠兩股水體之間的化學差異便能產生電力。
福岡電廠採用的是稱為「壓力延滯滲透」的技術變體。在標準的海水與淡水PRO系統中，約26巴的壓差最有利於化學反應，大致相當於270公尺水柱底部所承受的壓力。福岡設施改良了教科書上的模式：高鹽側不用一般海水，而是使用海水淡化後留下的高濃度鹵水；淡水側則使用從附近污水處理廠輸送來的處理水。墨爾本大學化學工程師Sandra Kentish表示，這種搭配擴大了鹽度差，能從過程中擷取的可用能源也比標準海水配置更多。雪梨科技大學替代水源專家Ali Altaee博士指出，這兩股水流原本就會在排放前混合，因此在兩者之間加入薄膜與渦輪機，就能回收原本會消散到海中的能源。
沿海問題的循環解方
福岡看起來不像會面臨水資源危機的大都會，但地理條件迫使當地審慎規劃。福岡都會區約有260萬名居民，附近缺乏大型河川，降雨因此難以成為可靠的唯一飲用水來源。自2005年起，海之中道奈多海水淡化中心每天將約50000立方公尺海水轉為淡水，穩定了當地供水。這項攸關民生的程序卻會產生難以處理的副產品：鹽分濃度通常接近8%的高濃度鹵水，必須謹慎處置，以免破壞當地海洋生態系。
滲透發電廠將這種廢棄物重新視為資源。營運方不再把鹵水當成必須稀釋排放的環境負擔，而是將它送入膜組，與處理過的廢水進行作用。淡水穿過薄膜後，會提高鹵水側的壓力，帶動渦輪機，最後產生鹽分較低的水，排放時對生態造成的壓力也較小。換句話說，電廠把兩種待處理的廢水轉化為單一電力來源。產生的電力回送至淡化中心，降低營運成本，也減少對傳統電網的用電需求。海水淡化中心主任Kenji Hirokawa將這座設施形容為謹慎踏出的第一步，而非已經完成的解決方案。對仍在商業規模驗證中的技術而言，這樣的定位恰如其分，也展現了更宏大的目標。世界各地的沿海城市都面臨能源需求上升與鹵水處置的雙重難題。福岡的案例展示了如何同時處理這兩個問題。
從十年的挫敗中汲取經驗
從鹽度梯度中擷取電力的構想並不新鮮。美國研究人員於1976年首次在《膜科學期刊》（Journal of Membrane Science）提出這個概念。此後三十多年，這項理論大多乏人問津，直到挪威公用事業公司Statkraft開始打造實際設備。2009年11月，Statkraft在托夫特的奧斯陸峽灣啟用首座PRO原型設施，希望證明滲透發電能在真實市場中競爭。電廠的設計目標為10千瓦，但實際發電量僅有2至4千瓦。2014年1月，Statkraft宣布停運計畫，表示薄膜效率仍不足以達到商業化所需的條件。
挪威的失敗成為一則警示，凸顯實驗室化學與工業經濟效益之間的落差。薄膜功率密度成為關鍵指標。學術期刊發表的研究指出，滲透系統每平方公尺薄膜必須提供約5瓦功率，才有望達到經濟可行的門檻。托夫特設施每平方公尺僅能產生1至3瓦。薄膜成本過高、太快遭到污堵，水流量也太低，無法抵銷所需的抽水能耗。接下來十年，這項技術停留在試驗計畫與學術論文階段，太陽能與風力的成本則大幅下降。
福岡電廠試圖透過更聰明的選址避開這個困境，而非等待材料技術突破。由於設施本來就會產生高鹽度鹵水，也能取得處理後的污水，兩股水流的鹽度差遠大於一般海水與淡水的組合。更大的鹽度差代表即使現有薄膜技術仍不完美，也能擷取足夠的淨能源，讓電廠值得運轉。該領域專家Akihiko Tanioka肯定這項里程碑及其更廣泛的潛力。
這項成功的實際應用是一項重大成就。我希望它能在全球各地複製推廣。
丹麥公司SaltPower已於2023年在馬裏亞格建成持續運轉的商業電廠，證明這個概念可行。如今，日本規模較大的設施為亞洲增添一筆實證，也證明PRO能與現有的市政供水基礎設施整合。
規模雖小，穩定性仍有價值
