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.

Comments

[#1]

Czy możesz wyjaśnić bardziej szczegółowo mechanikę procesu? A potem ja, podobnie jak babcia, która szczegółowo opowiedziała o zasadzie działania silnika parowego na lokomotywie parowej, a potem ona powiedziała: „Wszystko jest jasne, synu, rozumiesz. Po prostu powiesz mi, gdzie jest zaprzężony koń?” Załóżmy, że zakład oczyszczania odprowadza ścieki po oczyszczeniu na morzu, tj. mamy dwa źródła wody o różnym zasoleniu, ponadto woda morska jest obecna tak, jakby była statyczna, a świeża woda jest stale odprowadzana. Co z tego Powiedzmy, że zorganizowali kolejny zbiornik z membraną pośrodku, w jednej połowie - słodką wodę, w drugiej - coś słonego - słonego ... Więc co? Czy naprawdę zobaczymy, że poziom wody podnosi się o połowę wraz ze słoną wodą? Wydaje się jasne, że można już wykorzystać różnicę poziomów. Ale i tak skomentuj.

[#2]

Ciekawy pomysł ...
Pytanie jednak brzmi - po co ogrodzić ogród z membranami, aby podnieść słoną wodę u ujścia rzeki? Wątpliwe jest, aby energia potencjalna objętości słonej wody podniesiona przez osmozę znacznie przekroczyła energię przepływu rzeki u ujścia ....
Dlaczego bardziej opłaca się tworzyć deltę z osmozą, gdy jest ona już dostępna - słodka woda wpływa do morza z rzeki. ..... Technologia osmozy oferuje blokowanie świeżej wody za pomocą membrany, przez którą ta sama woda przeniknie do słonej wody ... no cóż, i podniesie się do pewnego poziomu w górę ...Jak dodatni bilans energetyczny jest uzyskiwany w układzie z membraną w porównaniu do bezpośredniego wykorzystania energii drenażowej danej objętości wody?

[#3 Jakub]

Elektrownia osmotyczna kontroluje mieszanie soli i świeżej wody, wydobywając w ten sposób energię ze wzrastającej entropii cieczy. Mieszanie odbywa się w zbiorniku, który jest podzielony na dwie części za pomocą półprzepuszczalnej membrany. Woda morska jest dostarczana do jednego przedziału, a świeża do drugiego. Ze względu na różne stężenie soli w wodzie morskiej i słodkiej cząsteczki wody ze świeżego przedziału, próbując wyrównać stężenie soli, przechodzą przez membranę do przedziału morskiego. W wyniku tego procesu w komorze wody morskiej powstaje nadciśnienie, które z kolei służy do obracania elektrowni wytwarzającej hydroturbinę.

[#4]

Chciałbym zobaczyć link do zachęcających informacji, które mówią 4 kW na m ^ 2. Chciałbym wiedzieć, jak zamierzają oczyścić membrany, które w wodzie morskiej natychmiast zatkają się wszelkiego rodzaju zanieczyszczeniami.