В один прекрасный день 1747 года французский аббат Нолле слил недопитый намедни бордо в свиной мочевой пузырь, доставленный с кухни, и погрузил его в бочонок с водой. Через 262 года, 24 ноября 2009-го, норвежская кронпринцесса Метте-Марит пригубила бокал с шампанским.
Как же связаны эти два события? И Нолле, и принцесса совершили выдающиеся открытия. Аббат первым в мире сумел описать феномен осмоса и базовые свойства мембраны, а Метте-Марит, разрезав символическую ленточку, открыла первую в мире осмотическую электростанцию Statcraft в Тофте. 
О том, чем на самом деле наполнил вошедший в историю свиной пузырь аббат, а по совместительству великий физик-экспериментатор Жан-Антуан Нолле, можно дискутировать. Но наличие воды в обоих сосудах (пузыре и бочке) неоспоримо. Разница состоит лишь в концентрации растворенного в ней спирта. Именно эта разница дала толчок диффузии воды через полупроницаемую мембрану из бочонка в пузырь. По тому, как раздулся пузырь, можно было понять, что явление это рождает весьма значительную однонаправленную силу, которую Нолле назвал осмотическим давлением. А осмос он определил как процесс диффузии растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный.
В наши дни норвежская компания Statcraft, лидер европейского рынка экологически чистой энергетики, нашла способ превратить это давление в электричество.
Новая технология — единственная, способная извлекать джоули из естественной разницы содержания минеральных солей в пресной и морской воде, а не из кинетической энергии их движения.
По оценкам норвежцев, мировые ресурсы возобновляемой осмотической энергии составляют от 1,6 до 1,7 тераватт — примерно столько же в 2004 году потребовалось миллиардному Китаю! В отличие от капризного ветра, прибоя и солнца, процессы осмоса не останавливаются ни на секунду 24 часа в сутки круглый год.
Для работы осмотической электростанции не требуются специальные инженерные сооружения: печи, реакторы, плотины, градирни. Первая в мире электростанция на осмосе расположилась в пустующем складе деревоперерабатывающего завода.
Выпить море
Вообще-то явление осмоса используется в промышленных масштабах уже более 40 лет.
Только это не классический прямой осмос аббата Нолле, а так называемый обратный осмос — искусственный процесс проникновения растворителя из концентрированного в разбавленный раствор под действием давления, превышающего естественное осмотическое давление.
Такая технология применяется в опреснительных и очистительных установках с начала 1970-х. Соленая морская вода нагнетается на специальную мембрану и, проходя через ее поры, лишается значительной доли минеральных солей, а заодно бактерий и даже вирусов.
Для прокачивания соленой или загрязненной воды приходится затрачивать большие объемы энергии, но игра стоит свеч — на планете существует множество регионов, где дефицит питьевой воды является острейшей проблемой.
Теоретические разработки в этой области появились еще в начале ХХ века, но для их реализации не хватало главного — подходящей осмотической мембраны.
Такая мембрана должна была выдерживать давление, в 20 раз превышающее давление обычного бытового водопровода, и иметь чрезвычайно высокую пористость.
Создание материалов с подобными свойствами стало возможным после Второй мировой, когда накопленный в ходе военных проектов научный потенциал дал толчок развитию технологий производства синтетических полимеров.
Принципиальная схема Трудно поверить, что одна лишь разница в концентрации двух растворов способна создать серьезную силу, однако это действительно так: осмотическое давление может поднять уровень морской воды на 120 м.
Наиболее значительный прорыв в этой области произошел в 1959 году.
Сидней Лоэб и Шриниваса Суранджан из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали спиральную анизотропную мембрану, способную выдерживать колоссальное давление, эффективно задерживать минеральные соли и механические частицы размером до 5 мкм и главное — обладающую высокой пропускной способностью при минимальных размерах.
Изобретение Лоэба и Суранджана сделало осмотическое опреснение экономически выгодным бизнесом. В начале 1960-х в калифорнийской Коалинге Лоэб построил первую в мире опреснительную станцию на эффекте PRO (Pressure retarded osmosis), а затем перебрался в Израиль, где на средства ЮНЕСКО продолжил свои исследования.
