Centrală osmotică energie cu apă sărată curată. Centrală osmotică din Norvegia

Este necesar să vă avertizez imediat: nu există nicio greșeală în titlu, nu va exista nicio poveste despre energia cosmică, care este în consonanță cu titlul. Vom lăsa pe seama ezoteriştilor şi scriitorilor de science-fiction. Și vom vorbi despre un fenomen familiar cu care coexistăm cot la cot de-a lungul întregii vieți.

Câți oameni știu din cauza ce procese seva din copaci se ridică la o înălțime considerabilă? Pentru sequoia este mai mult de 100 de metri. Acest transport al sucurilor 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 doar la moleculele de solvent), după un timp apare o diferență de niveluri. Tradus literal din greacă osmoza este împingere, presiune.

Și acum să ne întoarcem de la natura vie la tehnologie. Dacă marea și apa dulce sunt plasate într-un vas cu un despărțitor, atunci datorită concentrațiilor diferite de săruri dizolvate, presiune osmotica iar nivelul apei mării va crește. Moleculele de apă se deplasează dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de soluție, unde există mai multe impurități și mai puține molecule de apă.

Diferența de nivel al apei este apoi utilizată în mod obișnuit: aceasta este funcționarea familiară a centralelor hidroelectrice. Singura întrebare este, Cât de potrivit este efectul de osmoză pentru aplicații industriale? Calculele arată că, cu o salinitate a apei de mare de 35 g/litru, fenomenul de osmoză creează o cădere de presiune de 2.389.464 Pascali sau aproximativ 24 de atmosfere. În practică, aceasta este echivalentă cu un baraj de 240 de metri înălțime.

Dar, pe lângă presiune, o altă caracteristică foarte importantă este selectivitatea membranelor și permeabilitatea acestora. La urma urmei, turbinele generează energie nu din diferențele de presiune, ci din fluxul de apă. Aici, până de curând, au existat dificultăți foarte serioase. O membrană osmotică adecvată trebuie să reziste la o presiune de 20 de ori mai mare decât presiunea dintr-o sursă convențională de apă. În același timp, are porozitate mare, dar reține moleculele de sare. O combinație de cerințe contradictorii a împiedicat utilizarea osmozei în scopuri industriale pentru o lungă perioadă de timp.

La rezolvarea problemelor de desalinizare a apei, a fost inventat Membrana Loeb, care a rezistat la o presiune enormă și a reținut săruri minerale și particule de până la 5 microni. Nu a fost posibilă o lungă perioadă de timp să se utilizeze membrane Loeb pentru osmoză directă (generare de energie electrică), deoarece erau extrem de scumpe, greu de operat și aveau o permeabilitate scăzută.

O descoperire în utilizarea membranelor osmotice a avut loc la sfârșitul anilor 80, când oamenii de știință norvegieni Holt și Thorsen au propus utilizarea folie de polietilenă modificată pe bază de ceramică. Îmbunătățirea structurii polietilenei ieftine a făcut posibilă crearea unui design adecvat de membrane spiralate pentru utilizare în producerea de energie osmotică. Pentru a testa tehnologia de obținere a energiei din efectul de osmoză, în 2009, primul experiment din lume centrală osmotică.

Compania energetică norvegiană Statkraft, după ce a primit o subvenție guvernamentală și a cheltuit peste 20 de milioane de dolari, a devenit un pionier într-un nou tip de energie. Centrala osmotică construită produce aproximativ 4 kW de putere, care este suficientă pentru a funcționa... două ibrice electrice. Dar obiectivele construirii stației sunt mult mai serioase: la urma urmei, dezvoltarea tehnologiei și testarea materialelor membranare în condiții reale deschide calea spre crearea unor structuri mult mai puternice.

Atractivitatea comercială a stațiilor începe cu eficiența de eliminare a puterii de peste 5 W pe metru pătrat de membrane. La stația norvegiană din Toft această valoare abia depășește 1 W/m2. Dar membrane cu o eficiență de 2,4 W/m2 sunt deja testate, iar până în 2015 se așteaptă să atingă o valoare rentabilă de 5 W/m2.

Dar există informații încurajatoare de la un centru de cercetare francez. Lucrând cu materiale pe bază de nanotuburi de carbon, oamenii de știință au obținut pe probe o eficiență de selecție a energiei osmotice de aproximativ 4000 W/m2. Și acest lucru nu este doar rentabil, ci depășește eficiența aproape tuturor surselor tradiționale de energie.

Aplicația promite perspective și mai impresionante. Membrana, cu o grosime de un strat atomic, devine complet permeabilă la moleculele de apă, reținând în același timp orice alte impurități. Eficiența unui astfel de material poate depăși 10 kW/m2. Corporații de top din Japonia și America s-au alăturat cursei pentru a crea membrane de înaltă performanță.

Dacă este posibil să se rezolve problema membranelor pentru stațiile osmotice în următorul deceniu, atunci noua sursă de energie va ocupa un loc de frunte în furnizarea umanității cu surse de energie ecologice. Spre deosebire de energia eoliană și solară, instalațiile de osmoză directă pot funcționa non-stop și nu sunt afectate de condițiile meteorologice.

Rezerva globală de energie osmotică este enormă - debitul anual de apă dulce de râu este de peste 3.700 de kilometri cubi. Dacă se poate folosi doar 10% din acest volum, atunci este posibil să se genereze mai mult de 1,5 TW/oră 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, este posibil să valorificăm energia oceanului adânc. Faptul este că salinitatea apei depinde de temperatură și este diferită la diferite adâncimi.

Folosind gradienții de temperatură ai salinității, este posibil să nu fii legat de gurile râurilor în construcția de stații, ci pur și simplu să le plasezi în oceane. Dar aceasta este deja o sarcină pentru viitorul îndepărtat. Deși practica arată că realizarea de prognoze în tehnologie este o sarcină ingrată. Iar viitorul s-ar putea să ne lovească mâine realitatea.

