Осмотическая сила , сила градиента солености или голубая энергия — это энергия, получаемая за счет разницы в концентрации соли в морской и речной воде . Двумя практическими методами для этого являются обратный электродиализ (RED) и осмос с замедлением давления (PRO). Оба процесса основаны на мембранном осмосе . Основным отходом является солоноватая вода . Этот побочный продукт является результатом использования природных сил: потока пресной воды в моря, состоящие из соленой воды.
В 1954 году Пэттл [1] предположил, что существует неиспользованный источник энергии, когда река смешивается с морем, с точки зрения потери осмотического давления, однако только в середине 70-х годов появился практический метод использования этого источника с использованием выборочного использования. проницаемые мембраны Леба [2] .
Метод получения энергии с помощью осмоса с замедлением давления был изобретен профессором Сиднеем Лебом в 1973 году в Университете Бен-Гуриона в Негеве, Беэр-Шева, Израиль. [3] Идея пришла к профессору Лебу, отчасти, когда он наблюдал за рекой Иордан, впадающей в Мертвое море. Он хотел собрать энергию смешивания двух водных растворов (реки Иордан и Мертвого моря), которая тратилась впустую в этом естественном процессе смешивания. [4] В 1977 году профессор Леб изобрел метод производства энергии с помощью теплового двигателя с обратным электродиализом. [5]
Технологии подтверждены в лабораторных условиях. Они разрабатываются для коммерческого использования в Нидерландах (RED) и Норвегии (PRO). Препятствием была стоимость мембраны. Новая, более дешевая мембрана на основе электрически модифицированного полиэтилена сделала ее пригодной для потенциального коммерческого использования. [6] Другие методы были предложены и в настоящее время находятся в стадии разработки. Среди них метод, основанный на технологии двухслойных электрических конденсаторов [7] и метод, основанный на разности давлений паров . [8]
Энергия градиента солености — это особая альтернатива возобновляемой энергии , которая создает возобновляемую и устойчивую энергию за счет использования естественных процессов. Эта практика не загрязняет и не выделяет выбросы углекислого газа (CO 2 ) (методы давления пара будут выделять растворенный воздух, содержащий CO 2 , при низких давлениях - эти неконденсирующиеся газы, конечно, можно повторно растворить, но с энергетическими потерями). Также, как заявили Джонс и Финли в своей статье «Недавние разработки в области градиента солености», топливо практически не требует затрат.
Энергия градиента солености основана на использовании ресурсов «разницы осмотического давления между пресной и морской водой». [9] Вся энергия, которую предлагается использовать в технологии градиента солености, основана на испарении для отделения воды от соли. Осмотическое давление — это «химический потенциал концентрированных и разбавленных растворов солей». [10] Если посмотреть на взаимосвязь между высоким и низким осмотическим давлением, то растворы с более высокими концентрациями соли имеют более высокое давление.
Существуют различные способы генерации энергии в градиенте солености, но одним из наиболее часто обсуждаемых является осмос с задержкой давления (PRO). В PRO морская вода закачивается в напорную камеру, где давление ниже разницы между давлением пресной и соленой воды. Пресная вода перемещается в полупроницаемую мембрану и увеличивает свой объем в камере. Поскольку давление в камере компенсируется, турбина вращается и вырабатывает электроэнергию. В статье Брауна он утверждает, что этот процесс легко понять в более подробном виде. Два раствора: А — соленая вода и Б — пресная вода, разделены мембраной. Он утверждает, что «только молекулы воды могут проходить через полупроницаемую мембрану. В результате разницы осмотического давления между обоими растворами вода из раствора B, таким образом, будет диффундировать через мембрану, чтобы разбавить раствор A». [11] Давление приводит в движение турбины и приводит в действие генератор, производящий электроэнергию. Осмос можно использовать непосредственно для «перекачивания» пресной воды из Нидерландов в море. В настоящее время это делается с помощью электрических насосов.
Исследование эффективности, проведенное в Йельском университете в 2012 году, пришло к выводу, что максимальная экстрагируемая работа в PRO с постоянным давлением с раствором для забора морской воды и раствором для подачи речной воды составляет 0,75 кВтч/м 3 (2,7 кДж/л), а свободная энергия смешивания составляет 0,81 кВтч. /м 3 (2,9 кДж/л) — термодинамическая эффективность экстракции 91,0%. [12]
Хотя механика и концепции мощности градиента солености все еще изучаются, источник энергии был реализован в нескольких разных местах. Большинство из них являются экспериментальными, но до сих пор они были преимущественно успешными. Различные компании, которые использовали эту возможность, также делали это по-разному, поскольку существует несколько концепций и процессов, которые используют силу градиента солености.