При участии Лоэба в 1967 году в местечке Йотвата была построена опреснительная установка мощностью 150 м³ в сутки, производившая чистую питьевую воду из подземного озера с соленостью, десятикратно превышавшей морскую. Еще через три года технология PRO была защищена американским патентом.
Мембранная лаборатория в Центре NASA им. Эймса уже много лет подряд занимается решением проблемы обеспечения обитателей космических станций питьевой водой. Ученые разработали технологию DOC, комбинирующую два разнонаправленных процесса — прямой и обратный осмос.
При обратном осмосе мембрана работает как фильтр тонкой очистки и требует больших затрат энергии. Прямой осмос, наоборот, производит ее. Каждый из этих процессов по отдельности лишает водные растворы подавляющего количества примесей. В результате получается так называемая серая вода, которую можно использовать для гигиенических целей.
Для того чтобы сделать из серой воды питьевую, раствор проходит этап мембранной очистки без дополнительного нагревания и далее очистку от бактерий и вирусов в подсистеме каталитического окисления. Балансовая энергоемкость DOC достаточно низка для применения в космосе.
Оригинальный способ очистки воды для космических станций представила американская компания Osmotek. Для сбора продуктов жизнедеятельности она предлагает использовать мембранные пакеты наподобие чайных с содержащимся в них активированным углем. Мембрана пропускает наружу лишь воду с незначительным количеством загрязнений.
Этот первичный раствор затем попадает в мембранную камеру со специальным концентрированным субстратом в другой части. Возникающее явление прямого осмоса завершает процесс.
Компания Oasys обещает снизить расход энергии осмотических опреснительных установок ни много ни мало в десять раз. Правда, в данном случае речь идет не об обратном, а о прямом осмосе. И не простом, а модифицированном.
Его суть заключается в наличии на ответной стороне обычной PRO-мембраны патентованного вытягивающего раствора с высоким содержанием аммиака, двуокиси углерода и других химикатов. При контакте двух растворов возникает явление осмоса и происходит очищение исходного сырья от примесей.
Изюминка методики Oasys в том, что поток чистой пресной воды не смешивается с вытягивающим раствором.
Опыты по превращению осмотического давления в электрическую энергию с использованием мембран Лоэба-Суранджана проводились различными научными группами и компаниями с начала 1970-х.
Принципиальная схема этого процесса была очевидной: поток пресной (речной) воды, проникающий сквозь поры мембраны, наращивает давление в резервуаре с морской водой, тем самым позволяя раскручивать турбину. Затем отработанная солоноватая вода выбрасывается в море.
Проблема была лишь в том, что классические мембраны для PRO были слишком дороги, капризны и не обеспечивали необходимой мощности потока. С мертвой точки дело сдвинулось в конце 1980-х, когда за решение задачи взялись норвежские химики Торлейф Хольт и Тор Торсен из института SINTEF.
Космический размах
Мембраны Лоэба требовали клинической чистоты для поддержания максимальной производительности. Конструкция мембранного модуля опреснительной станции предусматривала обязательное наличие первичного фильтра грубой очистки и мощного насоса, сбивавшего мусор с рабочей поверхности мембраны.
Хольт и Торсен, проанализировав характеристики большинства перспективных материалов, остановили свой выбор на недорогом модифицированном полиэтилене.
Их публикации в научных журналах привлекли внимание специалистов из Statcraft, и норвежских химиков пригласили продолжить работу под покровительством энергетической компании. В 2001 году мембранная программа Statcraft получила государственный грант.
На полученные средства была построена экспериментальная осмотическая установка в Сунндальсьоре для тестирования образцов мембран и обкатки технологии в целом. Площадь активной поверхности в ней была чуть выше 200 м².
Не стенка, а обои На схематичных изображениях осмотическую мембрану рисуют в виде стенки. На самом деле она представляет собой рулон, заключенный в цилиндрический корпус. В его многослойной структуре чередуются слои пресной и соленой воды. Поперечный разрез демонстрирует, как организованы
потоки воды внутри осмотического цилиндра. Чем больше
таких модулей установят на станции, тем больше энергии
она сможет вырабатывать.
Для ускорения процесса в команду были приглашены инженеры из специализированной мембранной лаборатории NASA. Дело в том, что еще со времен подготовки к лунной программе Apollo при Центре NASA им.