Între două rezervoare este plasată o membrană specială care permite trecerea apei, dar nu a moleculelor de sare. Într-una dintre ele se toarnă apă proaspătă, în cealaltă apă sărată. Deoarece un astfel de sistem se străduiește la echilibru, apa mai sărată pare să atragă apă proaspătă din rezervor. Dacă un generator este plasat în fața membranei, presiunea în exces își va roti palele și va genera electricitate.
Ideea, așa cum se întâmplă adesea, a fost sugerată de natura vie: același principiu este folosit pentru a transfera substanțe în celule - aceleași membrane parțial permeabile asigură elasticitatea celulelor. Presiunea osmotică a fost folosită de multă vreme cu succes de oameni în desalinizarea apei de mare, dar până acum a fost folosită pentru prima dată pentru producerea de energie electrică.
În acest moment, prototipul produce aproximativ 1 kW de energie. În viitorul apropiat, această cifră poate crește la 2-4 kW. Pentru a vorbi despre rentabilitatea producției, este necesar să se obțină o producție de aproximativ 5 kW. Cu toate acestea, aceasta este o sarcină foarte reală. Până în 2015, este planificată construirea unei stații mari care va genera 25 MW, care va alimenta 10.000 de gospodării medii. În viitor, este de așteptat ca IPS să devină atât de puternic încât să poată genera 1.700 TW pe an, atât cât produce în prezent jumătate din Europa. Sarcina principală în acest moment este de a găsi membrane mai eficiente.
Jocul merită cu siguranță lumânarea. Avantajele stațiilor osmotice sunt evidente. În primul rând, apa sărată (apa de mare obișnuită este potrivită pentru funcționarea stației) este o resursă naturală inepuizabilă. Suprafața Pământului este acoperită în proporție de 94% cu apă, din care 97% sărată, așa că va exista întotdeauna combustibil pentru astfel de stații. În al doilea rând, organizarea unui UES nu necesită construirea de site-uri speciale: orice spații nefolosite ale întreprinderilor existente sau alte clădiri de birouri sunt potrivite. În plus, IPS poate fi instalat la gurile de râu, unde apa proaspătă curge în marea sărată sau în ocean - și în acest caz nu este nevoie să umpleți în mod special rezervoarele cu apă.

Apa dulce + apa de mare = sursa de energie

De obicei, acolo unde un râu se varsă în mare, apa dulce se amestecă pur și simplu cu apa sărată și nu există nicio presiune acolo care ar putea servi drept sursă de energie. Profesorul Klaus-Viktor Peinemann de la Institutul de Cercetare a Polimerilor de la Centrul de Cercetare GKSS din orașul Geesthacht din nordul Germaniei, denumește condițiile care sunt necesare pentru apariția presiunii osmotice: „Dacă apa de mare și apa dulce sunt separate printr-un filtru înainte de amestecare - o membrană specială care permite trecerea apei, dar este impermeabilă la sare, atunci tendința soluțiilor la echilibrul termodinamic și egalizarea concentrațiilor poate fi realizată numai datorită faptului că apa va pătrunde în soluția de sare, iar sarea va nu intra în apă dulce”.

Dacă acest lucru se întâmplă într-un rezervor închis, atunci din apa mării apare presiunea hidrostatică în exces, numită presiune osmotică. Pentru a-l folosi pentru producerea de energie, în punctul în care râul se varsă în mare, trebuie să instalați un rezervor mare cu două camere, separate una de cealaltă printr-o membrană semi-permeabilă care permite trecerea apei și a sării să nu treacă. prin. O cameră este umplută cu apă sărată, cealaltă cu apă dulce. „Presiunea osmotică rezultată poate fi foarte mare”, subliniază profesorul Peineman. „Atinge aproximativ 25 de bari, ceea ce corespunde presiunii apei la poalele unei cascade care cade de la o înălțime de 100 de metri”.

Apa sub o presiune osmotică atât de mare este furnizată unei turbine generatoare care produce energie electrică.

Principalul lucru este membrana potrivită

S-ar părea că totul este simplu. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că ideea utilizării osmozei ca sursă de energie a apărut acum aproape jumătate de secol. Dar... „Unul dintre principalele obstacole la acea vreme era lipsa membranelor de calitate adecvată”, spune profesorul Peineman. „Membranele erau extrem de lente, astfel încât eficiența generatorului electric osmotic ar fi foarte scăzută. Dar în în următorii 20-30 de ani, au avut loc mai multe descoperiri tehnologice. Am aflat că astăzi producem membrane extrem de subțiri, ceea ce înseamnă că randamentul lor a devenit semnificativ mai mare."
Specialiștii de la Centrul de Cercetare GKSS au adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea chiar a membranei care a făcut acum posibilă implementarea în practică a producției de energie osmotică - deși încă pur experimentală. Unul dintre dezvoltatori, Carsten Blicke, explică: "Grosimea membranei este de aproximativ 0,1 micrometri. Pentru comparație, un păr uman are un diametru de 50 până la 100 de micrometri. Această peliculă subțire este cea care separă în cele din urmă apa de mare de cea proaspătă."

Este clar că o astfel de membrană subțire nu poate rezista singură la presiunea osmotică ridicată. Prin urmare, se aplică pe o bază poroasă, asemănătoare unui burete, dar extrem de durabilă. În general, o astfel de partiție arată ca o hârtie lucioasă, iar faptul că există un film pe ea este imposibil de observat cu ochiul liber.

Perspective luminoase

Pentru realizarea centralei pilot a fost necesară o investiție de câteva milioane de euro. Investitorii care erau gata să-și asume riscuri, deși nu imediat, au fost încă găsiți. Statkraft, una dintre cele mai mari companii energetice din Norvegia și lider european în utilizarea resurselor de energie regenerabilă, s-a oferit voluntar pentru a finanța proiectul inovator. Profesorul Peineman își amintește: „Au auzit de această tehnologie, au fost încântați și au semnat un acord de cooperare cu noi. Uniunea Europeană a alocat 2 milioane de euro pentru implementarea acestui proiect, restul fondurilor au fost contribuite de către Statkraft și o serie de alte companii. , inclusiv Institutul nostru.”