以大型電網的標準來看，福岡的滲透發電廠規模很小。平均連續輸出約100千瓦，與離岸風場或燃氣電廠數百兆瓦的發電量相比微不足道。約438萬美元的計畫成本也顯示，目前這還不是廉價電力。幾乎所有發電量都用於運轉淡化中心，因此這座設施更像是能源回收循環，而不是向城市供電的獨立發電機。
但規模並非衡量重要性的唯一標準。這座電廠以穩定性彌補容量不足。利用率達90%，代表系統在颱風、無風的夜晚及陰暗的冬季都能持續發電。兩座足球場大小的太陽能板，紙面上或許能達到相同的年發電量，但雲層、夜晚與季節性日照角度會讓理論總量變成波動的現實。電網營運商必須透過旋轉備轉容量或電池組來平衡這些起伏；相較之下，滲透發電可提供平穩的發電曲線，讓電力公司能安心排程。
從實際條件來看，這種配置也符合經濟效益。2024年刊於《化學工程科學》（Chemical Engineering Science）的研究介紹了可促進鹽度梯度永續發電的新型薄膜改良方式；《能源研究前沿》（Frontiers in Energy Research）刊載的PRO技術經濟分析則確認，將PRO與海水淡化廠整合，是這項技術較具商業可行性的途徑之一。原因很簡單：鹵水本來就會產生，不需額外成本，廢水也本來就在流動。電廠不必購買燃料，也不用在荒野中鋪設管線，只需將設備嵌入現有的水資源使用循環。
全球競逐更佳薄膜
儘管福岡案例令人振奮，滲透發電產業仍面臨材料方面的挑戰。國際再生能源總署估計，全球鹽度梯度發電的技術潛力可達647吉瓦、每年5177太瓦時，但地理條件與工程限制會讓實際可行的規模低得多。要讓這項潛力發揮作用，薄膜必須更便宜、更耐用，也更不容易污堵。國際再生能源總署將薄膜成本列為主要障礙，研究人員仍在尋找能讓水流更快、同時抵抗有機物與礦物質累積的材料。
日本有商業誘因投入這項研究。根據日本政府資料，日本企業目前已掌握全球約60%的海水淡化薄膜市場。滲透發電薄膜的進展可鞏固日本在產業上的領先地位，並開拓出口市場。為福岡電廠供應薄膜與渦輪機設備的工程公司Kyowakiden Industry表示，若設施在多年測試期間表現良好，目標是興建規模大上五至十倍的設施。最明確的客戶將是已仰賴海水淡化的地區，尤其是中東；當地單一設施每日可產出超過900000立方公尺淡水。
世界各地仍陸續推出試驗計畫。挪威、南韓、澳洲、西班牙與卡達都已建置原型或示範設施。Altaee博士指出，雪梨科技大學也設有自己的原型設施，只要取得政府資金便可重新啟動，並以新南威爾斯州的鹽湖作為資源來源。福岡電廠不必規模龐大就能發揮影響力；它必須證明薄膜、泵浦與經濟效益能否長期承受持續運轉，進而吸引更多投資。若能做到，擁有海水淡化基礎設施的沿海城市，或許會發現自己坐擁意料之外的基載潔淨電力來源。
重點整理
- 日本首座滲透發電廠於2025年8月5日在福岡海之中道奈多海水淡化中心啟用，成為亞洲首座同類設施，也是全球第二座持續運轉的商業電廠；此前丹麥一座同類設施已於2023年啟用。
- 電廠採用壓力延滯滲透技術，利用海水淡化後的高濃度鹵水與處理過的廢水之間的鹽度差，每年可發電約880000度。
- 設施利用率接近90%，不受天候或日夜影響，可持續供電；若沒有儲能設備，太陽能與風力無法達到同等的穩定性。
- 計畫回收利用兩股既有廢水流，降低鹵水排放對環境的影響，也能抵銷淡化廠部分用電需求。
- 薄膜技術仍是核心挑戰；包括2014年停運的挪威原型設施在內，先前的嘗試都因薄膜效率太低、成本難以合理化而失敗。
- 日本企業掌握全球約60%的海水淡化薄膜市場，兼具產業發展動機與技術專長，有利於推進滲透發電的規模化。
- 若試驗計畫成功，工程師將設法興建規模大上五至十倍的設施；中東等海水淡化需求高的地區，最可能成為擴展市場。
