Osmotiskā spēkstacija: tīra sālsūdens enerģija

Nepieciešams brīdināt uzreiz: nosaukumā nav pieļauta kļūda, nebūs stāsta par kosmiskās enerģijas līdzskaņu ar vārdu. Mēs to atstāsim ezotēristiem un zinātniskās fantastikas rakstniekiem. Un mēs runāsim par parasto parādību, ar kuru mēs līdzāspastāvējam visu dzīvi.

Cik cilvēku zina, kādos procesos sulas kokos sasniedz ievērojamu augstumu? Sekvojai tas ir vairāk nekā 100 metru. Šī sulas transportēšana uz fotosintēzes zonu notiek fiziskā efekta dēļ - osmoze. Tas sastāv no vienkāršas parādības: divos dažādu koncentrāciju šķīdumos, kas ievietoti traukā ar puscaurlaidīgu (caurlaidīgu tikai šķīdinātāju molekulām) membrānu, pēc kāda laika parādās līmeņa starpība. Burtiskā tulkojumā no grieķu valodas osmoze ir spiediens, spiediens.

Un tagad no savvaļas dzīvniekiem mēs atgriezīsimies pie tehnoloģijām. Ja jūrā un saldūdenī ievieto trauku ar starpsienu, tad dažādu koncentrāciju dēļ parādās izšķīdušie sāļi osmotiskais spiediens un jūras līmenis paaugstinās. Ūdens molekulas pārvietojas no augstas koncentrācijas zonas uz šķīduma zonu, kur ir vairāk piemaisījumu un mazāk ūdens molekulu.

Ūdens līmeņa atšķirības tālāk izmanto parastajā veidā: tas ir pazīstamais hidroelektrostaciju darbs. Vienīgais jautājums ir Cik piemērots ir osmozes efekts rūpnieciskai lietošanai? Aprēķini rāda, ka tad, ja jūras ūdens sāļums ir 35 g / litrā, osmozes parādības dēļ rodas spiediena kritums par 2389 464 Pascal jeb aptuveni 24 atmosfērām. Praksē tas ir līdzvērtīgs aizsprostam ar 240 metru augstumu.

Bet papildus spiedienam ļoti svarīga īpašība ir arī membrānu selektivitāte un to caurlaidība. Galu galā turbīnas neražo enerģiju no diferenciālā spiediena, bet gan ūdens plūsmas dēļ. Šeit vēl nesen bija ļoti nopietnas grūtības. Piemērotai osmotiskajai membrānai jāiztur spiediens, kas ir 20 reizes lielāks par parasto ūdens padevi. Tajā pašā laikā ir augsta porainība, bet saglabā sāls molekulas. Pretrunīgu prasību apvienojums ilgu laiku neļāva osmozi izmantot rūpnieciskiem mērķiem.

Risinot atsāļošanas problēmas, tika izgudrots ūdens Loeb membrānakas izturēja milzīgu spiedienu un saglabāja minerālsāļus un daļiņas līdz 5 mikroniem. Ilgu laiku Loeb membrānas nebija iespējams piemērot tiešai osmozei (enerģijas ražošanai), jo tie bija ārkārtīgi dārgi, kaprīzi darbībā un ar zemu caurlaidību.

Lūzums osmotisko membrānu izmantošanā notika 80. gadu beigās, kad norvēģu zinātnieki Holts un Thorsens ieteica lietot modificēta keramikas bāzes plastmasas plēve. Lēta polietilēna struktūras uzlabošana ļāva mums izveidot piemērotu spirālveida membrānu dizainu izmantošanai osmotiskās enerģijas ražošanā. Lai pārbaudītu enerģijas iegūšanas tehnoloģiju no osmozes efekta, 2009. gadā tas bija pirmais pasaules eksperimentālais osmotiskā spēkstacija.

Saņēmusi valsts dotāciju un iztērējusi vairāk nekā 20 miljonus dolāru, Norvēģijas enerģētikas uzņēmums Statkraft ir kļuvis par pionieri jauna veida enerģijā. Izbūvētā osmotiskā spēkstacija saražo apmēram 4 kW enerģijas, kas ir pietiekami, lai darbotos ... divas elektriskās tējkannas. Bet stacijas celtniecības mērķi ir daudz nopietnāki: galu galā tehnoloģijas pārbaude un reālu apstākļu pārbaude membrānu materiāliem paver ceļu daudz jaudīgāku struktūru izveidošanai.

Staciju komerciālā pievilcība sākas ar enerģijas noņemšanas efektivitāti, kas pārsniedz 5 vati uz kvadrātmetru membrānu.Norvēģijas stacijā Toft šī vērtība tik tikko pārsniedz 1 W / m2. Bet jau šodien tiek pārbaudītas membrānas ar efektivitāti 2,4 W / m2, un līdz 2015. gadam ir gaidāma rentabla vērtība 5 W / m2.

Osmotiskā spēkstacija Toftā

Bet no Francijas pētījumu centra ir iepriecinoša informācija. Darbojoties ar materiāliem, kuru pamatā ir oglekļa nanocaurules, zinātnieki uz paraugiem ieguva osmozes enerģijas ieguves efektivitāti aptuveni 4000 W / m2. Un tas nav tikai rentabls, bet arī pārsniedz gandrīz visu tradicionālo enerģijas avotu efektivitāti.

Vēl iespaidīgākas izredzes sola pieteikšanos grafēna filmas. Membrāna, kuras biezums ir viens atomu slānis, kļūst pilnīgi caurlaidīga ūdens molekulām, vienlaikus saglabājot visus citus piemaisījumus. Šāda materiāla efektivitāte var pārsniegt 10 kW / m2. Sacīkstei pievienojās vadošās korporācijas Japānā un Amerikā, lai izveidotu augstas veiktspējas membrānas.

Ja nākamajā desmitgadē būs iespējams atrisināt osmotisko staciju membrānu problēmu, tad jauns enerģijas avots ieņems vadošo vietu, nodrošinot cilvēci ar videi draudzīgiem enerģijas avotiem. Atšķirībā no vēja un saules enerģijas tiešās osmozes augi var darboties visu diennakti, un laika apstākļi tos neietekmē.

Globālā osmozes enerģijas rezerve ir milzīga - saldūdens upes novadīšana gadā ir vairāk nekā 3700 kubikkilometru. Ja var izmantot tikai 10% no šī tilpuma, tad var radīt vairāk nekā 1,5TW / h elektroenerģijas, t.i. apmēram 50% no Eiropas patēriņa.

Bet ne tikai šis avots var palīdzēt atrisināt enerģijas problēmu. Ar ļoti efektīvām membrānām var izmantot okeāna dziļumu enerģiju. Fakts ir tāds, ka ūdens sāļums ir atkarīgs no temperatūras, un dažādos dziļumos tas ir atšķirīgs.

Izmantojot sāļuma temperatūras gradientus, staciju būvniecībā jūs nevarat piestiprināties pie upju ietekas, bet vienkārši novietot tos okeānos. Bet tas ir tālas nākotnes uzdevums. Lai gan prakse rāda, ka prognožu veikšana tehnoloģijās ir nepateicīgs uzdevums. Un rīt nākotne var pieklauvēt mūsu realitātei.