„O serie de alte companii” sunt centre de cercetare din Finlanda și Portugalia, precum și o firmă de cercetare norvegiană. Uzina pilot, cu o capacitate de 2 până la 4 kilowați, construită în Oslofjord, lângă orașul Tofte și inaugurată astăzi, este concepută pentru a testa și îmbunătăți tehnologia inovatoare. Dar conducerea Statkraft este încrezătoare că în câțiva ani se va ajunge la utilizarea comercială a osmozei. Și potențialul global total al producției de energie osmotică este estimat la nu mai puțin de 1600-1700 terawatt-oră pe an - acesta este aproximativ jumătate din consumul de energie al întregii Uniuni Europene. Cel mai important avantaj al unor astfel de instalații este respectarea mediului - nu fac zgomot și nu poluează atmosfera cu emisii de gaze cu efect de seră. În plus, sunt ușor de integrat în infrastructura existentă.

Prietenia mediului

Separat, aș dori să subliniez caracterul ecologic absolut al acestei metode de generare a energiei electrice. Fără deșeuri, materiale oxidante din rezervor, vapori nocivi. IPS poate fi instalat chiar și în interiorul orașului fără a provoca daune rezidenților săi.
De asemenea, funcționarea IPS nu necesită alte surse de energie pentru a porni și nu depinde de condițiile climatice. Toate acestea fac din IPS o modalitate aproape ideală de a genera energie electrică.

Într-o bună zi din 1747, starețul francez Nollet a turnat vinul de Bordeaux pe care nu îl băuse cu o zi înainte într-o vezică de porc adusă din bucătărie și l-a scufundat într-un butoi cu apă. 262 de ani mai târziu, pe 24 noiembrie 2009, Prințesa Moștenitoare Norvegiană Mette-Marit a sorbit un pahar de șampanie. Cum sunt conectate aceste două evenimente? Atât Nolle, cât și prințesa au făcut descoperiri remarcabile. Abbot a fost primul din lume care a descris fenomenul osmozei și proprietățile de bază ale membranei, iar Mette-Marit, tăind panglica simbolică, a deschis prima centrală osmotică din lume, Statcraft, în Toft.

Vladimir Sannikov

Este posibil să dezbatem cu ce a umplut de fapt vezica de porc starețul și marele fizician experimental Jean-Antoine Nollet, care a intrat în istorie. Dar prezența apei în ambele vase (bulă și butoi) este de netăgăduit. Singura diferență este concentrația de alcool dizolvat în ea. Această diferență a fost cea care a dat impuls difuziei apei prin membrana semi-permeabilă de la butoi la bule. Prin modul în care bula s-a umflat, s-ar putea înțelege că acest fenomen dă naștere unei forțe unidirecționale foarte semnificative, pe care Nolle a numit-o presiune osmotică. Și a definit osmoza ca fiind procesul de difuzie a unui solvent dintr-o soluție mai puțin concentrată la una mai concentrată.

În prezent, compania norvegiană Statcraft, lider pe piața europeană de energie curată, a găsit o modalitate de a transforma această presiune în energie electrică. Noua tehnologie este singura capabilă să extragă jouli din diferențele naturale de săruri minerale dintre apa dulce și cea de mare, mai degrabă decât din energia cinetică a mișcării lor. Norvegienii estimează că resursele de energie regenerabilă osmotică ale lumii variază de la 1,6 până la 1,7 terawați – aproximativ aceeași cantitate de care China avea nevoie de un miliard de dolari în 2004! Spre deosebire de vântul capricios, surf și soare, procesele de osmoză nu se opresc nici o secundă, 24 de ore pe zi, pe tot parcursul anului.

Funcționarea unei centrale osmotice nu necesită structuri inginerești speciale: cuptoare, reactoare, baraje, turnuri de răcire. Prima centrală electrică cu osmoză din lume este situată într-un depozit gol al unei fabrici de prelucrare a lemnului.

Bea marea

De fapt, fenomenul osmozei este folosit la scară industrială de mai bine de 40 de ani. Numai că aceasta nu este clasica osmoză directă a Abbot Nollet, ci așa-numita osmoză inversă - un proces artificial de penetrare a unui solvent dintr-o soluție concentrată într-o soluție diluată sub influența presiunii care depășește presiunea osmotică naturală. Această tehnologie a fost folosită în instalațiile de desalinizare și purificare încă de la începutul anilor 1970. Apa de mare sărată este pompată pe o membrană specială și, trecând prin porii ei, este lipsită de o proporție semnificativă de săruri minerale, precum și de bacterii și chiar de viruși. Pomparea apei sărate sau contaminate necesită cantități mari de energie, dar jocul merită lumânarea - există multe regiuni de pe planetă în care lipsa de apă potabilă este o problemă acută.

Evoluții teoretice în acest domeniu au apărut la începutul secolului al XX-lea, dar implementarea lor a lipsit principalul lucru - o membrană osmotică adecvată. O astfel de membrană trebuia să reziste la o presiune de 20 de ori mai mare decât presiunea instalațiilor sanitare obișnuite și să aibă o porozitate extrem de ridicată. Crearea de materiale cu proprietăți similare a devenit posibilă după al Doilea Război Mondial, când potențialul științific acumulat în timpul proiectelor militare a dat impuls dezvoltării tehnologiilor de producere a polimerilor sintetici.

Este greu de crezut că simpla diferență în concentrația a două soluții poate crea o forță serioasă, dar este adevărat: presiunea osmotică poate ridica nivelul apei mării cu 120 m.

