Осмотическая энергия , энергия градиента солености или синяя энергия — это энергия, получаемая из разницы в концентрации соли между морской и речной водой . Двумя практическими методами для этого являются обратный электродиализ (RED) и осмос с замедлением под давлением (PRO). Оба процесса основаны на осмосе с мембранами . Основным отходом является солоноватая вода . Этот побочный продукт является результатом использования природных сил: потока пресной воды в моря, которые состоят из соленой воды.
В 1954 году Паттл [1] предположил, что при смешивании реки с морем существует неиспользованный источник энергии, выражающийся в потере осмотического давления. Однако лишь в середине 70-х годов Лёб [2] предложил практический метод его использования с использованием селективно проницаемых мембран.
Метод получения энергии с помощью осмосов с замедлением давления был изобретен профессором Сиднеем Лёбом в 1973 году в Университете Бен-Гуриона в Негеве, Беэр-Шева, Израиль. [3] Идея пришла профессору Лёбу, отчасти, когда он наблюдал за рекой Иордан, впадающей в Мертвое море. Он хотел собрать энергию смешивания двух водных растворов (река Иордан была одним, а Мертвое море — другим), которая тратилась впустую в этом естественном процессе смешивания. [4] В 1977 году профессор Лёб изобрел метод получения энергии с помощью обратного электродиализного теплового двигателя. [5]
Технологии были подтверждены в лабораторных условиях. Они разрабатываются для коммерческого использования в Нидерландах (RED) и Норвегии (PRO). Стоимость мембраны была препятствием. Новая, более дешевая мембрана на основе электрически модифицированного полиэтиленового пластика сделала ее пригодной для потенциального коммерческого использования. [6] Были предложены и другие методы, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Среди них метод, основанный на технологии электрического двухслойного конденсатора [7] и метод, основанный на разнице давления паров . [8]
Энергия градиента солености — это особая альтернатива возобновляемой энергии , которая создает возобновляемую и устойчивую энергию с использованием естественных процессов. Эта практика не загрязняет и не выделяет выбросы углекислого газа (CO2 ) (методы давления пара будут выделять растворенный воздух, содержащий CO2, при низком давлении — эти неконденсирующиеся газы, конечно, могут быть повторно растворены, но с энергетическим штрафом). Также, как заявили Джонс и Финли в своей статье «Последние разработки в области энергии градиента солености», фактически нет затрат на топливо.
Энергия градиента солености основана на использовании ресурсов «разницы осмотического давления между пресной и морской водой». [9] Вся энергия, которая предлагается для использования технологии градиента солености, основана на испарении для отделения воды от соли. Осмотическое давление — это «химический потенциал концентрированных и разбавленных растворов соли». [10] При рассмотрении отношений между высоким осмотическим давлением и низким, растворы с более высокой концентрацией соли имеют более высокое давление.
Существуют различные методы генерации электроэнергии с использованием градиента солености, но одним из наиболее часто обсуждаемых является осмос с задержкой под давлением (PRO). В PRO морская вода закачивается в камеру давления, где давление ниже разницы между давлением пресной и соленой воды. Пресная вода движется в полупроницаемой мембране и увеличивает свой объем в камере. Поскольку давление в камере компенсируется, турбина вращается, вырабатывая электроэнергию. В статье Брауна он утверждает, что этот процесс легко понять в более разрозненном виде. Два раствора, A — соленая вода и B — пресная вода, разделены мембраной. Он утверждает, что «только молекулы воды могут пройти 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 действие турбины и питает генератор, который вырабатывает электроэнергию. Осмос можно использовать напрямую 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 извлекаемая работа в PRO постоянного давления с раствором для забора морской воды и раствором для подачи речной воды составляет 0,75 кВт·ч/м 3 (2,7 кДж/л), тогда как свободная энергия смешивания составляет 0,81 кВт·ч/м 3 (2,9 кДж/л) — термодинамическая эффективность извлечения составляет 91,0%. [12]
Хотя механика и концепции градиента солености все еще изучаются, источник энергии был реализован в нескольких разных местах. Большинство из них экспериментальные, но до сих пор они были преимущественно успешными. Различные компании, которые использовали эту энергию, также делали это многими разными способами, поскольку существует несколько концепций и процессов, которые используют энергию градиента солености.
Один из методов использования энергии градиента солености называется осмосом с задержкой давления . [13] В этом методе морская вода закачивается в камеру давления, которая находится под давлением ниже разницы между давлениями соленой и пресной воды. Пресная вода также закачивается в камеру давления через мембрану, что увеличивает как объем, так и давление камеры. Поскольку разница давлений компенсируется, турбина вращается, обеспечивая кинетическую энергию. Этот метод специально изучается норвежской коммунальной службой Statkraft , которая подсчитала, что этот процесс может дать до 2,85 ГВт в Норвегии. [14] Statkraft построила первый в мире прототип электростанции PRO на фьорде Осло, который был открыт принцессой Норвегии Метте-Марит [15] 24 ноября 2009 года. Целью было произвести достаточно электроэнергии для освещения и отопления небольшого города в течение пяти лет с помощью осмоса. Сначала он производил всего 4 киловатта — достаточно, чтобы нагреть большой электрический чайник, но к 2015 году цель была 25 мегаватт — столько же, сколько и небольшая ветровая электростанция. [16] Однако в январе 2014 года Statkraft объявила о том, что не будет продолжать этот пилотный проект. [17] Statkraft обнаружила, что при существующей технологии градиент соли недостаточно высок, чтобы быть экономически выгодным, с чем согласились и другие исследования. [18] Более высокие градиенты соли можно найти в геотермальных рассолах и рассолах опреснительных установок, [19] и датская компания SaltPower сейчас строит свою первую коммерческую установку с рассолом высокой солености. [20] Возможно, есть больший потенциал в интеграции осмоса с замедлением давления в качестве рабочего режима обратного осмоса, а не как отдельной технологии. [21]
Вторым методом, который разрабатывается и изучается, является обратный электродиализ или обратный диализ, который по сути является созданием солевой батареи. Этот метод был описан Вайнштейном и Лейтцем как «массив чередующихся анионообменных и катионообменных мембран, которые могут быть использованы для получения электроэнергии из свободной энергии речной и морской воды».
