Osmotisches Kraftwerk: reine Salzwasserenergie

Es ist notwendig, sofort zu warnen: Es gibt keinen Fehler im Titel, es wird keine Geschichte über kosmische Energie geben, die mit dem Namen übereinstimmt. Wir werden es Esoterikern und Science-Fiction-Autoren überlassen. Und wir werden über das übliche Phänomen sprechen, mit dem wir ein Leben lang zusammenleben.

Wie viele Menschen wissen, aufgrund welcher Prozesse die Säfte in Bäumen eine beträchtliche Höhe erreichen? Für Mammutbäume sind es mehr als 100 Meter. Dieser Transport von Säften in die Photosynthesezone erfolgt aufgrund der Arbeit des physikalischen Effekts - Osmose. Es besteht aus einem einfachen Phänomen: In zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration, die in ein Gefäß mit einer semipermeablen (nur für Lösungsmittelmoleküle durchlässigen) Membran gegeben werden, tritt nach einiger Zeit ein Pegelunterschied auf. In der wörtlichen Übersetzung aus dem Griechischen Osmose ist ein Druck.

Und jetzt kehren wir von der Tierwelt zur Technologie zurück. Wenn Meer- und Süßwasser in ein Gefäß mit Septum gegeben werden, treten aufgrund unterschiedlicher Konzentrationen gelöster Salze auf osmotischer Druck und der Meeresspiegel steigt. Wassermoleküle bewegen sich von einer Zone hoher Konzentration in eine Lösungszone, in der mehr Verunreinigungen und weniger Wassermoleküle vorhanden sind.

Der Unterschied im Wasserstand wird in üblicher Weise weiter genutzt: Dies ist die bekannte Arbeit von Wasserkraftwerken. Die Frage ist nur Wie geeignet ist der Osmoseeffekt für den industriellen Einsatz? Berechnungen zeigen, dass bei einem Salzgehalt von Meerwasser von 35 g / Liter aufgrund des Phänomens der Osmose ein Druckabfall von 2 389 464 Pascal oder etwa 24 Atmosphären entsteht. In der Praxis entspricht dies einem Damm mit einer Höhe von 240 Metern.

Neben dem Druck sind aber auch die Selektivität der Membranen und ihre Permeabilität ein sehr wichtiges Merkmal. Schließlich erzeugen Turbinen keine Energie aus einem Differenzdruck, sondern aufgrund des Wasserflusses. Hier gab es bis vor kurzem sehr ernsthafte Schwierigkeiten. Eine geeignete osmotische Membran muss einem Druck standhalten, der dem 20-fachen des Drucks in der üblichen Wasserversorgung entspricht. Gleichzeitig haben hohe Porosität, behalten aber Salzmoleküle. Die Kombination widersprüchlicher Anforderungen ermöglichte lange Zeit nicht die Verwendung von Osmose für industrielle Zwecke.

Bei der Lösung der Entsalzungsprobleme wurde Wasser erfunden Loeb Membrandie enormen Druck standhielt und Mineralsalze und Partikel bis zu 5 Mikrometer zurückhielt. Loeb-Membranen konnten lange Zeit nicht für die direkte Osmose (Stromerzeugung) eingesetzt werden, weil Sie waren extrem teuer, launisch im Betrieb und hatten eine geringe Durchlässigkeit.

Ein Durchbruch bei der Verwendung von osmotischen Membranen gelang Ende der 80er Jahre, als die norwegischen Wissenschaftler Holt und Thorsen die Verwendung vorschlugen modifizierte Kunststofffolie auf Keramikbasis. Durch die Verbesserung der Struktur von billigem Polyethylen konnten wir das Design geeigneter Spiralmembranen entwickeln zur Verwendung bei der Erzeugung von osmotischer Energie. Um die Technologie zur Energieerzeugung aus dem Osmoseeffekt zu testen, wurde 2009 das weltweit erste Experiment durchgeführt osmotisches Kraftwerk.

Das norwegische Energieunternehmen Statkraft hat ein staatliches Stipendium erhalten und mehr als 20 Millionen US-Dollar ausgegeben. Es ist ein Pionier in einer neuen Art von Energie geworden. Das gebaute osmotische Kraftwerk erzeugt ca. 4 kW Leistung, was ausreicht, um ... zwei Wasserkocher zu betreiben. Die Ziele beim Bau der Station sind jedoch viel ernster: Schließlich eröffnen die Tests der Technologie und die Prüfung der Materialien für die Membranen unter realen Bedingungen den Weg für die Schaffung viel leistungsfähigerer Strukturen.

Die kommerzielle Attraktivität der Stationen beginnt mit einer Energieentfernungseffizienz von mehr als 5 Watt pro Quadratmeter Membranen.Am norwegischen Bahnhof in Toft übersteigt dieser Wert kaum 1 W / m2. Aber schon heute werden Membranen mit einem Wirkungsgrad von 2,4 W / m2 getestet, und bis 2015 wird ein kostengünstiger Wert von 5 W / m2 erwartet.

Osmotisches Kraftwerk in Toft

Es gibt jedoch ermutigende Informationen von einem Forschungszentrum in Frankreich. Bei der Arbeit mit Materialien auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren erzielten die Wissenschaftler an den Proben eine Effizienz der Osmoseenergieextraktion von etwa 4000 W / m2. Dies ist nicht nur kostengünstig, sondern übertrifft auch die Effizienz fast aller herkömmlichen Energiequellen.

Noch beeindruckendere Aussichten versprechen Anwendung Graphenfilme. Eine Membran mit einer Dicke von einer Atomschicht wird für Wassermoleküle vollständig durchlässig, während andere Verunreinigungen zurückgehalten werden. Der Wirkungsgrad eines solchen Materials kann 10 kW / m2 überschreiten. Führende Unternehmen in Japan und Amerika haben sich dem Wettlauf um die Herstellung von Hochleistungsmembranen angeschlossen.

Wenn es in den nächsten zehn Jahren möglich sein wird, das Problem der Membranen für osmotische Stationen zu lösen, wird eine neue Energiequelle eine führende Rolle bei der Versorgung der Menschheit mit umweltfreundlichen Energiequellen einnehmen. Im Gegensatz zu Wind- und Sonnenenergie können Direktosmoseanlagen rund um die Uhr arbeiten und sind nicht wetterabhängig.

Die weltweite Reserve an Osmoseenergie ist riesig - die jährliche Ableitung von frischem Flusswasser beträgt mehr als 3.700 Kubikkilometer. Wenn nur 10% dieses Volumens verwendet werden können, können mehr als 1,5 TW / h elektrische Energie erzeugt werden, d.h. etwa 50% des europäischen Verbrauchs.

Aber nicht nur diese Quelle kann helfen, das Energieproblem zu lösen. Mit hocheffizienten Membranen kann die Energie der Tiefen des Ozeans genutzt werden. Tatsache ist, dass der Salzgehalt des Wassers von der Temperatur abhängt und in verschiedenen Tiefen unterschiedlich ist.

Mit Hilfe von Salzgehaltsgradienten können Sie beim Bau von Stationen nicht an den Mündungen von Flüssen befestigt werden, sondern diese einfach in den Ozeanen platzieren. Aber das ist die Aufgabe der fernen Zukunft. Obwohl die Praxis zeigt, dass Vorhersagen in der Technologie eine undankbare Aufgabe sind. Und morgen kann die Zukunft an unserer Realität klopfen.