Cea mai importantă descoperire în acest domeniu a avut loc în 1959. Sydney Loeb și Srinivasa Suranjan de la Universitatea California din Los Angeles au dezvoltat o membrană anizotropă în spirală care poate rezista la o presiune enormă, poate reține eficient sărurile minerale și particulele mecanice de până la 5 microni și, cel mai important, au un randament ridicat cu dimensiuni minime. Invenția lui Loeb și Suranjan a făcut desalinizarea osmotică o afacere rentabilă. La începutul anilor 1960, în Coalinga, California, Loeb a construit prima stație de desalinizare din lume folosind efectul PRO (Pressure retarded osmosis), apoi s-a mutat în Israel, unde și-a continuat cercetările cu fonduri de la UNESCO. Cu participarea lui Loeb, în 1967, în orașul Yotvata a fost construită o instalație de desalinizare cu o capacitate de 150 m³ pe zi, producând apă potabilă curată dintr-un lac subteran cu o salinitate de zece ori mai mare decât apa mării. Trei ani mai târziu, tehnologia PRO a fost protejată de un brevet american.

Osmoză și spațiu

Laboratorul de membrane de la Centrul NASA Ames a rezolvat problema furnizării de apă potabilă locuitorilor stațiilor spațiale de mulți ani la rând. Oamenii de știință au dezvoltat tehnologia DOC care combină două procese multidirecționale - osmoza directă și osmoza inversă. Cu osmoza inversa, membrana functioneaza ca un filtru fin si necesita multa energie. Osmoza directă, dimpotrivă, o produce. Fiecare dintre aceste procese privează separat soluțiile apoase de cantitatea copleșitoare de impurități. Rezultatul este așa-numita apă gri, care poate fi folosită în scopuri igienice. Pentru a face apă potabilă din apă gri, soluția trece printr-o etapă de purificare cu membrană fără încălzire suplimentară și apoi purificare de bacterii și viruși în subsistemul de oxidare catalitică. Intensitatea energetică de echilibru a DOC este suficient de mică pentru a fi utilizată în spațiu.
O metodă originală de purificare a apei pentru stațiile spațiale a fost prezentată de compania americană Osmotek. Pentru a colecta deșeurile, ea sugerează să folosiți pungi cu membrană, cum ar fi pliculețe de ceai care conțin cărbune activ. Membrana permite trecerea numai a apei cu o cantitate mică de contaminanți. Această soluție primară intră apoi într-o cameră cu membrană cu un substrat special concentrat în altă parte. Fenomenul rezultat de osmoză directă completează procesul.
Oasys promite să reducă consumul de energie al instalațiilor de desalinizare osmotică de nu mai puțin de zece ori. Adevărat, în acest caz nu vorbim de opus, ci de osmoză directă. Și nu simplu, ci modificat. Esența sa constă în prezența pe partea opusă a unei membrane PRO convenționale a unei soluții de extracție brevetate cu un conținut ridicat de amoniac, dioxid de carbon și alte substanțe chimice. Când două soluții intră în contact, are loc fenomenul de osmoză și materia primă este purificată de impurități. Punctul culminant al tehnicii Oasys este că fluxul de apă proaspătă curată nu se amestecă cu soluția de tragere.

Experimentele de transformare a presiunii osmotice în energie electrică folosind membrane Loeb-Suranjan au fost efectuate de diverse grupuri și companii științifice încă de la începutul anilor 1970. Principiul acestui proces era evident: fluxul de apă dulce (de râu) care pătrunde prin porii membranei crește presiunea în rezervorul de apă de mare, permițând astfel turbinei să se rotească. Apa salmastra reziduala este apoi eliberata in mare. Singura problemă a fost că membranele clasice PRO erau prea scumpe, capricioase și nu asigurau puterea de curgere necesară. Problema a demarat la sfârșitul anilor 1980, când chimiștii norvegieni Thorleif Holt și Thor Thorsen de la Institutul SINTEF au preluat soluția problemei.

Domeniul cosmic

Membranele Loeb necesitau grad clinic pentru a menține performanța de vârf. Proiectarea modulului cu membrană al stației de desalinizare a necesitat prezența unui filtru grosier primar și a unei pompe puternice care a îndepărtat resturile de pe suprafața de lucru a membranei.

Holt și Thorsen, după ce au analizat caracteristicile celor mai promițătoare materiale, au ales polietilenă modificată ieftină. Publicațiile lor în reviste științifice au atras atenția specialiștilor de la Statcraft, iar chimiștii norvegieni au fost invitați să-și continue activitatea sub auspiciile companiei energetice. În 2001, programul de membrane Statcraft a primit o subvenție guvernamentală. Folosind fondurile primite, în Sunndalsjor a fost construită o instalație osmotică experimentală pentru a testa probe de membrană și a testa tehnologia în ansamblu. Suprafața activă din acesta era puțin peste 200 m².

În imaginile schematice, membrana osmotică este desenată ca un perete. De fapt, este o rolă închisă într-un corp cilindric. Structura sa multistrat alternează straturi de apă dulce și sărată. Secțiunea transversală arată cum sunt organizate curgerile apei în interiorul cilindrului osmotic. Cu cât sunt instalate mai multe astfel de module la stație, cu atât va putea genera mai multă energie.

Pentru a accelera procesul, inginerii de la laboratorul specializat de membrane al NASA au fost invitați să se alăture echipei. Cert este că de la pregătirile pentru programul lunar Apollo la Centrul NASA. Ames a efectuat cercetări aprofundate în tehnologiile de desalinizare și purificare a soluțiilor apoase. Experiența americană a fost utilă, iar până în 2008, Statcraft a avut primele mostre de membrane spiralate de poliimidă pentru viitoarele centrale osmotice. Performanța lor a fost de 1 W pe 1 m² cu difuzia a 10 litri de apă dulce pe secundă sub o presiune de 10 bar.

Stația din Toft operează doar astfel de module cu membrană cu o suprafață totală de 2000 m². Acest lucru este suficient pentru a genera 4 kW, dar pentru o stație cu drepturi depline de 25 de megawați ar necesita până la 5 milioane de metri pătrați. Desigur, membranele pentru centralele osmotice ar trebui să fie mult mai eficiente decât cele actuale. Stein Eric Skillhagen, vicepreședintele Statcraft care supraveghează programul, spune că compania testează în prezent mostre de fibre goale elicoidale de 3 W/m2, cu membrane plate de 5 W care se estimează că vor fi disponibile până în 2015. În plus, norvegienii studiază cu atenție evoluțiile terților în acest domeniu și cooperează activ cu specialiști de la General Electric, Hydranautics, Dow și japonezul Toray.

