Osmotska elektrana čista energija slane vode. Osmotska elektrana u Norveškoj

Odmah je potrebno upozoriti: nema greške u naslovu, neće biti priče o kosmičkoj energiji koja je u skladu sa naslovom. Prepustićemo to ezoteričarima i piscima naučne fantastike. A mi ćemo pričati o poznatom fenomenu s kojim koegzistiramo rame uz rame kroz cijeli život.

Koliko ljudi zna zbog kojih procesa se sok u drveću diže na značajnu visinu? Za sekvoju je to više od 100 metara. Ovaj transport sokova u zonu fotosinteze nastaje zbog rada fizičkog efekta - osmoza. Leži u jednostavnom fenomenu: u dva rastvora različitih koncentracija, smeštenih u posudu sa polupropusnom (propusnom samo za molekule rastvarača) membranom, nakon nekog vremena pojavljuje se razlika u nivoima. Doslovno prevedeno sa grčkog osmoza je pritisak, pritisak.

A sada se vratimo sa žive prirode na tehnologiju. Ako se morska i slatka voda stavljaju u posudu s pregradom, onda zbog različitih koncentracija otopljenih soli, osmotski pritisak a nivo morske vode će porasti. Molekuli vode prelaze iz zone visoke koncentracije u zonu rastvora, gde ima više nečistoća i manje molekula vode.

Razlika u nivoima vode se tada koristi na uobičajen način: to je poznati rad hidroelektrana. jedino pitanje je, Koliko je efekat osmoze prikladan za industrijsku primjenu? Proračuni pokazuju da sa salinitetom morske vode od 35 g/litar, fenomen osmoze stvara pad tlaka od 2.389.464 Paskala ili oko 24 atmosfere. U praksi je to jednako brani visokoj 240 metara.

Ali pored pritiska, još jedna vrlo važna karakteristika je selektivnost membrana i njihova propusnost. Na kraju krajeva, turbine ne proizvode energiju iz razlika u tlaku, već iz protoka vode. Ovdje je do nedavno bilo veoma ozbiljnih poteškoća. Odgovarajuća osmotska membrana mora izdržati pritisak 20 puta veći od pritiska u konvencionalnom vodosnabdijevanju. Istovremeno, ima visoku poroznost, ali zadržava molekule soli. Kombinacija suprotstavljenih zahtjeva dugo je sprečavala upotrebu osmoze u industrijske svrhe.

Prilikom rješavanja problema desalinizacije vode izmišljena je Loebova membrana, koji je izdržao ogroman pritisak i zadržao mineralne soli i čestice do 5 mikrona. Dugo vremena nije bilo moguće koristiti Loeb membrane za direktnu osmozu (generaciju električne energije), jer bili su izuzetno skupi, teški za rukovanje i imali su nisku propusnost.

Proboj u upotrebi osmotskih membrana dogodio se kasnih 80-ih, kada su norveški naučnici Holt i Thorsen predložili upotrebu modificirana polietilenska folija na bazi keramike. Poboljšanje strukture jeftinog polietilena omogućilo je stvaranje prikladnih spiralnih membrana za upotrebu u proizvodnji osmotske energije. Kako bi se testirala tehnologija za dobijanje energije iz efekta osmoze, 2009. godine prvi svjetski eksperimentalni osmotska elektrana.

Norveška energetska kompanija Statkraft, koja je dobila državnu pomoć i potrošila više od 20 miliona dolara, postala je pionir u novoj vrsti energije. Izgrađena osmotska elektrana proizvodi oko 4 kW snage, što je dovoljno za rad... dva električna kotla. Ali ciljevi izgradnje stanice su mnogo ozbiljniji: na kraju krajeva, razvoj tehnologije i testiranje membranskih materijala u stvarnim uvjetima otvara put stvaranju mnogo snažnijih struktura.

Komercijalna atraktivnost stanica počinje efikasnošću odvajanja snage više od 5 W po kvadratnom metru membrana. Na norveškoj stanici u Toftu ova vrijednost jedva prelazi 1 W/m2. Ali membrane sa efikasnošću od 2,4 W/m2 se već testiraju, a do 2015. očekuje se da će postići isplativu vrijednost od 5 W/m2.

Ali postoje ohrabrujuće informacije iz francuskog istraživačkog centra. Radeći sa materijalima na bazi ugljeničnih nanocevi, naučnici su na uzorcima dobili efikasnost selekcije osmotske energije od oko 4000 W/m2. I to nije samo isplativo, već prevazilazi efikasnost gotovo svih tradicionalnih izvora energije.

Aplikacija obećava još impresivnije izglede. Membrana, debljine jednog atomskog sloja, postaje potpuno propusna za molekule vode, zadržavajući sve ostale nečistoće. Efikasnost takvog materijala može premašiti 10 kW/m2. Vodeće korporacije iz Japana i Amerike pridružile su se trci za stvaranje membrana visokih performansi.

Ako u narednoj deceniji bude moguće riješiti problem membrana za osmotske stanice, tada će novi izvor energije zauzeti vodeće mjesto u obezbjeđivanju čovječanstva ekološki prihvatljivim izvorima energije. Za razliku od energije vjetra i sunca, postrojenja za direktnu osmozu mogu raditi 24 sata dnevno i na njih ne utiču vremenski uslovi.

Globalna rezerva osmotske energije je ogromna - godišnje ispuštanje svježe riječne vode iznosi više od 3.700 kubnih kilometara. Ako je moguće iskoristiti samo 10% ove zapremine, onda je moguće proizvesti više od 1,5 TW/sat električne energije, tj. oko 50% evropske potrošnje.

Ali ne samo ovaj izvor može pomoći u rješavanju energetskog problema. Sa visoko efikasnim membranama moguće je iskoristiti energiju dubokog okeana. Činjenica je da salinitet vode zavisi od temperature, a različit je na različitim dubinama.

Koristeći temperaturne gradijente saliniteta, moguće je ne vezati se za ušća rijeka u izgradnji stanica, već ih jednostavno smjestiti u oceane. Ali to je već zadatak za daleku budućnost. Iako praksa pokazuje da je predviđanje u tehnologiji nezahvalan zadatak. A budućnost bi sutra mogla pokucati na našu stvarnost.

