Elektrownia osmotyczna: czysta energia słonej wody

Należy od razu ostrzec: w tytule nie ma pomyłki, nie będzie opowieści o energii kosmicznej zgodnej z nazwą. Pozostawimy to ezoterykom i pisarzom science fiction. Porozmawiamy o zwykłym zjawisku, z którym współistniejemy przez całe życie.

Ile osób wie, dzięki którym procesom soki na drzewach osiągają znaczną wysokość? W przypadku sekwoi jest to ponad 100 metrów. Ten transport soków do strefy fotosyntezy następuje z powodu działania efektu fizycznego - osmoza. Polega na prostym zjawisku: w dwóch roztworach o różnych stężeniach, umieszczonych w naczyniu z półprzepuszczalną (przepuszczalną tylko dla cząsteczek rozpuszczalnika) membraną, po pewnym czasie pojawia się różnica poziomów. W dosłownym tłumaczeniu z języka greckiego osmoza to nacisk, presja.

A teraz z dzikiej przyrody wrócimy do technologii. Jeśli woda morska i słodka zostaną umieszczone w naczyniu z przegrodą, wówczas z powodu różnych stężeń rozpuszczonych soli pojawi się ciśnienie osmotyczne i podnosi się poziom morza. Cząsteczki wody przemieszczają się ze strefy o wysokim stężeniu do strefy roztworu, gdzie jest więcej zanieczyszczeń i mniej cząsteczek wody.

Różnica poziomów wody jest dalej wykorzystywana w zwykły sposób: jest to znana praca elektrowni wodnych. Jedyne pytanie brzmi: Jak odpowiedni jest efekt osmozy do zastosowań przemysłowych? Obliczenia pokazują, że gdy zasolenie wody morskiej wynosi 35 g / litr, powstaje spadek ciśnienia o wartości 2 389 464 Pascal lub około 24 atmosfer z powodu zjawiska osmozy. W praktyce jest to odpowiednik tamy o wysokości 240 metrów.

Ale oprócz ciśnienia selektywność błon i ich przepuszczalność są również bardzo ważną cechą. W końcu turbiny nie wytwarzają energii z różnicy ciśnień, ale z powodu przepływu wody. Tutaj do niedawna były bardzo poważne trudności. Odpowiednia membrana osmotyczna musi wytrzymać ciśnienie 20 razy większe niż ciśnienie w zwykłym zaopatrzeniu w wodę. Jednocześnie mają wysoką porowatość, ale zachowują cząsteczki soli. Połączenie sprzecznych wymagań przez długi czas nie pozwalało na zastosowanie osmozy do celów przemysłowych.

W rozwiązywaniu problemów odsalania wynaleziono wodę Membrana Loebktóry wytrzymał ogromne ciśnienie i zachował sole mineralne i cząstki do 5 mikronów. Przez długi czas nie było możliwe zastosowanie membran Loeb do bezpośredniej osmozy (wytwarzanie energii), ponieważ były niezwykle drogie, kapryśne w działaniu i miały niską przepuszczalność.

Przełom w użyciu membran osmotycznych nastąpił pod koniec lat 80., kiedy norwescy naukowcy Holt i Thorsen zasugerowali użycie modyfikowana folia z tworzywa sztucznego na bazie ceramiki. Ulepszenie struktury taniego polietylenu pozwoliło nam stworzyć odpowiedni projekt membran spiralnych do stosowania w produkcji energii osmotycznej. Aby przetestować technologię generowania energii z efektu osmozy, w 2009 roku pierwszy na świecie eksperymentalny elektrownia osmotyczna.

Otrzymując dotację państwową i wydając ponad 20 milionów dolarów, norweska firma energetyczna Statkraft stała się pionierem w dziedzinie nowego rodzaju energii. Zbudowana elektrownia osmotyczna wytwarza około 4 kW mocy, co wystarcza do pracy ... dwa czajniki elektryczne. Ale cele budowy stacji są znacznie poważniejsze: w końcu testowanie technologii i testowanie w rzeczywistych warunkach materiały na membrany otwierają drogę do tworzenia znacznie mocniejszych struktur.

Komercyjny urok stacji zaczyna się od wydajności usuwania mocy większej niż 5 watów na metr kwadratowy membran.Na norweskiej stacji w Toft wartość ta ledwie przekracza 1 W / m2. Ale już dziś testowane są membrany o wydajności 2,4 W / m2, a do 2015 r. Oczekuje się opłacalnej wartości 5 W / m2.

Elektrownia Osmotyczna w Toft

Ale są zachęcające informacje z ośrodka badawczego we Francji. Pracując z materiałami opartymi na nanorurkach węglowych, naukowcy uzyskali na próbkach wydajność ekstrakcji energii osmozy około 4000 W / m2. Jest to nie tylko opłacalne, ale przekracza wydajność prawie wszystkich tradycyjnych źródeł energii.

Jeszcze bardziej imponujące perspektywy obiecują zastosowanie filmy grafenowe. Membrana o grubości jednej warstwy atomowej staje się całkowicie przepuszczalna dla cząsteczek wody, zachowując wszelkie inne zanieczyszczenia. Wydajność takiego materiału może przekraczać 10 kW / m2. Wiodące korporacje w Japonii i Ameryce dołączyły do ​​wyścigu, aby stworzyć wysokowydajne membrany.

Jeśli w następnej dekadzie będzie możliwe rozwiązanie problemu membran dla stacji osmotycznych, wówczas nowe źródło energii zajmie wiodące miejsce w zapewnianiu ludzkości przyjaznych dla środowiska źródeł energii. W przeciwieństwie do wiatru i energii słonecznej, bezpośrednie osmozy mogą pracować przez całą dobę i nie mają na nie wpływu warunki pogodowe.

Globalna rezerwa energii osmozy jest ogromna - roczny zrzut słodkiej wody rzecznej wynosi ponad 3700 kilometrów sześciennych. Jeżeli można wykorzystać tylko 10% tej objętości, wówczas można wytworzyć ponad 1,5 TW / h energii elektrycznej, tj. około 50% konsumpcji w Europie.

Ale nie tylko to źródło może pomóc rozwiązać problem energetyczny. Dzięki wysoce wydajnym membranom można wykorzystać energię głębin oceanu. Faktem jest, że zasolenie wody zależy od temperatury i jest różne na różnych głębokościach.

Korzystając z gradientów temperatury zasolenia, nie można dołączyć do ujść przy budowie stacji, ale po prostu umieścić je w oceanach. Ale to jest zadanie odległej przyszłości. Chociaż praktyka pokazuje, że prognozowanie w technologii jest niewdzięcznym zadaniem. A jutro przyszłość może zapaść na naszą rzeczywistość.