În Olanda, 3.300 de metri cubi de apă de râu se varsă în marea sărată în fiecare secundă. Oamenii de știință au calculat că potențialul său total de energie este de 4,5 * 10 9 W. Cercetătorii de la KEMA intenționează, de asemenea, să prindă măcar o parte din energia din acest butoi fără fund, dar fără, în opinia lor, mecanici inutile. Și o astfel de posibilitate există. Deocamdată - sub forma unei instalații experimentale de electrodializă inversă RED (electrodializă inversă). De asemenea, folosește mare și apă dulce, separate prin limite semi-permeabile. Există doar două membrane aici și acţionează ca electrozi. La urma urmei, RED este o baterie care funcționează datorită diferenței de concentrații de ioni în două medii. Această diferență creează o tensiune slabă pe suprafața membranelor anodului și catodic. Dacă asamblați un pachet din ele, tensiunea va fi foarte vizibilă. De exemplu, o baterie de dimensiunea unui container standard produce aproape 250 kW. KEMA operează o fabrică mică de 50 kW în Harlingen din 2006. Testează metode de curățare și prevenire a contaminării membranei cu biomaterial. Puritatea clinică este un factor critic în funcționarea eficientă a sistemului.

Apropo, o membrană pentru osmoză directă nu este un perete subțire, care este reprezentat în diagrame simplificate, ci o rolă lungă închisă într-un corp cilindric. Conexiunile cu corpul sunt realizate astfel încât în toate straturile rolei să fie întotdeauna apă dulce pe o parte a membranei și apă de mare pe cealaltă.

Energia adâncurilor

Diferența dintre salinitatea (în termeni științifici - gradient de salinitate) a apei dulci și a apei de mare este principiul de bază al funcționării unei centrale osmotice. Cu cât este mai mare, cu atât este mai mare volumul și debitul pe membrană și, prin urmare, cantitatea de energie generată de turbina hidraulică. În Toft, apa dulce curge prin gravitație pe membrană; ca urmare a osmozei, presiunea apei de mare de pe cealaltă parte crește brusc. Puterea osmozei este colosală - presiunea poate ridica nivelul apei mării cu 120 m.

Apoi, apa de mare diluată rezultată trece prin distribuitorul de presiune pe paletele turbinei și, după ce le-a dat toată energia sa, este aruncată în mare. Distribuitorul de presiune preia o parte din energia debitului, rotind pompele care pompează apa de mare. În acest fel, este posibilă creșterea semnificativă a eficienței stației. Rick Stover, director de tehnologie la Energy Recovery, care produce astfel de dispozitive pentru instalațiile de desalinizare, estimează că eficiența transferului de energie al distribuitorilor este aproape de 98%. Exact aceleași dispozitive de desalinizare ajută la livrarea apei potabile către clădirile rezidențiale.

După cum notează Skillhagen, în mod ideal, centralele osmotice ar trebui combinate cu instalațiile de desalinizare - salinitatea apei de mare reziduale în acestea din urmă este de 10 ori mai mare decât nivelul natural. Într-un astfel de tandem, eficiența producției de energie va crește de cel puțin două ori.

Lucrările de construcție în Tofte au început în toamna anului 2008. Un depozit gol a fost închiriat pe locul fabricii de celuloză Celula Sódra. La primul etaj a fost instalată o cascadă de filtre cu plasă și cuarț pentru purificarea apei de râu și de mare, iar la etajul al doilea era o cameră de mașini. În luna decembrie a aceluiași an au fost ridicate și instalate modulele de membrană și distribuitorul de presiune. În februarie 2009, un grup de scafandri a pus două conducte paralele de-a lungul fundului golfului - pentru apă dulce și de mare.

Apa de mare este colectată în Toft de la adâncimi de 35 până la 50 m - în acest strat salinitatea sa este optimă. În plus, acolo este mult mai curat decât la suprafață. Dar, în ciuda acestui fapt, membranele stației necesită curățare regulată pentru a îndepărta reziduurile organice care înfundă microporii.

Din aprilie 2009, centrala a fost exploatată în regim de probă, iar în noiembrie, cu mâna uşoară a Prinţesei Mette-Marit, a fost lansată la întregul său potenţial. Skillhagen asigură că după Tofte, Statcraft va avea alte proiecte similare, dar mai avansate. Și nu numai în Norvegia. Potrivit acestuia, complexul subteran de dimensiunea unui teren de fotbal este capabil să alimenteze neîntrerupt cu energie electrică un întreg oraș cu 15.000 de locuințe individuale. În plus, spre deosebire de turbinele eoliene, o astfel de instalație osmotică este practic silențioasă, nu schimbă peisajul familiar și nu afectează sănătatea umană. Și natura însăși se va ocupa de refacerea rezervelor de sare și apă dulce.

Mările și râurile, surse inepuizabile de energie, nu numai că antrenează turbinele centralelor mareomotrice, valurilor și hidrocentralelor. Marea și apele dulci pot funcționa în tandem - și apoi un factor precum schimbarea salinității apei acționează ca un generator de energie. În ciuda faptului că energia sării este abia la începutul dezvoltării sale tehnologice, are deja perspective evidente.

Principiul de funcționare și potențialul stațiilor de sare

Generarea de sare se bazează pe un proces natural numit osmoză. Este larg reprezentat în natură, atât viu, cât și neviu. În special, datorită presiunii osmotice, seva din copaci în timpul metabolismului parcurge o distanță semnificativă de la rădăcini până la vârf, ridicându-se la o înălțime impresionantă - de exemplu, pentru sequoia este de aproximativ o sută de metri. Un fenomen similar - osmoza - este inerent corpurilor de apă și se manifestă în mișcarea moleculelor. Mișcarea particulelor se realizează dintr-o zonă cu un număr mare de molecule de apă într-un mediu cu impurități de sare.