Između dva rezervoara postavljena je posebna membrana koja propušta vodu, ali ne i molekule soli. U jednu se ulijeva svježa voda, u drugu slana. Kako takav sistem teži ravnoteži, čini se da slanija voda izvlači slatku vodu iz rezervoara. Ako se generator postavi ispred membrane, višak pritiska će rotirati njegove lopatice i proizvesti električnu energiju.
Ideju je, kao što se često događa, predložila živa priroda: isti princip se koristi za prijenos tvari u stanicama - iste djelomično propusne membrane osiguravaju elastičnost stanica. Osmotski pritisak ljudi već dugo uspješno koriste u desalinizaciji morske vode, ali do sada je prvi put korišten za proizvodnju električne energije.
U ovom trenutku, prototip proizvodi oko 1 kW energije. U bliskoj budućnosti ova se brojka može povećati na 2-4 kW. Da bi se govorilo o isplativosti proizvodnje potrebno je dobiti proizvodnju od oko 5 kW. Međutim, ovo je vrlo stvaran zadatak. Do 2015. godine planirana je izgradnja velike stanice koja će proizvoditi 25 MW, koja će napajati 10.000 prosječnih domaćinstava. U budućnosti se očekuje da će IPS postati toliko moćan da će moći proizvoditi 1.700 TW godišnje, koliko trenutno proizvodi polovina Evrope. Glavni zadatak u ovom trenutku je pronaći efikasnije membrane.
Igra je definitivno vrijedna svijeća. Prednosti osmotskih stanica su očigledne. Prvo, slana voda (obična morska voda je pogodna za rad stanice) je neiscrpno prirodno bogatstvo. Zemljina površina je 94% prekrivena vodom, od čega je 97% slano, tako da će uvijek biti goriva za takve stanice. Drugo, organizacija UES-a ne zahtijeva izgradnju posebnih lokacija: prikladne su sve neiskorištene prostorije postojećih preduzeća ili druge poslovne zgrade. Osim toga, IPS se može instalirati na ušćima rijeka, gdje slatka voda teče u slano more ili okean - iu tom slučaju nema potrebe čak ni posebno puniti rezervoare vodom.

Slatka voda + morska voda = izvor energije

Obično se tamo gdje se rijeka uliva u more slatka voda jednostavno miješa sa slanom vodom i tu nema pritiska koji bi mogao poslužiti kao izvor energije. Profesor Klaus-Viktor Peinemann sa Instituta za istraživanje polimera pri GKSS istraživačkom centru u gradu Geesthahtu u severnoj Nemačkoj, navodi uslove koji su neophodni za nastanak osmotskog pritiska: „Ako se morska i slatka voda razdvoje filterom pre nego što miješanje – posebna membrana koja propušta vodu, ali je nepropusna za sol, tada se tendencija rješenja termodinamičkoj ravnoteži i izjednačavanju koncentracija može ostvariti samo zbog činjenice da će voda prodrijeti u otopinu soli, a sol će ne ulazi u slatku vodu."

Ako se to dogodi u zatvorenom spremniku, tada iz morske vode nastaje višak hidrostatskog tlaka, koji se naziva osmotski tlak. Da biste ga koristili za proizvodnju energije, na mestu gde se reka uliva u more, potrebno je ugraditi veliki rezervoar sa dve komore, odvojene jedna od druge polupropusnom membranom koja omogućava prolazak vode i nepropusnosti soli. kroz. Jedna komora je napunjena slanom, a druga slatkom vodom. “Rezultirajući osmotski tlak može biti vrlo visok”, naglašava profesor Peineman, “dostiže otprilike 25 bara, što odgovara pritisku vode u podnožju vodopada koji pada sa visine od 100 metara.

Voda pod tako visokim osmotskim pritiskom se dovodi u generatorsku turbinu koja proizvodi električnu energiju.

Glavna stvar je prava membrana

Čini se da je sve jednostavno. Stoga ne čudi da je ideja o korištenju osmoze kao izvora energije nastala prije skoro pola stoljeća. Ali... “Jedna od glavnih prepreka u to vrijeme bio je nedostatak membrana odgovarajućeg kvaliteta”, kaže profesor Peineman “Membrane su bile izuzetno spore, tako da je efikasnost osmotskog električnog generatora bila vrlo niska U narednih 20-30 godina došlo je do nekoliko tehnoloških otkrića. Naučili smo da danas proizvodimo izuzetno tanke membrane, što znači da je njihova propusnost postala znatno veća."
Stručnjaci Istraživačkog centra GKSS dali su značajan doprinos razvoju same membrane koja je sada omogućila implementaciju proizvodnje osmotske energije u praksi - iako još uvijek čisto eksperimentalno. Jedan od programera, Carsten Blicke, objašnjava: „Debljina membrane je oko 0,1 mikrometara, prečnik ljudske kose je od 50 do 100 mikrometara.

Jasno je da tako tanka membrana sama po sebi ne može izdržati visoki osmotski pritisak. Stoga se nanosi na poroznu, spužvastu, ali izuzetno izdržljivu podlogu. Općenito, takva pregrada izgleda kao sjajni papir, a činjenica da je na njoj film nemoguće je primijetiti golim okom.

Svijetle perspektive

Za izgradnju pilot postrojenja bilo je potrebno ulaganje od nekoliko miliona eura. Investitori koji su bili spremni da rizikuju, iako ne odmah, ipak su pronađeni. Statkraft, jedna od najvećih energetskih kompanija u Norveškoj i evropski lider u korištenju obnovljivih izvora energije, dobrovoljno se prijavila za financiranje inovativnog projekta. Profesor Peineman prisjeća se: „Oni su čuli za ovu tehnologiju, bili su oduševljeni i potpisali ugovor o saradnji sa nama Evropska unija je izdvojila 2 miliona eura za realizaciju ovog projekta, ostatak sredstava su dali Statkraft i niz drugih kompanija. , uključujući i naš Institut.”