Один из методов использования энергии градиента солености называется осмос с задержкой давления . [13] В этом методе морская вода закачивается в камеру высокого давления, давление которой ниже разницы давлений соленой и пресной воды. Пресная вода также закачивается в камеру высокого давления через мембрану, которая увеличивает как объем, так и давление камеры. Когда разница давлений компенсируется, турбина вращается, обеспечивая кинетическую энергию. Этот метод специально изучается норвежской коммунальной компанией Statkraft , которая подсчитала, что в результате этого процесса в Норвегии можно будет получить до 2,85 ГВт. [14] Компания Statkraft построила первый в мире прототип PRO-электростанции во фьорде Осло, которую открыла норвежская принцесса Метте-Марит [15] 24 ноября 2009 года. Ее цель заключалась в выработке достаточного количества электроэнергии для освещения и обогрева небольшого городка в пределах Осло. пять лет методом осмоса. Поначалу он производил всего лишь 4 киловатта — достаточно, чтобы нагреть большой электрический чайник, но к 2015 году цель составила 25 мегаватт — столько же, сколько небольшая ветряная электростанция. [16] Однако в январе 2014 года Statkraft объявил об отказе от продолжения этого пилотного проекта. [17] Статкрафт обнаружил, что при существующей технологии солевой градиент не был достаточно высоким, чтобы быть экономически выгодным, с чем согласились другие исследования. [18] Более высокие градиенты соли можно обнаружить в геотермальных рассолах и рассолах опреснительных установок, [19] а датская компания SaltPower в настоящее время строит свою первую коммерческую установку с рассолом высокой солености. [20] Возможно, существует больший потенциал в интеграции осмоса с замедленным давлением в качестве рабочего режима обратного осмоса, а не в качестве отдельной технологии. [21]
Второй разрабатываемый и изучаемый метод — это обратный электродиализ или обратный диализ, который по сути представляет собой создание солевой батареи. Этот метод был описан Вайнштейном и Лейтцем как «множество чередующихся анионных и катионообменных мембран, которые можно использовать для генерации электроэнергии из свободной энергии речной и морской воды».
Технология, связанная с этим типом энергии, все еще находится на начальной стадии, хотя принцип был открыт в 1950-х годах. Стандарты и полное понимание всех способов использования градиентов солености — важные цели, к которым следует стремиться, чтобы сделать этот чистый источник энергии более жизнеспособным в будущем.
Третий метод – это емкостной метод Дориано Броджиоли [7] , который является относительно новым и до сих пор был протестирован только в лабораторных масштабах. С помощью этого метода энергия может быть извлечена из смешивания соленой и пресной воды путем циклической зарядки электродов , контактирующих с соленой водой, с последующим разрядом в пресную воду. Поскольку количество электрической энергии, необходимой на этапе зарядки, меньше, чем количество электрической энергии, получаемой на этапе разрядки, каждый завершенный цикл эффективно производит энергию. Интуитивное объяснение этого эффекта состоит в том, что большое количество ионов в соленой воде эффективно нейтрализует заряд на каждом электроде, образуя тонкий слой с противоположным зарядом очень близко к поверхности электрода, известный как двойной электрический слой . Следовательно, напряжение на электродах остается низким на этапе зарядки, и зарядка происходит относительно легко. Между этапами зарядки и разрядки электроды контактируют с пресной водой. После этого становится меньше ионов, способных нейтрализовать заряд на каждом электроде, поэтому напряжение на электродах увеличивается. Таким образом, последующий этап разряда способен передать относительно большое количество энергии. Физическое объяснение состоит в том, что в электрически заряженном конденсаторе существует электрическая сила взаимного притяжения между электрическим зарядом на электроде и ионным зарядом в жидкости. Чтобы оторвать ионы от заряженного электрода, осмотическое давление должно совершить работу . Эта проделанная работа увеличивает электрическую потенциальную энергию в конденсаторе. Электронное объяснение состоит в том, что емкость является функцией плотности ионов. Вводя градиент солености и позволяя некоторым ионам диффундировать из конденсатора, это уменьшает емкость, и поэтому напряжение должно увеличиваться, поскольку напряжение равно отношению заряда к емкости.
Оба эти метода не используют мембраны, поэтому требования к фильтрации не так важны, как в схемах PRO и RED.
Аналогично открытому циклу преобразования тепловой энергии океана (OTEC). Недостатком этого цикла является громоздкая проблема, связанная с турбиной большого диаметра (более 75 метров), работающей при давлении ниже атмосферного для извлечения энергии между водой с меньшей соленостью и водой с большей соленостью.
В целях осушения воздуха в водораспылительной абсорбционной холодильной системе водяной пар растворяется в расплывающейся смеси соленой воды, используя осмотическую силу в качестве промежуточного звена. Первичный источник энергии возникает из-за температурной разницы как часть термодинамического цикла теплового двигателя .