Modificări ale salinității sunt posibile într-o serie de cazuri, inclusiv atunci când marea sau lacurile intră în contact cu ape mai proaspete - râuri, estuare și lagune din apropierea coastei. În plus, apropierea apelor sărate și dulci este posibilă în regiunile cu un climat arid, în zonele în care se află depozite de sare subterane, cupole de sare și, de asemenea, sub fundul mării. Diferența de salinitate a maselor de apă comunicante poate apărea în mod artificial - în iazurile de evaporare, iazurile stratificate solare, în soluțiile de deversare ale industriei chimice și în rezervoarele de apă ale instalațiilor energetice, inclusiv centralele nucleare.

Mișcarea ionilor, ca orice forță naturală, poate fi folosită pentru a genera energie. Principiul clasic al generarii de sare presupune construirea unei membrane permeabile la ioni intre solutiile proaspete si saline. În acest caz, particulele de soluție proaspătă vor trece prin membrană, presiunea lichidului sărat crește și compensează forțele osmotice. Deoarece în natură furnizarea de apă dulce în râuri este constantă, mișcarea ionilor va fi stabilă, deoarece diferența de presiune nu se va modifica. Acesta din urmă antrenează turbinele hidraulice ale generatoarelor și astfel produce energie.

Posibilitățile de producere a energiei depind în primul rând de salinitatea apei, precum și de nivelul debitului acesteia în debitul râului. Nivelul mediu de salinitate al Oceanului Mondial este de 35 de kilograme pe metru cub de apă. Presiunea osmotică la acest nivel atinge 24 de atmosfere, ceea ce este echivalent cu forța apei care cade de la o înălțime a barajului de 240 de metri. Deversarea totală a apei din corpurile de apă dulce în mări este de 3,7 mii de kilometri cubi pe an. Dacă folosim 10% din potențialul celor mai mari râuri ale Uniunii Europene - Vistula, Rinul și Dunărea - pentru generare, volumul de energie generat va depăși de trei ori consumul mediu din Europa.

Câteva cifre mai impresionante: odată cu construirea de centrale electrice în zona în care Volga se varsă în Marea Caspică, se vor putea produce 15 TWh de energie pe an. Generarea de 10 TWh și 12 TWh de energie este destul de posibilă în zonele de confluență dintre Nipru-Marea Neagră și, respectiv, strâmtoarea Amur-Tătar. Potrivit specialiștilor companiei norvegiene Statkraft, potențialul total al energiei sărate ajunge la 0,7–1,7 mii TWh sau 10% din nevoile globale. Potrivit celor mai optimiste estimări ale experților, maximizarea utilizării salinității apei va face posibilă obținerea mai multă energie electrică decât consumă omenirea în prezent.

Europa: proiecte finalizate

Primele încercări ale oamenilor de știință de a genera electricitate prin crearea presiunii osmotice, care ar fi capabilă să antreneze turbinele generatoarelor, datează din anii șaptezeci ai secolului XX. Chiar și atunci, s-a propus folosirea ca componentă principală a unui nou tip de centrală generatoare a unei membrane semi-permeabile, impenetrabilă la curgerea inversă a sărurilor, dar care să permită complet liberă trecere a moleculelor de apă.

Primele dezvoltări cu greu puteau fi numite reușite - membranele nu asigurau un flux suficient de puternic. Erau necesare materiale care să reziste la o presiune de două duzini de ori mai mare decât în rețelele de alimentare cu apă și, în același timp, să aibă o structură poroasă. Progresul în dezvoltare a început la mijlocul anilor optzeci, după ce compania norvegiană SINTEF a creat o polietilenă modificată ieftină pe bază de ceramică.

După ce au primit noua tehnologie, norvegienii au deschis de fapt calea către implementarea practică a proiectelor de generare de sare. În 2001, guvernul țării a acordat Statkraft un grant pentru construirea unei instalații osmotice experimentale cu o suprafață totală a membranei de 200 de metri pătrați. Construcția stației a costat aproximativ 20 de milioane de dolari, a fost construită în orașul Tofte (situat în comuna Khurum). Baza construcției a fost infrastructura fabricii de hârtie Södra Cell Tofte.

Fabrică de hârtie Södra Cell Tofte cu plantă pilot

Puterea generatorului s-a dovedit a fi mai mult decât modestă - stația produce maximum 4 kW de energie, care este suficientă doar pentru a funcționa două ceainice electrice. În viitor, este planificată creșterea indicatorului de putere la 10 kW. Cu toate acestea, trebuie amintit că proiectul pilot a fost lansat ca un experiment și a fost destinat în primul rând testării tehnologiilor și testării calculelor teoretice în practică. Se presupune că stația poate fi transferată în funcționare comercială dacă experimentul este considerat reușit. În acest caz, puterea rentabilă a generatorului ar trebui să crească la 5 W pe metru pătrat de suprafață a membranei, dar acum această cifră pentru stația norvegiană nu este mai mare de 1 W pe metru pătrat.

Configurație osmotică experimentală

Următoarea etapă în dezvoltarea generării de sare folosind tehnologii cu membrane a fost lansarea unei centrale electrice în Afsluitdijk, Olanda, în 2014. Puterea inițială a instalației a fost de 50 kW; conform datelor neverificate, poate fi mărită la zeci de megawați. Stația, construită în largul Mării Nordului, dacă proiectul va fi dezvoltat, va putea satisface nevoile energetice a 200 de mii de gospodării, a calculat compania Fudji, care a acționat ca furnizor de membrane.