"Nekoliko drugih kompanija" su istraživački centri u Finskoj i Portugalu, kao i norveška istraživačka firma. Pilot postrojenje, kapaciteta 2 do 4 kilovata, izgrađeno u Oslofjordu u blizini grada Tofte i danas otvoreno, dizajnirano je da testira i poboljša inovativnu tehnologiju. Ali uprava Statkrafta uvjerena je da će za nekoliko godina doći do komercijalne upotrebe osmoze. A ukupni globalni potencijal proizvodnje osmotske energije procjenjuje se na ne manje od 1600-1700 teravat-sati godišnje - to je otprilike polovina potrošnje energije cijele Europske unije. Najvažnija prednost ovakvih instalacija je njihova ekološka prihvatljivost - ne stvaraju buku i ne zagađuju atmosferu emisijom stakleničkih plinova. Osim toga, lako se integriraju u postojeću infrastrukturu.

Ekološka prihvatljivost

Zasebno, želio bih napomenuti apsolutnu ekološku prihvatljivost ove metode proizvodnje električne energije. Bez otpada, oksidirajućih materijala rezervoara, štetnih isparenja. IPS se može instalirati čak i unutar grada bez nanošenja štete njegovim stanovnicima.
Takođe, rad IPS-a ne zahteva pokretanje drugih izvora energije i ne zavisi od klimatskih uslova. Sve ovo čini IPS gotovo idealnim načinom za proizvodnju električne energije.

Jednog lijepog dana 1747. godine, francuski opat Nollet sipao je bordosko vino koje nije popio dan ranije u svinjsku bešiku donesenu iz kuhinje i potopio je u bure vode. 262 godine kasnije, 24. novembra 2009. godine, norveška princeza Mette-Marit pijuckala je čašu šampanjca. Kako su ova dva događaja povezana? I Nolle i princeza napravili su izvanredna otkrića. Abbot je prvi u svijetu opisao fenomen osmoze i osnovna svojstva membrane, a Mette-Marit je, presijecajući simboličku vrpcu, otvorila prvu osmotsku elektranu na svijetu Statcraft u Toftu.

Vladimir Sannikov

Može se raspravljati o tome čime je zapravo punio svinjsku bešiku opat i honorarni veliki eksperimentalni fizičar Jean-Antoine Nollet, koji je ušao u povijest. Ali prisustvo vode u obje posude (mjehurić i bure) je neosporno. Jedina razlika je koncentracija alkohola otopljenog u njemu. Upravo je ta razlika dala poticaj difuziji vode kroz polupropusnu membranu od bureta do mjehurića. Po načinu na koji se mehur naduvao, moglo bi se shvatiti da ovaj fenomen dovodi do veoma značajne jednosmerne sile, koju je Nole nazvao osmotski pritisak. On je definisao osmozu kao proces difuzije rastvarača iz manje koncentrisane otopine u više koncentrisanu.

Danas je norveška kompanija Statcraft, lider na evropskom tržištu čiste energije, pronašla način da ovaj pritisak pretvori u električnu energiju. Nova tehnologija je jedina sposobna izvući džule iz prirodnih razlika u mineralnim solima između slatke i morske vode, a ne iz kinetičke energije njihovog kretanja. Norvežani procjenjuju da se svjetski izvori obnovljive osmotske energije kreću u rasponu od 1,6 do 1,7 teravata – otprilike onoliko koliko je Kini od milijardu dolara bilo potrebno 2004.! Za razliku od hirovitog vjetra, surfanja i sunca, procesi osmoze ne prestaju ni na sekundu, 24 sata na dan, tokom cijele godine.

Za rad osmotske elektrane nisu potrebne posebne inženjerske konstrukcije: peći, reaktori, brane, rashladni tornjevi. Prva svjetska osmozna elektrana nalazi se u praznom skladištu pogona za preradu drveta.

Popij more

Zapravo, fenomen osmoze se koristi u industrijskim razmjerima više od 40 godina. Samo ovo nije klasična prednja osmoza Abbot Nollet-a, već takozvana reverzna osmoza - umjetni proces prodiranja rastvarača iz koncentrirane u razrijeđenu otopinu pod utjecajem tlaka koji premašuje prirodni osmotski tlak. Ova tehnologija se koristi u postrojenjima za desalinizaciju i prečišćavanje od ranih 1970-ih. Slana morska voda se pumpa na posebnu membranu i, prolazeći kroz njene pore, lišena je značajnog udjela mineralnih soli, kao i bakterija, pa čak i virusa. Pumpanje slane ili kontaminirane vode zahtijeva velike količine energije, ali igra je vrijedna svijeće - postoji mnogo regija na planeti gdje je nedostatak vode za piće akutni problem.

Teorijski razvoj u ovoj oblasti pojavio se početkom dvadesetog veka, ali je u njihovoj implementaciji nedostajala glavna stvar - odgovarajuća osmotska membrana. Takva membrana morala je izdržati pritisak 20 puta veći od pritiska običnog kućnog vodovoda i imati izuzetno visoku poroznost. Stvaranje materijala sličnih svojstava postalo je moguće nakon Drugog svjetskog rata, kada je naučni potencijal akumuliran tokom vojnih projekata dao poticaj razvoju tehnologija za proizvodnju sintetičkih polimera.

Teško je povjerovati da sama razlika u koncentraciji dvije otopine može stvoriti ozbiljnu silu, ali je istina: osmotski pritisak može podići nivo morske vode za 120 m.

