Centrală osmotică: energie pură a apei sărate

Este necesar să avertizați imediat: nu există nicio greșeală în titlu, nu va exista nicio poveste despre consonanta de energie cosmică cu numele. Îl vom lăsa esotericilor și scriitorilor de ficțiune științifică. Și vom vorbi despre fenomenul obișnuit cu care coexistăm alături de-a lungul vieții.

Câți oameni știu din cauza proceselor care sucurile din copaci cresc la o înălțime considerabilă? Pentru sequoia, este mai mare de 100 de metri. Acest transport de sucuri în zona de fotosinteză are loc datorită activității efectului fizic - osmoză. Constă într-un fenomen simplu: în două soluții de concentrații diferite, plasate într-un vas cu o membrană semipermeabilă (permeabilă numai pentru molecule de solvent), apare o diferență de nivel după ceva timp. În traducerea literală din limba greacă osmoza este o presiune, presiune.

Și acum din viața sălbatică vom reveni la tehnologie. Dacă apa de mare și apă dulce sunt plasate într-un vas cu sept, atunci datorită concentrațiilor diferite de săruri dizolvate apare presiunea osmotică iar nivelul mării crește. Moleculele de apă se mută dintr-o zonă cu concentrație ridicată într-o zonă de soluție, unde există mai multe impurități și mai puține molecule de apă.

Diferența de nivel de apă este folosită în mod obișnuit: aceasta este activitatea familiară a centralelor hidroelectrice. Singura întrebare este Cât de potrivit este efectul de osmoză pentru uz industrial? Calculele arată că atunci când salinitatea apei de mare este de 35 g / litru, se creează o cădere de presiune de 2 389 464 Pascal sau aproximativ 24 de atmosfere din cauza fenomenului de osmoză. În practică, acest lucru este echivalent cu un baraj cu o înălțime de 240 de metri.

Dar, pe lângă presiune, selectivitatea membranelor și permeabilitatea lor sunt, de asemenea, o caracteristică foarte importantă. La urma urmei, turbinele nu generează energie de la o presiune diferențială, ci datorită fluxului de apă. Aici, până de curând, au fost dificultăți foarte grave. O membrană osmotică adecvată trebuie să reziste la presiune de 20 de ori mai mare decât presiunea în alimentarea obișnuită cu apă. În același timp, au porozitate ridicată, dar păstrează molecule de sare. Combinația dintre cerințele contradictorii pentru o lungă perioadă de timp nu a permis utilizarea osmozei în scopuri industriale.

În rezolvarea problemelor desalinizării s-a inventat apa Membrana Loebcare a rezistat presiunii imense și a reținut săruri minerale și particule de până la 5 microni. Multă vreme, nu a fost posibilă aplicarea membranelor Loeb pentru osmoză directă (generare de energie), deoarece erau extrem de scumpe, capricioase în funcționare și aveau o permeabilitate redusă.

O descoperire în utilizarea membranelor osmotice a venit la sfârșitul anilor 80, când oamenii de știință norvegieni Holt și Thorsen au sugerat utilizarea peliculă de plastic modificată pe bază de ceramică. Îmbunătățirea structurii polietilenei ieftine ne-a permis să creăm un design adecvat de membrane spiralate pentru utilizarea în producerea de energie osmotică. Pentru a testa tehnologia de generare a energiei prin efectul de osmoză, în 2009 a fost primul experiment din lume centrală osmotică.

După ce a primit o subvenție de stat și a cheltuit peste 20 de milioane de dolari, compania norvegiană de energie Statkraft a devenit un pionier al unui nou tip de energie. Centrala osmotică construită produce aproximativ 4 kW de putere, ceea ce este suficient pentru a funcționa ... două ceainice electrice. Dar obiectivele construirii stației sunt mult mai grave: la urma urmei, testarea tehnologiei și testarea în condiții reale, materialele pentru membrane deschid calea către crearea unor structuri mult mai puternice.

Atracția comercială a stațiilor începe cu o eficiență de eliminare a puterii de peste 5 wați pe metru pătrat de membrane.La stația norvegiană din Toft, această valoare depășește abia 1 W / m2. Însă astăzi membrii cu o eficiență de 2,4 W / m2 sunt testate, iar până în 2015 este de așteptat o valoare rentabilă de 5 W / m2.

Centrala osmotică din Toft

Dar există informații încurajatoare de la un centru de cercetare din Franța. Lucrând cu materiale pe bază de nanotuburi de carbon, oamenii de știință au obținut pe eșantioane eficiența extragerii de energie a osmozei de aproximativ 4000 W / m2. Și aceasta nu este doar rentabilă, ci depășește eficiența aproape toate sursele tradiționale de energie.

Chiar și mai impresionante perspective promit cererea filme de grafen. O membrană cu grosimea unui strat atomic devine complet permeabilă la moleculele de apă, păstrând în același timp orice alte impurități. Eficiența unui astfel de material poate depăși 10 kW / m2. Corporațiile conducătoare din Japonia și America s-au alăturat cursei pentru a crea membrane de înaltă performanță.

Dacă în deceniul următor va fi posibilă rezolvarea problemei membranelor pentru stațiile osmotice, atunci o nouă sursă de energie va ocupa un loc de frunte în furnizarea umanității cu surse de energie ecologice. Spre deosebire de energia eoliană și solară, plantele cu osmoză directă pot lucra în permanență și nu sunt afectate de condițiile meteorologice.

Rezerva globală de energie pentru osmoză este uriașă - descărcarea anuală de apă proaspătă de râu este de peste 3.700 de kilometri cubi. Dacă se poate utiliza doar 10% din acest volum, atunci se pot genera mai mult de 1,5 TW / h de energie electrică, adică. aproximativ 50% din consumul european.

Dar nu numai această sursă poate ajuta la rezolvarea problemei energetice. Cu membrane extrem de eficiente, se poate folosi energia adâncimilor oceanului. Cert este că salinitatea apei depinde de temperatură și este diferită la adâncimi diferite.

Folosind gradienți de temperatură de salinitate, nu puteți fi atașat de gurile râurilor în construcția stațiilor, ci pur și simplu așezați-le în oceane. Dar aceasta este sarcina viitorului îndepărtat. Deși practica arată că a face predicții în tehnologie este o sarcină ne mulțumitoare. Și mâine viitorul poate lovi realitatea noastră.