Rusia și Japonia ca teritorii promițătoare

Dacă vorbim despre în ce regiuni ale lumii vor apărea următoarele stații, atunci acest tip de energie are cele mai multe perspective în Japonia. Acest lucru se datorează în primul rând producției stabilite a componentelor necesare - companiile țării produc 70% din volumul mondial de membrane osmotice. Probabil că și factorul geografic va funcționa - specialiștii de la Institutul Tehnic din Tokyo au ajuns la concluzia că Japonia are un mare potențial pentru dezvoltarea energiei sărate. Insulele țării sunt înconjurate pe toate părțile de ape oceanice, în care se varsă un număr mare de râuri. Utilizarea stațiilor osmotice va face posibilă obținerea a 5 GW de energie, ceea ce echivalează cu generarea mai multor centrale nucleare, dintre care majoritatea au fost închise în regiunea japoneză după dezastrul de la Fukushima.

Membrane osmotice

Teritoriul rus nu este mai puțin atractiv pentru dezvoltarea acestui segment. Potrivit experților autohtoni, construcția unei stații osmotice în zona în care Volga se varsă în Marea Caspică poate fi un proiect complet fezabil. Nivelul debitului de apă la gura râului este de 7,71 mii metri cubi pe secundă, în timp ce capacitatea potențială de generare a sării va fluctua în limita a 2,83 GW. Puterea stației, folosind 10% din debitul râului, va fi de 290 MW. Cu toate acestea, activitatea economică dezvoltată în regiune, abundența faunei și florei din delta Volga vor complica într-o oarecare măsură proiectul de construcție a stației - va fi necesară construirea unui număr de structuri inginerești, canale pentru trecerea peștilor și bazine de apă.

În plus, Crimeea este unul dintre locurile promițătoare pentru introducerea generării de osmoză. Deși potențialul total al râurilor peninsulei este scăzut, acesta ar putea totuși satisface nevoile energetice ale instalațiilor individuale, de exemplu, hoteluri. Experții iau în considerare, pur ipotetic, chiar și posibilitatea utilizării apelor uzate în Crimeea ca sursă proaspătă pentru stațiile osmotice. Volumul de ape uzate care este în prezent deversat în mare în timpul verii în regiune poate depăși intensitatea debitului râurilor individuale. Cu toate acestea, în acest caz, problema tehnologiei pentru curățarea eficientă a echipamentelor de contaminanți devine deosebit de acută.

Pe de altă parte, în ciuda condițiilor geografice favorabile și a posibilității unei alegeri largi pentru amplasarea instalațiilor de generare, dezvoltări sistematice pe aceste aspecte nu au fost încă realizate în Rusia. Deși, potrivit unor date, în 1990, pe baza unui grup științific al Centrului Științific din Orientul Îndepărtat al Academiei de Științe URSS, a fost efectuat un studiu privind posibilitatea dezvoltării energiei sărate până la experimente de laborator, rezultatele de această lucrare a rămas necunoscută. Spre comparație, în aceeași Europă, cercetările în domeniul creării de stații osmotice s-au intensificat brusc sub presiunea organizațiilor de mediu încă de la începutul anilor '90. Tot felul de startup-uri sunt implicate activ în această activitate în UE, iar subvențiile guvernamentale și granturile sunt utilizate.

Modalități de dezvoltare ulterioară a tehnologiei

Cele mai promițătoare cercetări din industria energiei sărate vizează în principal îmbunătățirea eficienței producției de energie folosind tehnologia membranelor menționată. Cercetătorii francezi, în special, au reușit să crească rata de producție de energie la un nivel de 4 kW pe metru pătrat de membrană, ceea ce a adus deja posibilitatea transferului stațiilor pe o bază comercială foarte aproape de realitate. Oamenii de știință din SUA și Japonia au mers și mai departe - au reușit să folosească tehnologia filmului de grafen în structura membranei. Se obține un grad ridicat de permeabilitate datorită grosimii ultra-mice a membranei, care nu depășește dimensiunea unui atom. Se presupune că, odată cu utilizarea membranelor de grafen, producția de energie pe metru pătrat de la suprafață poate fi crescută la 10 kW.

Un grup de specialiști de la Școala Politehnică Federală din Lausanne (Elveția) a început să cerceteze posibilitatea captării efective a unei încărcături de energie într-un mod terț - fără utilizarea turbinelor generatoare, ci direct în timpul trecerii ionilor prin membrane. Pentru a face acest lucru, au folosit plăci de disulfură de molibden cu o grosime de trei atomi în setările de testare. Acest material este relativ ieftin, iar rezervele sale în natură sunt destul de mari.

În plăci sunt făcute micro-găuri pentru a permite trecerea particulelor de sare încărcate, care generează energie pe măsură ce se mișcă. Un astfel de por de membrană poate produce până la 20 nanowați. Potrivit Institutului Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich, membranele de acest tip cu o suprafață de 0,3 metri pătrați produc aproximativ un megawatt de energie. Evident, un astfel de indicator, în cazul experimentelor de succes, poate fi considerat o adevărată descoperire în industrie. Până acum, cercetarea este la stadiul inițial, oamenii de știință s-au confruntat deja cu prima problemă - nu sunt încă capabili să facă un număr mare de nanogăuri uniform distanțate în membrane.

În SUA, Israel și Suedia, între timp, se dezvoltă metode de obținere a energiei prin electrodializă inversă, un tip de tehnologie cu membrane. Această tehnică, care implică utilizarea membranelor ion-selective, face posibilă implementarea unei scheme de conversie directă a salinității apei în energie electrică. Elementul de generare nominală are rolul unei baterii de electrodializă, formată din electrozi și mai multe membrane plasate între ei, proiectate separat pentru a asigura schimbul de cationi și anioni.

Circuit de electrodializă inversă

Membranele formează mai multe camere în care intră soluții cu grade diferite de saturație cu sare. Când ionii trec între plăci într-o anumită direcție, electricitatea se acumulează pe electrozi. Poate că, odată cu utilizarea celor mai noi tehnologii cu membrane, eficiența unor astfel de instalații va fi ridicată. Până acum, experimentele cu crearea de instalații de design similar - cu baterii dialitice - nu au dat rezultate impresionante. În special, utilizarea membranelor cationice și anionice asigură doar 0,33 wați pe metru pătrat de membrane. Acestea din urmă sunt destul de scumpe și de scurtă durată.