Najznačajniji proboj u ovoj oblasti dogodio se 1959. godine. Sydney Loeb i Srinivasa Suranjan sa Kalifornijskog univerziteta u Los Angelesu razvili su spiralnu anizotropnu membranu koja može izdržati ogroman pritisak, efikasno zadržava mineralne soli i mehaničke čestice veličine do 5 mikrona, i što je najvažnije, ima visoku propusnost uz minimalne dimenzije. Loeb i Suranjanov izum učinio je osmotsku desalinizaciju isplativim poslom. Početkom 1960-ih, u Coalingi u Kaliforniji, Loeb je izgradio prvu stanicu za desalinizaciju na svijetu koristeći PRO efekat (Pressure retarded osmosis), a zatim se preselio u Izrael, gdje je nastavio svoja istraživanja uz sredstva UNESCO-a. Uz učešće Loeba, 1967. godine izgrađeno je postrojenje za desalinizaciju kapaciteta 150 m³ dnevno u mjestu Yotvata, koje proizvodi čistu vodu za piće iz podzemnog jezera sa salinitetom deset puta većim od morske vode. Tri godine kasnije, PRO tehnologija je zaštićena američkim patentom.

Osmoza i prostor

Membranska laboratorija u NASA centru Ames već dugi niz godina za redom rješava problem snabdijevanja stanovnika svemirskih stanica pitkom vodom. Naučnici su razvili DOC tehnologiju koja kombinuje dva višesmjerna procesa - naprijed i reverznu osmozu. Kod reverzne osmoze, membrana djeluje kao fini filter i zahtijeva puno energije. Prednja osmoza ga, naprotiv, proizvodi. Svaki od ovih procesa zasebno lišava vodene otopine ogromne količine nečistoća. Rezultat je takozvana siva voda, koja se može koristiti u higijenske svrhe. Da bi se od sive vode napravila voda za piće, otopina prolazi kroz fazu membranskog prečišćavanja bez dodatnog zagrijavanja, a zatim pročišćavanje od bakterija i virusa u podsistemu katalitičke oksidacije. Balansni energetski intenzitet DOC-a je dovoljno nizak za upotrebu u svemiru.
Originalnu metodu prečišćavanja vode za svemirske stanice predstavila je američka kompanija Osmotek. Za prikupljanje otpadnih proizvoda ona predlaže korištenje membranskih vrećica poput vrećica čaja koje sadrže aktivni ugljen. Membrana propušta samo vodu sa malom količinom zagađivača. Ova primarna otopina zatim ulazi u membransku komoru sa posebnim koncentriranim supstratom u drugom dijelu. Rezultirajući fenomen prednje osmoze dovršava proces.
Oasys obećava smanjenje potrošnje energije u postrojenjima za osmotsku desalinizaciju za najmanje deset puta. Istina, u ovom slučaju ne govorimo o suprotnom, već o naprijed osmozi. I ne jednostavno, već modificirano. Njegova suština leži u prisustvu na suprotnoj strani konvencionalne PRO membrane vlasničkog rastvora za ekstrakciju sa visokim sadržajem amonijaka, ugljen-dioksida i drugih hemikalija. Kada dvije otopine dođu u kontakt, javlja se fenomen osmoze i sirovina se pročišćava od nečistoća. Vrhunac Oasys tehnike je da se tok čiste slatke vode ne miješa sa rastvorom za povlačenje.

Eksperimente o pretvaranju osmotskog pritiska u električnu energiju pomoću Loeb-Suranjanovih membrana sprovode različite naučne grupe i kompanije od ranih 1970-ih. Princip ovog procesa bio je očigledan: tok svježe (riječne) vode koji prodire kroz pore membrane povećava pritisak u rezervoaru morske vode, čime se omogućava da se turbina okreće. Otpadna bočata voda se zatim ispušta u more. Jedini problem je bio što su klasične PRO membrane bile preskupe, hirovite i nisu davale potrebnu snagu protoka. Stvar je pokrenuta kasnih 1980-ih, kada su norveški hemičari Thorleif Holt i Thor Thorsen sa SINTEF instituta preuzeli rješenje problema.

Kosmički opseg

Loeb membrane su zahtijevale kliničku ocjenu kako bi održale vrhunske performanse. Dizajn membranskog modula stanice za desalinizaciju zahtijevao je prisutnost primarnog grubog filtera i moćnu pumpu koja je uklanjala ostatke s radne površine membrane.

Holt i Thorsen, analizirajući karakteristike najperspektivnijih materijala, odabrali su jeftin modificirani polietilen. Njihove objave u naučnim časopisima privukle su pažnju stručnjaka iz Statcrafta, a norveški hemičari su pozvani da nastave svoj rad pod okriljem energetske kompanije. Godine 2001. Statcraftov membranski program dobio je vladin grant. Koristeći dobijena sredstva, u Sunndalsjoru je izgrađena eksperimentalna osmotska instalacija za testiranje uzoraka membrane i testiranje tehnologije u cjelini. Aktivna površina u njemu bila je nešto iznad 200 m².

Na shematskim slikama osmotska membrana je nacrtana kao zid. U stvari, to je rolna zatvorena u cilindrično tijelo. Njegova višeslojna struktura izmjenjuje slojeve slatke i slane vode. Poprečni presjek pokazuje kako su organizirani tokovi vode unutar osmotskog cilindra. Što više takvih modula bude instalirano na stanici, to će više energije moći proizvesti.

Kako bi ubrzali proces, inženjeri iz NASA-ine specijalizirane membranske laboratorije pozvani su da se pridruže timu. Činjenica je da se od priprema za Apolo lunarni program u NASA centru. Ames je proveo dubinsko istraživanje tehnologija za desalinizaciju i prečišćavanje vodenih otopina. Američko iskustvo je dobro došlo i do 2008. Statcraft je imao prve uzorke spiralnih poliimidnih membrana za buduće osmotske elektrane. Njihov učinak bio je 1 W po 1 m² uz difuziju 10 litara svježe vode u sekundi pod pritiskom od 10 bara.

Stanica u Toftu radi upravo sa takvim membranskim modulima ukupne površine 2000 m². Ovo je sasvim dovoljno za proizvodnju 4 kW, ali za punu stanicu od 25 megavata bilo bi potrebno čak 5 miliona kvadratnih metara. Naravno, membrane za osmotske elektrane trebale bi biti mnogo efikasnije od postojećih. Stein Eric Skillhagen, potpredsjednik Statcrafta koji nadgleda program, kaže da kompanija trenutno testira uzorke spiralnih šupljih vlakana od 3 W/m2, a očekuje se da će ravne membrane od 5 W biti dostupne do 2015. godine. Osim toga, Norvežani pažljivo proučavaju razvoj trećih strana u ovoj oblasti i aktivno surađuju sa stručnjacima iz General Electrica, Hydranautics, Dow-a i japanskog Toraya.