Эймса проводились глубокие исследования технологий опреснения и очистки водных растворов. Опыт американцев пришелся как нельзя кстати, и к 2008 году у Statcraft появились первые образцы спиральных полиимидных мебран для будущих осмотических электростанций.
Их производительность составила 1 Вт на 1 м² при диффузии 10 л пресной воды в секунду под давлением 10 бар.
На станции в Тофте работают именно такие мембранные модули общей площадью 2000 м². Для выработки 4кВт этого вполне достаточно, но для полноценной 25-мегаваттной станции потребовалось бы аж 5 млн квадратов. Разумеется, мембраны для осмотических электростанций должны быть гораздо эффективнее нынешних.
Стайн Эрик Скиллхаген, вице-президент Statcraft, курирующий программу, утверждает, что сейчас компания тестирует спиральные образцы из полых волокон производительностью 3 Вт/м2, а к 2015 году появятся плоские 5-ваттные мембраны.
Кроме того, норвежцы внимательно изучают сторонние разработки в этой области и активно сотрудничают со специалистами из General Electric, Hydranautics, Dow и японской Toray.
Голландская батарейка В Голландии каждую секунду в соленое море низвергается 3300 кубометров речной воды. Ученые подсчитали, что ее суммарный энергетический потенциал составляет 4,5*109 Вт. Исследователи из KEMA также намерены выловить хотя бы часть энергии из этой бездонной бочки, но без лишней, по их мнению, механики. И такая возможность существует. Пока — в виде экспериментальной установки обратного электродиализа RED (reverse electrodialysis). В ней также используются морская и пресная вода, разделенные полупроницаемыми границами. Вот только мембран здесь две, и они выполняют роль электродов. Ведь RED — это батарея, работающая благодаря разнице в концентрациях ионов в двух средах. Эта разница и создает слабое напряжение на поверхности анодной и катодной мембран. Если из них собрать пакет, то вольтаж получится весьма ощутимым. Например, батарейка размером со стандартный морской контейнер выдает почти 250 кВт. KEMA с 2006 года эксплуатирует маленькую 50-киловаттную установку в Харлингене. На ней тестируются способы очистки и предотвращения загрязнения мембран биоматериалом. Клиническая чистота — критически важный фактор эффективной работы системы.
Кстати, мембрана для прямого осмоса — это не тонкая стенка, которую рисуют на упрощенных схемах, а длинный рулон, заключенный в цилиндрический корпус. Соединения с корпусом сделаны таким образом, что во всех слоях рулона с одной стороны мембраны всегда находится пресная вода, а с другой- морская.
Энергия глубин
Разница между соленостью (по-научному — градиент солености) пресной и морской воды — базовый принцип работы осмотической электростанции.
Чем она больше, тем выше объем и скорость потока на мембране, а следовательно, и количество энергии, вырабатываемой гидротурбиной.
В Тофте пресная вода самотеком поступает на мембрану, в результате осмоса давление морской воды по ту сторону резко возрастает. Силища у осмоса колоссальная — давление может поднять уровень морской воды на 120 м.
Далее полученная разбавленная морская вода устремляется через распределитель давления на лопатки турбины и, отдав им всю свою энергию, выбрасывается в море. Распределитель давления отбирает часть энергии потока, раскручивая насосы, закачивающие морскую воду.
Таким образом удается значительно повысить эффективность работы станции. По оценке Рика Стовера, главного технолога компании Energy Recovery, производящей такие устройства для опреснительных заводов, КПД передачи энергии в распределителях приближается к 98%.
Точно такие же аппараты при опреснении помогают доставлять питьевую воду в жилые дома.
Как замечает Скиллхаген, в идеале осмотические электростанции нужно совмещать с опреснительными установками — соленость остаточной морской воды в последних в 10 раз выше естественного уровня. В таком тандеме эффективность выработки энергии возрастет не менее чем вдвое.
Строительные работы в Тофте начались осенью 2008 года. На территории завода по производству целлюлозы компании Sódra Cell был арендован пустующий склад.
На первом этаже устроили каскад сетчатых и кварцевых фильтров для очистки речной и морской воды, а на втором — машинный зал. В декабре того же года был осуществлен подъем и монтаж мембранных модулей и распределителя давления.