На калийной шахте Эдди в Нью-Мексико технология под названием « Солнечный пруд с градиентом солености » (SGSP) используется для обеспечения энергии, необходимой руднику. Этот метод не использует осмотическую энергию , а только солнечную энергию (см.: солнечный пруд ). Солнечный свет, достигающий дна пруда с соленой водой, поглощается в виде тепла. Эффект естественной конвекции , при котором «тепло поднимается», блокируется за счет разницы плотности между тремя слоями, составляющими пруд, для удержания тепла. Верхняя зона конвекции — это самая верхняя зона, за ней следует зона стабильного градиента, а затем нижняя термическая зона. Зона стабильного градиента является наиболее важной. Соленая вода в этом слое не может подняться в более высокую зону, потому что соленая вода выше имеет более низкую соленость и, следовательно, менее плотную и более плавучую; и он не может опуститься на нижний уровень, потому что соленая вода более плотная. Эта средняя зона, зона стабильного градиента, фактически становится «изолятором» для нижнего слоя (хотя основная цель — блокировать естественную конвекцию, поскольку вода — плохой изолятор). Эта вода из нижнего слоя, зоны хранения, откачивается, а тепло используется для производства энергии, обычно с помощью турбины в органическом цикле Ренкина . [22]
Теоретически солнечный пруд можно использовать для выработки осмотической энергии, если испарение солнечного тепла используется для создания градиента солености, а потенциальная энергия этого градиента солености используется напрямую с использованием одного из первых трех методов, описанных выше, например, емкостного метода. .
Исследовательская группа построила экспериментальную систему с использованием нитрида бора, которая производила гораздо большую мощность, чем прототип Статкрафта. В нем использовалась непроницаемая и электроизолирующая мембрана, пронизанная одной нанотрубкой из нитрида бора с внешним диаметром в несколько десятков нанометров. С помощью этой мембраны, разделяющей резервуар с соленой водой и резервуар с пресной водой, команда измерила электрический ток, проходящий через мембрану, с помощью двух электродов, погруженных в жидкость по обе стороны от нанотрубки.
Результаты показали, что устройство способно генерировать электрический ток порядка наноампера. Исследователи утверждают, что это в 1000 раз превышает выход других известных методов сбора осмотической энергии и делает нанотрубки из нитрида бора чрезвычайно эффективным решением для сбора энергии градиентов солености для получения полезной электроэнергии.
Команда заявила, что мембрана площадью 1 квадратный метр (11 квадратных футов) может генерировать около 4 кВт и способна вырабатывать до 30 МВтч в год. [23]
На осеннем собрании Общества исследования материалов 2019 года команда из Университета Рутгерса сообщила о создании мембраны, содержащей около 10 миллионов БННТ на кубический сантиметр. [24] [25]
В Университете штата Пенсильвания доктор Логан пытается использовать отходящее тепло с низкой калорийностью, используя тот факт, что бикарбонат аммония разлагается на NH 3 и CO 2 в теплой воде, чтобы снова образовать бикарбонат аммония в холодной воде. Таким образом, в закрытой системе, производящей RED-энергию, сохраняются два разных градиента солености. [26]
Морская и речная среда имеют очевидные различия в качестве воды, а именно в солености. Каждый вид водных растений и животных приспособлен к выживанию в морской, солоноватой или пресноводной среде. Есть виды, которые могут переносить и то, и другое, но эти виды обычно лучше всего себя чувствуют в определенной водной среде. Основным отходом технологии градиента солености является солоноватая вода. Сброс солоноватой воды в окружающие воды, если он производится в больших количествах и с какой-либо регулярностью, вызовет колебания солености. Хотя некоторые колебания солености являются обычным явлением, особенно там, где пресная вода (реки) все равно впадает в океан или море, эти колебания становятся менее важными для обоих водоемов с добавлением солоноватой сточной воды. Экстремальные изменения солености в водной среде могут привести к обнаружению низкой плотности как животных, так и растений из-за непереносимости внезапных резких падений или скачков солености. [27] Согласно преобладающим мнениям экологов, возможность этих негативных последствий должна учитываться операторами будущих крупных предприятий голубой энергетики.
Воздействие солоноватой воды на экосистемы можно свести к минимуму, откачивая ее в море и выпуская в средний слой, подальше от поверхностных и донных экосистем.
Столкновение и унос водозаборных сооружений вызывают беспокойство из-за больших объемов речной и морской воды, используемых как в схемах PRO, так и в RED. Разрешения на строительство водозабора должны соответствовать строгим экологическим нормам, а для получения разрешения опреснительные установки и электростанции, использующие поверхностные воды, иногда обращаются к различным местным, государственным и федеральным агентствам, что может занять до 18 месяцев.