U Holandiji se svake sekunde u slano more ulije 3.300 kubnih metara riječne vode. Naučnici su izračunali da je njegov ukupni energetski potencijal 4,5*109 W. Istraživači iz KEMA-e također namjeravaju uhvatiti barem dio energije iz ovog bureta bez dna, ali bez, po njihovom mišljenju, nepotrebne mehanike. I takva mogućnost postoji. Za sada - u vidu eksperimentalne instalacije reverzne elektrodijalize RED (reverzna elektrodijaliza). Također koristi morsku i slatku vodu, odvojene polupropusnim granicama. Ovdje postoje samo dvije membrane i djeluju kao elektrode. Uostalom, RED je baterija koja radi zahvaljujući razlici u koncentraciji jona u dva okruženja. Ova razlika stvara slab napon na površini anodne i katodne membrane. Ako sastavite paket od njih, napon će biti vrlo primjetan. Na primjer, baterija veličine standardnog transportnog kontejnera proizvodi skoro 250 kW. KEMA upravlja malom elektranom od 50 kW u Harlingenu od 2006. godine. Ispituje metode za čišćenje i sprečavanje kontaminacije membrane biomaterijalom. Klinička čistoća je kritičan faktor u efikasnom radu sistema.

Inače, membrana za direktnu osmozu nije tanak zid, što je prikazano na pojednostavljenim dijagramima, već duga rola zatvorena u cilindrično tijelo. Veze sa karoserijom su napravljene tako da u svim slojevima rolne uvek ima slatke vode sa jedne strane membrane i morske vode sa druge.

Energija dubina

Razlika između saliniteta (u naučnom smislu - gradijenta slanosti) slatke i morske vode osnovni je princip rada osmotske elektrane. Što je veći, veći je volumen i protok na membrani, a time i količina energije koju proizvodi hidraulična turbina. U Toftu, slatka voda teče gravitacijom na membranu kao rezultat osmoze, pritisak morske vode s druge strane naglo raste. Snaga osmoze je kolosalna - pritisak može podići nivo morske vode za 120 m.

Zatim, nastala razrijeđena morska voda juri kroz razdjelnik tlaka na lopatice turbine i, dajući im svu svoju energiju, baca se u more. Distributer pritiska preuzima dio energije protoka, okrećući pumpe koje pumpaju morsku vodu. Na ovaj način je moguće značajno povećati efikasnost stanice. Rick Stover, glavni tehnološki direktor tvrtke Energy Recovery, koja proizvodi takve uređaje za postrojenja za desalinizaciju, procjenjuje da je efikasnost prijenosa energije kod distributera blizu 98%. Potpuno isti uređaji za desalinizaciju pomažu u isporuci vode za piće u stambene zgrade.

Kako napominje Skillhagen, idealno bi bilo da se osmotske elektrane kombiniraju s postrojenjima za desalinizaciju - salinitet preostale morske vode u potonjoj je 10 puta veći od prirodnog nivoa. U takvom tandemu, efikasnost proizvodnje energije će se povećati za najmanje dva puta.

Radovi na izgradnji Tofte počeli su u jesen 2008. Prazan magacin je iznajmljen na lokaciji tvornice celuloze Sódra Cell. Na prvom spratu je postavljena kaskada mrežastih i kvarcnih filtera za prečišćavanje riječne i morske vode, a na drugom spratu je bila mašinska soba. U decembru iste godine podignuti su i postavljeni membranski moduli i razvodnik pritiska. U februaru 2009. godine grupa ronilaca postavila je dva paralelna cjevovoda duž dna zaljeva - za slatku i morsku vodu.

Morska voda se sakuplja u Toftu sa dubine od 35 do 50 m - u ovom sloju njen salinitet je optimalan. Osim toga, tamo je mnogo čistije nego na površini. Ali uprkos tome, membrane stanice zahtijevaju redovno čišćenje kako bi se uklonili organski ostaci koji začepljuju mikropore.

Od aprila 2009. godine elektrana je radila u probnom režimu, au novembru je, uz laku ruku princeze Mette-Marit, puštena u rad punim potencijalom. Skillhagen uvjerava da će nakon Toftea Statcraft imati i druge slične, ali naprednije projekte. I ne samo u Norveškoj. Prema njegovim riječima, podzemni kompleks veličine fudbalskog igrališta sposoban je da nesmetano snabdijeva strujom cijeli grad sa 15.000 pojedinačnih domova. Štoviše, za razliku od vjetroturbina, takva osmotska instalacija je praktički tiha, ne mijenja poznati krajolik i ne utječe na ljudsko zdravlje. I sama priroda će se pobrinuti za popunjavanje rezervi slane i slatke vode.

Mora i rijeke, nepresušni izvori energije, ne samo da pokreću turbine plimnih, talasnih elektrana i hidroelektrana. More i slatka voda mogu raditi u tandemu - i tada faktor kao što je promjena saliniteta vode djeluje kao generator energije. Unatoč činjenici da je energija soli tek na početku svog tehnološkog razvoja, već ima očigledne izglede.

Princip rada i potencijal solinskih stanica

Stvaranje soli temelji se na prirodnom procesu zvanom osmoza. U prirodi je široko zastupljen, kako živi tako i neživi. Konkretno, zbog osmotskog pritiska, sok u drveću tokom metabolizma putuje značajnu udaljenost od korijena do vrha, podižući se na impresivnu visinu - na primjer, za sekvoju je oko sto metara. Sličan fenomen - osmoza - svojstven je vodenim tijelima i očituje se u kretanju molekula. Kretanje čestica se vrši iz zone sa velikim brojem molekula vode u medij sa nečistoćama soli.