В феврале 2009-го группа водолазов проложила по дну залива два параллельных трубопровода — для пресной и морской воды.
Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 м — в этом слое ее соленость оптимальна. Кроме того, там она значительно чище, чем у поверхности. Но, несмотря на это, мембраны станции требуют регулярной чистки от забивающих микропоры органических остатков.
С апреля 2009 года электростанция эксплуатировалась в пробном режиме, а в ноябре, с легкой руки принцессы Метте-Марит, была запущена на всю катушку. Скиллхаген уверяет, что вслед за Тофте у Statcraft появятся и другие аналогичные, но более совершенные проекты. И не только в Норвегии.
По его словам, подземный комплекс размером с футбольное поле способен бесперебойно снабжать электричеством целый город с 15 000 индивидуальных домов. Причем, в отличие от ветряков, такая осмотическая установка практически бесшумна, не изменяет привычный ландшафт и не влияет на здоровье человека.
А о пополнении запасов соленой и пресной воды в ней позаботится сама природа.
Осмотическая электростанция
Осмотические электростанции (ОЭС) имеют отношение к альтернативной экологически чистой энергетике и находятся на стадии внедрения. Осмотическая электростанция – это гидроэлектростанция, основанная на смешивании солёной и пресной воды через полупроницаемую мембрану, т. е. на процессе осмоса.
Осмос – это вид давления, играющий важную роль во многих естественных процессах, где регулируются концентрации веществ, например в экологии водоёмов. Людьми явление осмоса применяется в различных фильтрационных установках. Осмотическая электростанция по эффективности находится ниже солнечных батарей, ветрогенераторов, биотопливных станций, но выше приливных гидроэлектростанций.
Принцип работы осмотической электростанции.
ОЭС имеет резервуары с солёной морской водой и с пресной водой. Резервуары разделены полупроницаемой мембраной (на рисунке обозначена буквой М), которая пропускает только воду. Как известно солей в морской воде (на рисунке это левый отсек резервуарв W2) больше, чем в пресной воде.
Молекулы пресной воды стремятся туда, где концентрация соли больше, при этом в резервуаре с морской водой объём жидкости увеличивается. Мембрана задерживает соли. Непрерывный поток через мембрану пресной воды в сторону солёной образует избыточное давление P в отсеке с морской водой.
Отводимая вода из морского резервуара приводит в действие гидротурбину (на рисунке ниже обозначена цифрой 6), вырабатывающую энергию.
При концентрации соли в 35 г/литр путём осмоса создается перепад давления 2389464 Паскаля или примерно 24 атмосферы — это соответствует плотине высотой в 240 м.
Сила давления зависит от площади мембраны. Важными также являются селективность и проницаемость мембран.
История развития осмотической электростанции.
Идея производства энергии с использованием осмоса появилась в 70-х годах прошлого века, но тогда мембраны ещё не обладали достаточной эффективностью. Для выгодного использования осмотической энергии нужно чтобы эффективность мембраны составляла более 5 Вт/м2.
Повышение эффективности мембраны — это главная задача сейчас. На сегодняшний день отрабатываются технологии и испытываются материалы для мембран. Первый в мире прототип солевого генератора был запущен в Норвегии госэнергокомпанией Statkraft в 2009 году.
Мощность этой электростанции – 5 кВт – это по прежнему очень мало, но первые шаги уже сделаны. На норвежской ОЭС использована спиральная мембрана из модифицированной полиэтиленовой плёнки на керамической основе, изобретённой в 80-х годах норвежскими учёными.
В качестве материала для мембраны также рассматриваются углеродные нанотрубки и ещё более эффективные графеновые плёнки.
Преимущества осмотической электростанции:
- Игнорирование климатических условий — ветра и солнца. Это выгодно отличает осмотическую от солнечной, ветровой или приливной электростанций
- Не угрожает парниковыми газами, не создаёт выброса токсичных веществ
- Ресурсы, затраченные на работу электростанции возобновляемы
- Дешёвое сырьё
- Производит постоянное предсказуемое количество энергии
Недостаток осмотической электростанции заключается в том, что её возможно использовать лишь на морских побережьях. Невозможность повсеместного её использования объясняется отсутствием одновременно в одном месте и солёной и пресной воды.
