Osmotiska kraftverk: ren saltvattenenergi

Det är nödvändigt att varna direkt: det finns inget misstag i titeln, det kommer inte att finnas någon berättelse om kosmisk energikonsonant med namnet. Vi lämnar det till esoteriker och science fictionförfattare. Och vi kommer att prata om det vanliga fenomenet som vi samexisterar tillsammans med hela livet.

Hur många vet på grund av vilka processer juicen i träden stiger till en betydande höjd? För sequoia är det mer än 100 meter. Denna transport av juice till fotosynteszonen sker på grund av den fysiska effekten - osmos. Det består av ett enkelt fenomen: i två lösningar med olika koncentrationer, placerade i ett kärl med ett semipermeabelt (endast permeabelt för lösningsmedelmolekyler) -membran, uppträder en nivåskillnad efter en tid. I den bokstavliga översättningen från det grekiska språket osmos är ett tryck, tryck.

Och nu från vilda djur kommer vi tillbaka till tekniken. Om hav och färskt vatten placeras i ett fartyg med en septum, visas på grund av olika koncentrationer av upplösta salter osmotiskt tryck och havsnivån stiger. Vattenmolekyler rör sig från en zon med hög koncentration till en lösningszon, där det finns fler föroreningar och färre vattenmolekyler.

Skillnaden i vattennivåer används vidare på vanligt sätt: detta är det välkända arbetet med vattenkraftverk. Den enda frågan är Hur lämplig är osmoseffekten för industriellt bruk? Beräkningar visar att när salthalten i havsvatten är 35 g / liter, skapas ett tryckfall på 2 389 464 Pascal eller cirka 24 atmosfärer på grund av fenomenet osmos. I praktiken motsvarar detta en damm med en höjd av 240 meter.

Men förutom tryck är membranernas selektivitet och deras permeabilitet också en mycket viktig egenskap. När allt kommer omkring genererar turbiner inte energi från ett differenstryck utan på grund av vattenflödet. Här, fram till nyligen, fanns det mycket allvarliga svårigheter. Ett lämpligt osmotiskt membran måste motstå tryck som är 20 gånger trycket i den vanliga vattentillförseln. Samtidigt ha hög porositet, men behåller saltmolekyler. Kombinationen av motstridiga krav under lång tid tillät inte användning av osmos för industriella ändamål.

Vid lösningen av avsaltningens problem uppfanns vatten Loebmembransom motstått enormt tryck och bibehöll mineralsalter och partiklar upp till 5 mikron. Under en lång tid var det inte möjligt att applicera Loeb-membran för direkt osmos (kraftproduktion), eftersom de var extremt dyra, lunefulla i drift och hade låg permeabilitet.

Ett genombrott i användningen av osmotiska membran kom i slutet av 80-talet, då de norska forskarna Holt och Thorsen föreslog att använda modifierad keramikbaserad plastfilm. Genom att förbättra strukturen för billig polyeten kan vi skapa design av spiralmembran som är lämpliga för användning vid produktion av osmotisk energi. För att testa tekniken för att generera energi från osmoseffekten var 2009 världens första experiment osmotiska kraftverk.

Efter att ha fått ett statligt anslag och använt mer än 20 miljoner dollar har det norska energiföretaget Statkraft blivit en pionjär inom en ny typ av energi. Det konstruerade osmotiska kraftverket producerar cirka 4 kW kraft, vilket räcker för att fungera ... två vattenkokare. Men målen med att bygga stationen är mycket mer allvarliga: trots allt testar tekniken och testar under verkliga förhållanden materialen för membranen öppnar vägen för att skapa mycket kraftigare strukturer.

Stationernas kommersiella överklagande börjar med en effektborttagningseffektivitet på mer än 5 watt per kvadratmeter membran.Vid den norska stationen i Toft överstiger detta värde knappt 1 W / m2. Men redan idag testas membran med en effektivitet på 2,4 W / m2 och år 2015 förväntas ett kostnadseffektivt värde på 5 W / m2.

Osmotiska kraftverk i Toft

Men det finns uppmuntrande information från ett forskningscenter i Frankrike. Arbetare med material baserade på kolananorör, och forskarna erhöll på prover effektiviteten för extraktion av osmosenergi på cirka 4000 W / m2. Och detta är inte bara kostnadseffektivt, utan överstiger effektiviteten för nästan alla traditionella energikällor.

Ännu mer imponerande utsikter lovar ansökan grafenfilmer. Ett membran med en tjocklek på ett atomskikt blir fullständigt permeabelt för vattenmolekyler, medan det bibehåller andra föroreningar. Effektiviteten hos ett sådant material kan överstiga 10 kW / m2. Ledande företag i Japan och Amerika deltog i loppet för att skapa högpresterande membran.

Om det inom det kommande decenniet kommer att vara möjligt att lösa membranproblemet för osmotiska stationer, kommer en ny energikälla att ta en ledande plats när det gäller att förse mänskligheten med miljövänliga energikällor. Till skillnad från vind- och solenergi kan direkta osmosanläggningar arbeta dygnet runt och påverkas inte av väderförhållandena.

Den globala reserven för osmosenergi är enorm - det årliga utsläppet av färskt flodvatten är mer än 3 700 kubik kilometer. Om endast 10% av denna volym kan användas kan mer än 1,5TW / h elektrisk energi genereras, d.v.s. cirka 50% av den europeiska konsumtionen.

Men inte bara denna källa kan hjälpa till att lösa energiproblemet. Med mycket effektiva membran kan energin från havets djup användas. Faktum är att vattnets salthalt beror på temperaturen, och det är olika på olika djup.

Med hjälp av salthaltiga gradienter kan du inte fästas i flodernas munar vid konstruktion av stationer, utan helt enkelt placera dem i haven. Men detta är den avlägsna framtidens uppgift. Även om praxis visar att göra förutsägelser inom teknik är en tacklös uppgift. Och i morgon kan framtiden slå på vår verklighet.