Promjene saliniteta moguće su u brojnim slučajevima, uključujući i kada more ili jezera dođu u dodir sa svježim vodama - rijekama, ušćima i lagunama u blizini obale. Osim toga, blizina slanih i slatkih voda moguća je u krajevima sa sušnom klimom, u područjima gdje se nalaze podzemna ležišta soli, slane kupole, kao i ispod morskog dna. Razlika u salinitetu komunikacionih vodenih masa može nastati veštački - u bazenima za isparavanje, solarnim slojevitim ribnjacima, u rešenjima ispuštanja hemijske industrije i u rezervoarima za vodu energetskih objekata, uključujući nuklearne elektrane.

Kretanje jona, kao i svaka prirodna sila, može se koristiti za stvaranje energije. Klasični princip stvaranja soli uključuje izgradnju membrane propusne za jone između svježih i slanih otopina. U tom slučaju će čestice svježeg rastvora proći kroz membranu, pritisak slane tekućine se povećava i kompenzira osmotske sile. Kako je u prirodi opskrba rijekama svježom vodom konstantna, kretanje jona će biti stabilno, jer se razlika tlaka neće mijenjati. Potonji pokreće hidraulične turbine generatora i tako proizvodi energiju.

Mogućnosti proizvodnje energije zavise prvenstveno od saliniteta vode, kao i od nivoa njenog protoka u riječnom toku. Prosječan nivo saliniteta Svjetskog okeana je 35 kilograma po kubnom metru vode. Osmotski pritisak na ovom nivou dostiže 24 atmosfere, što je ekvivalentno sili vode koja pada sa brane visine 240 metara. Ukupan ispust vode iz slatkovodnih tijela u mora iznosi 3,7 hiljada kubnih kilometara godišnje. Ako za proizvodnju iskoristimo 10% potencijala najvećih reka Evropske unije - Visle, Rajne i Dunava, proizvedena količina energije će tri puta premašiti prosečnu potrošnju u Evropi.

Još neke impresivne brojke: izgradnjom elektrana na području gdje se Volga uliva u Kaspijsko more, moći će se proizvoditi 15 TWh energije godišnje.

Proizvodnja od 10 TWh i 12 TWh energije sasvim je moguća u područjima ušća Dnjepra u Crno more i Amur-Tatarskog moreuza, respektivno. Prema stručnjacima iz norveške kompanije Statkraft, ukupan potencijal energije soli dostiže 0,7–1,7 hiljada TWh ili 10% globalnih potreba.

Prema najoptimističnijim procjenama stručnjaka, maksimiziranje korištenja saliniteta vode omogućit će da se dobije više električne energije nego što čovječanstvo trenutno troši.

Prvi razvoj teško bi se mogao nazvati uspješnim - membrane nisu pružale dovoljno snažan protok. Bili su potrebni materijali koji su mogli izdržati pritisak dva desetina puta veći nego u vodovodnim mrežama, a istovremeno imaju poroznu strukturu. Napredak u razvoju počeo je sredinom osamdesetih, nakon što je norveška kompanija SINTEF kreirala jeftin modifikovani polietilen na bazi keramike.

Nakon što su dobili novu tehnologiju, Norvežani su zapravo otvorili put za praktičnu implementaciju projekata proizvodnje soli. Vlada zemlje je 2001. godine dodijelila Statkraftu grant za izgradnju eksperimentalne osmotske instalacije ukupne površine membrane od 200 kvadratnih metara. Izgradnja stanice koštala je oko 20 miliona dolara. Objekat je izgrađen u gradu Tofte (koji se nalazi u opštini Khurum). Osnova za izgradnju bila je infrastruktura fabrike papira Södra Cell Tofte.

Södra Cell Tofte tvornica papira s pilot postrojenjem

Snaga generatora pokazala se više nego skromnom - stanica proizvodi najviše 4 kW energije, što je dovoljno samo za rad dva električna kuhala. U budućnosti se planira povećanje indikatora snage na 10 kW. Međutim, treba imati na umu da je pilot projekat pokrenut kao eksperiment i bio je prvenstveno namijenjen testiranju tehnologija i testiranju teorijskih proračuna u praksi. Pretpostavlja se da se stanica može prebaciti u komercijalni rad ako se eksperiment smatra uspješnim. U ovom slučaju, isplativu snagu generatora treba povećati na 5 W po kvadratnom metru površine membrane, ali sada ova brojka za norvešku stanicu nije veća od 1 W po kvadratnom metru.

Eksperimentalna osmotska postavka

Sljedeća faza u razvoju proizvodnje soli korištenjem membranskih tehnologija bilo je pokretanje elektrane u Afsluitdijku u Nizozemskoj 2014. godine. Početna snaga objekta bila je 50 kW, prema neprovjerenim podacima, može se povećati na desetine megavata. Stanica, izgrađena na obali Sjevernog mora, ukoliko se projekat razvije, moći će da zadovolji energetske potrebe 200 hiljada domaćinstava, izračunali su u kompaniji Fudji, koja je bila dobavljač membrana.

Rusija i Japan kao perspektivne teritorije

Ako govorimo o tome u kojim regijama svijeta će se pojaviti sljedeće stanice, onda ova vrsta energije ima najviše izgleda u Japanu. To je prvenstveno zbog uspostavljene proizvodnje potrebnih komponenti - kompanije u zemlji proizvode 70% svjetske količine osmotskih membrana. Vjerojatno će proraditi i geografski faktor - stručnjaci sa Tokijskog tehničkog instituta došli su do zaključka da Japan ima veliki potencijal za razvoj energije soli.

Ostrva zemlje su sa svih strana okružena okeanskim vodama u koje se uliva veliki broj rijeka. Korištenje osmotskih stanica omogućit će dobivanje 5 GW energije, što je ekvivalentno proizvodnji nekoliko nuklearnih elektrana, od kojih je većina zatvorena u japanskoj regiji nakon katastrofe u Fukušimi.