Осмотическая электростанция: чистая энергия соленой воды — 2
Прорыв в применении осмотических мембран наступил в конце 80-х годов, когда норвежские эксперты Хольт а также Торсен предложили употреблять измененную полиэтиленовую пленку на глиняной базе. Улучшение структуры доступного целофана позволило сотворить конструкцию спиральных мембран, подходящих для применения в производстве осмотической энергии. Для испытания технологии получения энергии от результата осмоса в 2009 году была построена а также запущена 1-ая в мире экспериментальная осмотическая электростанция.
Норвежская энергетическая фирма Statkraft, получив муниципальный грант, а также затратив наиболее 20 млн. баксов, стала пионером в новоиспеченом облике энергетики.
Построенная осмотическая электростанция производит возле 4 кВт мощности, которой хватает для работы … 2-ух электро чайников.
Только цели постройки станции еще серьезней: ведь проработка технологии а также проверка в настоящих критериях материалов для мембран раскрывают путь к творенью существенно наиболее массивных сооружений.
Коммерческая привлекательность станций наступает с отдачи съема мощности наиболее 5 Вт с квадратного метра мембран. На норвежской станции в Тофте это смысл едва превосходит 1 Вт/м2. Только теснее сейчас испытываются мембраны с отдачей 2,4 Вт/м2, а к 2015 году ожидается приобретение рентабельного смысла 5 Вт/м2.
Осмотическая электростанция в Тофте
Однако имеется обнадеживающая информация из исследовательского центра Франции. Работая с материалами на базе углеродных нанотрубок, эксперты получили на образчиках отдача отбора энергии осмоса возле 4000 Вт/м2. А это теснее никак не элементарно прибыльно, а превосходит отдача фактически всех обычных источников энергии.
Еще больше впечатляющие виды обещает использование графеновых пленок. Диафрагма шириной в один ядерный слой делается вполне проницаема для молекул воды, удерживая при всем этом всевозможные остальные примеси. Отдача такового материала может превосходить 10 кВт/м2. В гонку сообразно творению мембран высочайшей отдачи врубились ведущие компании Японии а также Америки.
Ежели удастся в течении наиблежайшего десятилетия постановить делему мембран для осмотических станций, то свежеиспеченный родник энергии одолжит ведущее село в обеспечении человечества экологически чистыми энергоносителями. В сравнение от энергии ветра а также солнца, установки прямого осмоса имеют все шансы действовать круглые день а также никак не зависят от погодных критерий.
Осмотическая электростанция
Первая в мире осмотическая электростанция
Осмотическая электростанция — стационарная энергетическая установка, основанная на принципе диффузии жидкостей (осмос).
Первая и единственная, на данный момент в мире, осмотическая электростанция построена компанией Statkraft (en:Statkraft) в норвежском городке Тофте (коммуна Хурум), на территории целлюлозно-бумажного комбината «Södra Cell Tofte»[1][2].
Строительство электростанции обошлось в 20 миллионов долларов и 10 лет, проведенных в исследованиях и разработке технологии. Эта электростанция пока вырабатывает очень мало энергии: примерно 2—4 киловатта.
Впоследствии планируется увеличить выработку энергии до 10 киловатт[1].
На данный момент электростанция имеет вид экспериментальной, но в случае успешного завершения испытаний, станция будет запущена для коммерческого использования.
Принцип действия
Схематическое строение станции
Осмотическая электростанция берёт под контроль смешивание солёной и пресной воды, тем самым извлекает энергию из увеличивающейся энтропии жидкостей. Смешивание проходит в резервуаре, который разделен на два отсека полупроницаемой мембраной. В один отсек подается морская вода, а в другой пресная. За счёт разной концентрации солей в морской и пресной воде, молекулы воды из пресного отсека, стремясь выровнять концентрацию соли, переходят через мембрану в морской отсек. В результате этого процесса в отсеке с морской водой формируется избыточное давление, которое в свою очередь используется для вращения гидротурбины, вырабатывающей электроэнергию.
Преимущества и недостатки технологии
Преимущества
- В отличие от ветра и солнца, предоставляется непрерывный возобновляемый источник энергии, с незначительными сезонными колебаниями.
- Отсутствует парниковый эффект.