Технология, связанная с этим типом энергии, все еще находится на начальной стадии развития, хотя принцип был открыт еще в 1950-х годах. Стандарты и полное понимание всех способов использования градиентов солености являются важными целями, к которым следует стремиться, чтобы сделать этот чистый источник энергии более жизнеспособным в будущем.
Третий метод — 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 в контакте с соленой водой с последующей разрядкой в пресной воде. Поскольку количество электроэнергии, необходимое на этапе зарядки, меньше, чем выделяется на этапе разрядки, каждый завершенный цикл эффективно производит энергию. Интуитивное объяснение этого эффекта заключается в том, что большое количество ионов в соленой воде эффективно нейтрализует заряд на каждом электроде, образуя тонкий слой противоположного заряда очень близко к поверхности электрода, известный как двойной электрический слой . Поэтому 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, доступных для нейтрализации заряда на каждом электроде, так что напряжение на электродах увеличивается. Поэтому следующий этап разрядки способен поставлять относительно большое количество энергии. Физическое объяснение заключается в том, что на электрически заряженном конденсаторе существует взаимно притягивающая электрическая сила между электрическим зарядом на электроде и ионным зарядом в жидкости. Чтобы оттянуть ионы от заряженного электрода, осмотическое давление должно совершить работу . Эта проделанная работа увеличивает электрическую потенциальную энергию в конденсаторе. Электронное объяснение заключается 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 увеличиться, поскольку напряжение равно отношению заряда к емкости.
Оба эти метода не используют мембраны, поэтому требования к фильтрации не столь важны, как в схемах PRO и RED.
Аналогично открытому циклу в преобразовании тепловой энергии океана (OTEC). Недостатком этого цикла является громоздкая проблема турбины большого диаметра (более 75 метров), работающей при давлении ниже атмосферного для извлечения энергии между водой с меньшей соленостью и водой с большей соленостью.
Для осушения воздуха в абсорбционной холодильной системе с распылением воды водяной пар растворяется в расплывающейся смеси соленой воды с использованием осмотической энергии в качестве посредника. Первичный источник энергии возникает из разницы температур, как часть термодинамического цикла теплового двигателя .
На калийной шахте Эдди в Нью-Мексико для обеспечения шахты энергией, необходимой для работы, используется технология под названием « солнечный пруд с градиентом солености» (SGSP). 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 с помощью разницы в плотности между тремя слоями, составляющими пруд, для удержания тепла. Верхняя зона конвекции — это самая верхняя зона, за ней следует зона стабильного градиента, затем нижняя тепловая 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 плотная и более плавучая; и она не может опуститься на нижний уровень, потому что эта соленая вода плотнее. 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 использовать испарение солнечного тепла для создания градиента солености, а потенциальную энергию в этом градиенте солености использовать напрямую с помощью 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 Statkraft. Она использовала непроницаемую и электроизолирующую мембрану, пронизанную одной нанотрубкой из нитрида бора с внешним диаметром в несколько десятков нанометров. С этой мембраной, разделяющей резервуар с соленой водой и резервуар с пресной водой, группа 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 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 МВт-ч в год. [23]
На осеннем заседании Общества по исследованию материалов 2019 года группа ученых из Ратгерского университета сообщила о создании мембраны, содержащей около 10 миллионов BNNT 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 замкнутой системе, производящей энергию RED, сохраняются два разных градиента солености. [26]
Морская и речная среды имеют очевидные различия в качестве воды, а именно солености. Каждый вид водных растений и животных приспособлен к выживанию в морской, солоноватой или пресноводной среде. Есть виды, которые могут переносить обе среды, 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 осуществляется в больших количествах и с какой-либо регулярностью, вызовет колебания солености. Хотя некоторые колебания солености обычны, особенно там, где пресная вода (реки) впадает в океан или море, эти колебания становятся менее важными для обоих водоемов с добавлением солоноватых сточных вод. 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 энергии.
Воздействие солоноватой воды на экосистемы можно минимизировать, откачивая ее в море и выпуская в средний слой, подальше от поверхностных и донных экосистем.
Удары и захваты на водозаборных сооружениях вызывают беспокойство из-за больших объемов как речной, так и морской воды, используемых в схемах PRO и RED. Разрешения на строительство водозаборных сооружений должны соответствовать строгим экологическим нормам, а опреснительные установки и электростанции, использующие поверхностную воду, иногда взаимодействуют с различными местными, государственными и федеральными агентствами для получения разрешения, что может занять до 18 месяцев.
База данных Tethys обеспечивает доступ к научной литературе и общей информации о потенциальных экологических эффектах мощности градиента солености. [28]