Osmotske membrane

Ruska teritorija nije ništa manje atraktivna za razvoj ovog segmenta. Prema mišljenju domaćih stručnjaka, izgradnja osmotske stanice na području uliva Volge u Kaspijsko more može biti potpuno izvodljiv projekat. Nivo protoka vode na ušću rijeke iznosi 7,71 hiljada kubnih metara u sekundi, dok će potencijalni kapacitet proizvodnje soli varirati u granicama od 2,83 GW. Snaga stanice, koja koristi 10% rečnog toka, biće 290 MW. Međutim, razvijena ekonomska aktivnost u regionu, obilje faune i flore u delti Volge donekle će zakomplicirati projekat izgradnje stanice - bit će potrebna izgradnja niza inženjerskih objekata, kanala za prolaz riba i slivova.

S druge strane, i pored povoljnih geografskih uslova i mogućnosti širokog izbora lokacije proizvodnih objekata, u Rusiji se još uvijek ne odvijaju sistematski razvoji po ovim pitanjima. Iako je, prema nekim podacima, 1990. godine, na osnovu naučne grupe Dalekoistočnog naučnog centra Akademije nauka SSSR, sprovedena studija o mogućnosti razvoja energije soli do laboratorijskih eksperimenata, rezultati ovo djelo je ostalo nepoznato. Poređenja radi, u istoj Evropi istraživanja u oblasti stvaranja osmotskih stanica naglo su se intenzivirala pod pritiskom ekoloških organizacija od početka devedesetih. U ovaj rad u EU aktivno su uključeni sve vrste startupa, a koriste se državne subvencije i grantovi.

Načini daljeg razvoja tehnologije

Najperspektivnija istraživanja u industriji energije soli uglavnom su usmjerena na poboljšanje efikasnosti proizvodnje energije korištenjem spomenute membranske tehnologije. Francuski istraživači su, posebno, uspjeli povećati stopu proizvodnje energije na nivo od 4 kW po kvadratnom metru membrane, što je već približilo mogućnost premještanja stanica na komercijalnu osnovu vrlo blizu stvarnosti. Naučnici iz SAD-a i Japana otišli su još dalje - uspjeli su koristiti tehnologiju grafenskog filma u strukturi membrane. Visok stepen propusnosti postiže se zbog ultra male debljine membrane, koja ne prelazi veličinu atoma. Pretpostavlja se da se upotrebom grafenskih membrana proizvodnja energije po kvadratnom metru površine može povećati na 10 kW.

Grupa stručnjaka sa Federalne politehničke škole u Lozani (Švajcarska) počela je da istražuje mogućnost efikasnog hvatanja energetskog naboja na način treće strane - bez upotrebe generatorskih turbina, ali direktno tokom prolaska jona kroz membrane. Da bi to učinili, koristili su ploče molibden disulfida debljine tri atoma u testnim postavkama. Ovaj materijal je relativno jeftin, a njegove rezerve u prirodi su prilično velike.

Na pločama se prave mikro-rupe kako bi se omogućilo prolazu nabijenih čestica soli, koje stvaraju energiju dok se kreću. Jedna takva membranska pora može proizvesti do 20 nanowata. Prema švicarskom federalnom institutu za tehnologiju u Cirihu, membrane ovog tipa površine 0,3 kvadratna metra proizvode oko megavat energije. Očigledno, takav pokazatelj, u slučaju uspješnih eksperimenata, može se smatrati pravim probojom u industriji. Do sada su istraživanja u početnoj fazi, naučnici su se već susreli s prvim problemom - još nisu u stanju da naprave veliki broj ravnomjerno raspoređenih nanorupa u membranama.

U SAD-u, Izraelu i Švedskoj se u međuvremenu razvijaju metode za dobivanje energije putem reverzne elektrodijalize, vrste membranske tehnologije. Ova tehnika, koja uključuje upotrebu ion-selektivnih membrana, omogućava implementaciju sheme za direktnu konverziju saliniteta vode u električnu energiju. Uloga elementa nazivne generacije je baterija za elektrodijalizu, koja se sastoji od elektroda i nekoliko membrana postavljenih između njih, posebno dizajniranih da osiguraju razmjenu kationa i aniona.

Reverzni krug elektrodijalize

Membrane formiraju nekoliko komora u koje ulaze otopine s različitim stupnjevima zasićenosti soli. Kada ioni prolaze između ploča u određenom smjeru, električna energija se akumulira na elektrodama. Možda će uz korištenje najnovijih membranskih tehnologija efikasnost takvih instalacija biti visoka. Do sada eksperimenti sa stvaranjem instalacija sličnog dizajna - s dijalitičkim baterijama - nisu pokazali impresivne rezultate. Konkretno, upotreba kationskih i anionskih membrana daje samo 0,33 vata po kvadratnom metru membrane. Potonji su prilično skupi i kratkotrajni.

Općenito, membranske tehnologije se ne savladavaju od nule - takvi su dizajni u osnovi slični pločama koje se koriste u postrojenjima za desalinizaciju vode, ali su mnogo tanje i teže za proizvodnju. Vodeće kompanije u proizvodnji membrana za desalinizaciju, uključujući General Electric, još nisu počele isporučivati ploče za osmotske stanice. Kako je saopšteno iz press službe korporacije, početak proizvodnje membrana za energetski sektor će početi najkasnije za pet do deset godina.

U pozadini poteškoća s razvojem tradicionalnih membranskih tehnologija, brojni istraživači su svoje aktivnosti posvetili traženju alternativnih metoda proizvodnje soli. Tako je fizičar Doriano Brogioli iz Italije predložio korištenje saliniteta vode za izvlačenje energije pomoću jonistora - kondenzatora velikog kapaciteta. Akumulacija energije se dešava na elektrodama od aktivnog uglja tokom procesa uzastopnog ulaska slatke i slane vode u istu komoru. Tokom praktičnog eksperimenta, naučnik je uspeo da generiše 5 mikrodžula energije u jednom ciklusu punjenja rezervoara. Potencijal svoje instalacije procijenio je mnogo većim - do 1,6 kilodžula po litru svježe vode, pod uvjetom da se koriste jonistori većeg kapaciteta, što je sasvim uporedivo s membranskim generatorima.