Недостатки
- У текущей мембраны показатель составляет 1 Вт/м². Показатель, который позволит сделать станции рентабельными — 5 Вт/м². В мире есть несколько компаний, производящих подобные мембраны (General Electric, Dow Chemical, Hydranautics, Toray Industries), но устройства для осмотической станции должны быть гораздо тоньше производимых сейчас.
- Осмотическая электростанция может использоваться только в устьях рек, где пресная вода вливается в солёную.
Потенциал и перспективы осмотической энергетики
- Компания Statkraft оценивает потенциал данного типа энергетики в 1600—1700 ТВт*ч. Что составляет около 10 % от всего мирового потребления электроэнергии.[1]
- Примерно через 2-3 года (данные на 2009) планируется создание ещё одной экспериментальной электростанции, мощностью до одного мегаватта.[1]
Примечания
- ↑ 1 2 3 4 Первая осмотическая электростанция заработала в Норвегии
- ↑ Первая в мире осмотическая электростанция открылась в Норвегии
Ссылки
- Сайт Норвежской государственной компании, которая разрабатывала осмотическую электростанцию
См. также
«Двуликая» мембрана позволяет вырабатывать электроэнергию из соленой воды
Китайские ученые заставили работать калькулятор, используя в качестве источника энергии соленую воду. Эффективность специальной мембраны превысила 35%, что превосходит КПД некоторых ветрогенераторов и всех солнечных панелей.
Ранние эксперименты с получением электроэнергии с помощью осмоса чаще всего не выходили за рамки химических лабораторий. Ученые понимали, что в теории создать генератор на основе воды разной солености можно. Для этого два резервуара с соленой и пресной жидкостью нужно разделить полупроницаемой мембраной.
Обычно для выработки электроэнергии требовалась мембрана с крошечными отверстиями — настолько маленькими, что для прохождения жидкости сквозь нее требовалось мощное давление. Адаптировать идею для массового применения исследователям долгое время не удавалось, но решение смогла найти группа ученых из Китая.
Китайские исследователи решили использовать «двуликий» материал, также известный как материал Януса.
С его помощью они создали трехмерную мембрану, каждая из сторон которой обладает разным размером отверстий и разным зарядом.
Такая конструкция позволяет частицам двигаться строго в заданном направлении и не отскакивать назад. Как сообщает Phys.org, общая толщина мембраны доходит до 11 мкм, а диаметр отверстий варьируется от 8 до 17 нм.
Полученная система осмоса генерирует до 2,66 ватт на квадратный метр с КПД 35,7%.
В ходе эксперимента китайские ученые запустили калькулятор, используя в качестве источника энергии воду разной степени солености, разделенную мембраной.
Авторы исследования, опубликованного в Science Advances, подчеркивают, что по эффективности такая система сопоставима с некоторыми ветрогенераторами. А в сравнении с солнечными панелями осмос даже эффективнее.
Исследователи планируют создавать мембраны более крупного размера, которые смогут работать в открытом море. Если устройство докажет эффективность в полевых условиях, то уже через несколько лет системы осмоса будут обеспечивать чистой энергией отдаленные регионы, у которых нет доступа к электричеству.
Подобные проекты уже известны — так в Норвегии в 2009 году компания Statkraft запустила экспериментальную осмотическую электростанцию. Однако проект оказался слишком затратным, поэтому его разработку прекратили в 2013 году.
Усовершенствованные технологии создания мембран открывают новые возможности не только для выработки электроэнергии, но и для опреснения воды. Летом американские ученые представили метод 3D-печати для производства наномембран. Они позволят проводить обратный осмос и опреснять воду дешево и эффективно.
Новый метод позволит добывать до 40% мировой энергии
Узнавай важные новости первым
По мнению учёных из Университета штата Пенсильвания, их разработка в перспективе сможет удовлетворить до 40% мировой потребности в электроэнергии. Новая технология представляет собой дальнейшее развитие существующих способов получения энергии в результате взаимодействия солёной и пресной воды.
Один из самых известных методов энергодобычи за счёт использования морской и речной воды реализован с помощью осмотической электростанции. В резервуаре, который разделён на два отсека специальной мембраной, происходит процесс контролируемого осмоса — односторонней диффузии пресной воды в морскую.