Američki stručnjaci sa Univerziteta Stanford krenuli su sličnim putem. Dizajn njihovih baterija predviđa punjenje komore za baterije svježom vodom uz daljnje malo punjenje iz vanjskog izvora. Nakon prijelaza iz slatke u morsku vodu, zbog povećanja broja jona nekoliko desetina puta, povećava se električni potencijal između elektroda, što dovodi do stvaranja više energije od one koja se troši na punjenje baterije.

Potpuno drugačiji princip korištenja saliniteta vode je prilično težak za implementaciju, ali je već testiran na modelnim postrojenjima za proizvodnju. Uključuje korištenje razlike u tlaku zasićene pare nad vodenim tijelima sa slanom i slatkom vodom. Činjenica je da kako se stepen slanosti vode povećava, pritisak pare iznad njene površine opada. Razlika pritiska može se koristiti za proizvodnju energije.

Kada se koriste mikroturbine, moguće je dobiti do 10 vati energije iz svakog kvadratnog metra izmjenjivača topline, ali za to su potrebna samo vodena tijela s visokim stupnjem saliniteta - na primjer, Crveno ili Mrtvo more. Osim toga, tehnologija zahtijeva održavanje niskog, blizu vakuuma, atmosferskog tlaka unutar instalacije, što je problematično kada se generator nalazi na otvorenom vodenom području.

Energija iz soli: više prednosti

U oblasti proizvodnje soli, kao iu drugim energetskim sektorima, prioritetni razvojni podsticaj je ekonomski faktor. U tom smislu, energija soli izgleda više nego atraktivno. Tako će, prema mišljenju stručnjaka, pod uslovom da se unaprede postojeće tehnologije proizvodnje energije korišćenjem membrana, cena proizvodnje iznositi 0,08 evra po 1 kW - čak i u odsustvu subvencija za proizvodne kompanije.

Poređenja radi, troškovi proizvodnje energije na vjetroelektranama u evropskim zemljama kreću se od 0,1 do 0,2 eura po kilovatu. Proizvodnja uglja je jeftinija – 0,06–0,08 €, proizvodnja gasa-uglja – 0,08–0,1 €, ali treba imati u vidu da termo stanice zagađuju atmosferski vazduh. Dakle, u cjenovnom segmentu osmotske stanice imaju jasnu prednost u odnosu na druge vrste alternativne energije. Za razliku od vjetro- i solarnih stanica, generatori soli su tehnički efikasniji - njihov rad ne ovisi o dobu dana i godišnjem dobu, a nivo saliniteta vode je gotovo konstantan.

Izgradnja osmotskih stanica, za razliku od hidroelektrana i drugih vrsta stanica na vodnim tijelima, ne zahtijeva troškove izgradnje posebnih hidrauličnih konstrukcija. Kod ostalih vrsta morske energije situacija je gora. Pronedra je ranije pisao da je za izgradnju plimnih stanica potrebna izgradnja velike i složene infrastrukture. Podsjetimo, slični problemi se tiču energetskih objekata koji rade na snazi oceanskih struja i morskih valova.

Kao jedno od područja alternativne energije, proizvodnju soli karakterizira „ekološki plus“ - rad osmotskih stanica je apsolutno siguran za okoliš, ne narušava prirodnu ravnotežu žive prirode. Proces generisanja energije iz slanosti vode nije praćen efektima buke. Da biste pokrenuli stanice, ne morate mijenjati pejzaž. Nemaju emisiju, otpad ili isparenja, pa se takve stanice mogu instalirati direktno u gradovima. Stanice jednostavno koriste uobičajene prirodne procese desalinizacije slane vode u ušćima rijeka za proizvodnju energije i ni na koji način ne utiču na njihov tok.

Unatoč nizu očiglednih prednosti, energija soli ima i određene nedostatke, prvenstveno povezane s nesavršenošću postojećih tehnologija. Pored gore navedenih problema sa stvaranjem visoko produktivnih, pouzdanih i istovremeno jeftinih membrana, hitno je i pitanje razvoja efikasnih filtera, jer voda koja ulazi u osmotsku elektranu mora biti temeljno očišćena od organskih materija koje začepljuju kanali namenjeni za prolaz jona.

Nedostaci stanica uključuju geografsko ograničenje mogućnosti njihove upotrebe - takvi generatori se postavljaju samo na granicama slatkih i slanih voda, odnosno na ušćima rijeka ili na slanim jezerima. Ipak, čak i uz postojeće nedostatke i na pozadini svojih ogromnih prednosti, te uz prevazilaženje tehnoloških problema, energija soli nesumnjivo ima velike šanse da zauzme jednu od ključnih pozicija na globalnom tržištu proizvodnje.

Shvatajući da su rezerve fosilnih energetskih resursa ograničene, a korištenje nuklearnih tehnologija povezano sa značajnim rizicima i problemom odlaganja radioaktivnog otpada, ljudi sve više pokušavaju koristiti alternativne izvore energije. Obnovljivi izvori imaju ukupan energetski potencijal koji je 3 hiljade puta veći od trenutnih potreba čovječanstva. Istina, samo mali dio ovog potencijala se može iskoristiti, ali i to je - čak i na sadašnjem stupnju razvoja tehnologije - dovoljno da pokrije energetske potrebe gotovo 6 puta. Sama solarna energija bi bila više nego dovoljna.

Pa ipak, inženjeri nastavljaju da traže sve više alternativnih izvora energije - ili se vraćaju starim idejama koje su nekada bile prepoznate kao neperspektivne i stoga odbačene, a sada opet obećavaju uspeh. Jedan od tih projekata je i pilot postrojenje koje je pokrenuto u utorak u Norveškoj. Zasnovan je na tehnologiji koja omogućava izvlačenje energije iz pritiska koji nastaje kada se slatka i slana voda spoje tamo gdje se rijeka uliva u more. Govorimo o takozvanoj osmozi.

Slatka voda + morska voda = izvor energije

Voda pod tako visokim osmotskim pritiskom se dovodi u generatorsku turbinu koja proizvodi električnu energiju.

Glavna stvar je prava membrana

Svijetle perspektive