За счёт разницы в концентрации солей молекулы воды из «речного» отсека стремятся переместиться сквозь мембрану в «морской» отсек.
В результате в отсеке с солёной водой формируется избыточное давление, которое, повышая уровень жидкости, используется для вращения гидротурбины, вырабатывающей электроэнергию.
В 2009 году была запущена первая и пока единственная в мире осмотическая электростанция, принадлежащая норвежской госкорпорации Statkraft. Она расположена в деревушке Тофте на берегу Северного моря. Комплекс стоимостью более 20 млн долларов строили в течение 10 лет.
В тестовом режиме станция производила от двух до четырёх киловатт энергии. Из-за низкой эффективности и туманных перспектив Statkraft отказалась от дальнейшего развития проекта.
Специалисты Университета штата Пенсильвания считают, что основная проблема осмотической электростанции — её мембраны, поры которых быстро закупориваются из-за микроорганизмов и взвешенных в воде частиц.
Существует и другой способ получения энергии за счёт взаимодействия солёной и пресной воды — обратный электродиализ. Он заключается в использовании мембран, сквозь которые под действием электрического поля проходят ионы растворённого вещества — хлорида натрия. Проблема загрязнения мембран отпадает сама собой, но КПД такой установки ещё ниже, чем в предыдущем случае.
Третья известная технология — CapMix — похожа на предыдущую, только вместо мембран используются электроды, один из которых погружается в морскую воду, а другой — в речную. Этот метод на данный момент работает только в лабораторных условиях и не позволяет генерировать достаточную мощность.
Исследователям из Университета штата Пенсильвания удалось создать гибридный метод, объединяющий в себе достоинства обратного электродиализа и технологии CapMix. Через специальную ячейку, разделённую ионообменной мембраной, пропускают два потока воды — из моря и из реки.
При этом в оба канала погружены электроды, а солёная и пресная вода постоянно меняются местами за счёт перенаправления их потоков, тем самым перезаряжая ячейку.
Этот метод позволяет снимать 12,9 Вт мощности с одного квадратного метра рабочей поверхности, в то время как обратный электродиализ даёт лишь 2,9 Вт, а осмос — 9,2 Вт.
Учёные считают, что применение этой технологии в будущем позволит значительно снизить долю энергии, получаемой из традиционных источников, что, в свою очередь, окажет положительный эффект на экологическую обстановку. В настоящее время они продолжают исследования, пытаясь выяснить, как повысить эффективность процесса за счёт других веществ, содержащихся в морской воде.
Осмотическая электростанция
Осмотическая электростанция имеет такое название, потому что работа основана на градиенте солености пресной и морской воды. Чем больше градиент, тем больше вырабатывается энергии. Осмос обладает огромной силой, давление, которое создается, может породить водяной столб высотой до 120 метров.
Первая в мире осмотическая электростанция была построена в Норвегии в 2009 году. На разработку и реализацию этой идеи ученые потратили 10 лет. Использование энергии соли сейчас очень перспективно.
Электростанции этого типа основаны на физическом явлении – осмос.
Это процесс диффузии в более концентрированный раствор менее концентрированного раствора.
Данные электростанции используют разный уровень концентрации соли в морской и пресной воде.
Принцип работы электростанции.
Вся электростанция представляет собой камеру, разделенную полупроницаемой мембраной. В одну часть камеры закачивается соленая вода, а в другую пресная.
Молекулы пресной воды начинают стремиться в сторону части камеры, где морская вода, потому что там концентрация соли намного выше. В части камеры с морской водой увеличивается объем, а с ним создается давление. Это давление и есть осмотическим. Осмотическое давление воздействует на гидротурбину.
Она начинает вращаться и приводит в действие электрогенератор, а он уже начинает вырабатывать электроэнергию.
Проблема мембран.
Основой эффективности осмотических электростанций есть мембрана. Мембрана представляет собой не прямую перегородку, а длинный рулон в цилиндрическом корпусе. Первые использовавшиеся мембраны были мембраны Лоэба-Суранджана. Но использование этой мембраны долго не давало положительных результатов.
Она требовала абсолютно чистой воды. Поэтому камеру с водой нужно было снабдить системой глубокой очистки. В такую систему входил первичный фильтр грубой очистки, а затем каскад других фильтров, и мощный насос который очищает поверхность мембраны. И еще один фактор, который повлиял на использование такой мембраны это ее большая стоимость.
Команда ученых, проанализировав существующие на сегодняшний день материалы, пришла к выводу, что изготовление их из модифицированного полиэтилена будет намного эффективнее. Это был настоящий прорыв, который открыл будущее осмотической энергетике.
По состоянию на 2015 год, мембраны, которые используются на норвежской электростанции, должны были вырабатывать до 5Ват/м2. Сейчас ведутся работы по разработке новых более эффективных мембран. Применение материала, в основе которого нанотрубки, дает возможность получать с 1м2 до 4 кВт.
Этот результат во много раз превышает эффективность традиционных источников энергии. А использование графеновой пленки по эффективности равен 10 кВт/м2.
Мировой запас осмоса очень большой. Использование 10% его, могло бы обеспечить половину Европы электроэнергией, а это 1,5 ТВт/часов. Осмотические электростанции абсолютно экологичные и не зависят от климатических или погодных условий.
И главное топлива для генерации всегда в избытке, так как 94% нашей планеты покрыто водой. Из недостатков можно выделить лишь то, что такую электростанцию можно построить только в устьях рек.
Дальнейшее развитие осмотической электроэнергетики полностью зависит от того будет ли разработана высокоэффективная мембрана с ближайшие 10 лет.
Создан прототип очень мощной осмотической электростанции
Благодаря ультратонкой мембране из дисульфида молибдена и нанопорам ученые смогли добиться от устройства получения мощности 1 мегаватт.
Ученые из Швейцарии и США создали прототип очень мощной осмотической электростанции. Для выработки электроэнергии они использовали мембрану толщиной всего в три атома и соленую воду. Результаты этой работы опубликованы в Nature, сообщает пресс-служба Эколь политекник в Лозанне (EPFL).
Работа осмотической электростанции основана на явлении осмоса, то есть стремлении жидкостей при смешении уравнять концентрацию растворенных в них соединений.
В данном случае ученые использовали пресную и соленую воду, разделенные мембраной. Ионы соли проникают сквозь мембрану, пока их концентрация в пресной воде по другую сторону мембраны не сравняется.
(Поскольку ионы — это электрически заряженные частицы, их движение используют для выработки электроэнергии.)
Секрет системы, созданной учеными из лаборатории нанобиологии EPFL под руководством Цзяньдун Фэн (Jiandong Feng), — в мембране из дисульфида молибдена, толщиной всего в три атома. В ней проткнута всего одна дырка — нанопора, которая заряжена негативно.
Через нанопору в отсек в пресной водой из отсека с соленой водой проникают позитивно заряженные ионы соли, а их электроны передаются на проводник, чтобы генерировать электроэнергию. Из-за нанопоры в одном отсеке скапливаются положительно заряженные ионы, в другом — отрицательно заряженные.
Возникает напряжение между отсеками, течет электрический ток.
Регулируя размер нанопоры, можно влиять на силу тока либо величину напряжения. Ученым оставалось только подобрать оптимальный диаметр нанопоры, чтобы найти лучшее соотношение тока и напряжения, которое продуцирует наибольшую возможную мощность.
Для проверки устройства ученые использовали молибденовый транзистор. Они рассчитали, что с мембраной площадью 1 кв. метр, покрытой на 30% нанопорами, можно достичь 1 мегаватт энергии.
Этого достаточно, чтобы зажечь 50 тысяч энергосберегающих лампочек. Результат впечатляющий.
Дисульфид молибдена не относится к редким соединениям, а из технических проблем ученые пока видят только одну — сделать как можно более одинаковые нанопоры.
Электростанции, использующие осмос, разрабатываются и уже эксплуатируются в экспериментальном режиме — в Норвегии, Нидерландах, Японии и США, но их производительность оставляет желать лучшего. Поскольку осмотические электростанции — экологически чистые, ученые продолжают их совершенствовать.
Осмотические электростанции можно ставить в устьях рек, впадающих в моря, где пресная воды встречает соленую. См. подробнее об этом в статье «Устье реки как источник энергии». Такие электростанции могут в идеале работать вечно. Авторы работы пророчат своему устройству большие перспективы.
Принцип работы осмотической электростанции