În general, tehnologiile cu membrane nu sunt stăpânite de la zero - astfel de modele sunt fundamental similare cu plăcile utilizate în instalațiile de desalinizare a apei, dar sunt mult mai subțiri și mai dificil de fabricat. Companiile lider în producția de membrane de desalinizare, inclusiv General Electric, nu au început încă să furnizeze plăci pentru stațiile osmotice. Potrivit serviciului de presă al corporației, acesta va începe înființarea producției de membrane pentru sectorul energetic nu mai devreme de cinci sau zece ani.

Pe fondul dificultăților legate de dezvoltarea tehnologiilor tradiționale cu membrane, un număr de cercetători și-au dedicat activitățile căutării unor metode alternative de generare a sării. Astfel, fizicianul Doriano Brogioli din Italia a propus utilizarea salinității apei pentru a extrage energie folosind un ionistor - un condensator cu o capacitate mare. Acumularea de energie are loc pe electrozii de cărbune activat în timpul procesului de intrare secvențială a apei proaspete și sărate în aceeași cameră. În timpul unui experiment practic, omul de știință a reușit să genereze 5 microjouli de energie într-un ciclu de umplere a rezervorului. El a estimat potențialul instalației sale mult mai mare - până la 1,6 kilojuli pe litru de apă dulce, cu condiția să se utilizeze ionistori de capacitate mai mare, ceea ce este destul de comparabil cu generatoarele cu membrană.

Specialiștii americani de la Universitatea Stanford au urmat un drum similar. Designul bateriilor lor prevede umplerea camerei bateriei cu apă proaspătă cu încărcare suplimentară mică de la o sursă externă. După trecerea de la apă dulce la apă de mare, datorită creșterii de zeci de ori a numărului de ioni, crește potențialul electric dintre electrozi, ceea ce duce la generarea de mai multă energie decât cea cheltuită pentru reîncărcarea bateriei.

Un principiu complet diferit de utilizare a salinității apei este destul de dificil de implementat, dar a fost deja testat pe instalații generatoare de machete. Aceasta implică utilizarea diferenței de presiune a vaporilor saturați peste corpurile de apă cu apă dulce și sărată. Faptul este că, pe măsură ce gradul de salinitate al apei crește, presiunea vaporilor deasupra suprafeței sale scade. Diferența de presiune poate fi utilizată pentru a genera energie.

La folosirea microturbinelor, este posibil să se obțină până la 10 wați de energie din fiecare metru pătrat de schimbător de căldură, dar pentru aceasta este nevoie doar de corpuri de apă cu un grad ridicat de salinitate - de exemplu, Marea Roșie sau Marea Moartă. În plus, tehnologia necesită menținerea presiunii atmosferice scăzute, aproape de vid, în interiorul instalației, ceea ce este problematic atunci când generatorul este amplasat într-o zonă de apă deschisă.

Energie din sare: mai multe avantaje

În domeniul producerii sării, ca și în alte sectoare energetice, stimulentul de dezvoltare prioritar este factorul economic. În acest sens, energia sării pare mai mult decât atractivă. Astfel, potrivit experților, cu condiția îmbunătățirii tehnologiilor existente de producere a energiei folosind membrane, costul de producție va fi de 0,08 euro pe 1 kW – chiar și în absența subvențiilor pentru companiile producătoare.

Pentru comparație, costul producției de energie la parcurile eoliene din țările europene variază de la 0,1 la 0,2 euro pe kilowatt. Generarea de cărbune este mai ieftină - 0,06–0,08 €, generarea gaz-cărbune - 0,08–0,1 €, totuși, trebuie luat în considerare faptul că stațiile termice poluează aerul atmosferic. Astfel, pe segmentul de preț, stațiile osmotice au un avantaj clar față de alte tipuri de energie alternativă. Spre deosebire de stațiile eoliene și solare, generatoarele de sare sunt mai eficiente din punct de vedere tehnic - funcționarea lor nu depinde de momentul zilei și sezon, iar nivelul de salinitate a apei este aproape constant.

Construcția stațiilor osmotice, spre deosebire de centralele hidroelectrice și alte tipuri de stații pe corpuri de apă, nu necesită costul construirii unor structuri hidraulice speciale. În alte tipuri de energie marină, situația este mai gravă. Pronedra a scris mai devreme că construcția stațiilor de maree necesită construirea unei infrastructuri complexe și la scară largă. Să reamintim că probleme similare se referă la instalațiile energetice care funcționează cu puterea curenților oceanici și a valurilor marine.

Ca una dintre domeniile energiei alternative, generarea de sare se caracterizează printr-un „plus ecologic” - funcționarea stațiilor osmotice este absolut sigură pentru mediu, nu perturbă echilibrul natural al naturii vii. Procesul de generare a energiei din salinitatea apei nu este însoțit de efecte de zgomot. Pentru a lansa stații nu trebuie să schimbați peisajul. Nu au emisii, deșeuri sau fum și, prin urmare, astfel de stații pot fi instalate direct în orașe. Statiile folosesc pur si simplu procesele naturale obisnuite de desalinizare a apei sarate din gurile raurilor pentru a genera energie si nu le afecteaza in nici un fel cursul.

În ciuda unei serii de avantaje evidente, energia sării are și anumite dezavantaje, asociate în primul rând cu imperfecțiunea tehnologiilor existente. Pe lângă problemele menționate mai sus cu crearea unor membrane foarte productive, fiabile și în același timp ieftine, problema dezvoltării filtrelor eficiente este urgentă, deoarece apa care intră în centrala osmotică trebuie curățată temeinic de materia organică care înfundă canale destinate trecerii ionilor.

Dezavantajele stațiilor includ limitarea geografică a posibilității de utilizare a acestora - astfel de generatoare sunt instalate numai la limitele corpurilor de apă dulce și sărată, adică la gurile de râu sau pe lacurile sărate. Cu toate acestea, chiar și cu deficiențele existente și pe fondul enormelor sale avantaje și cu condiția depășirii problemelor tehnologice, energia sării are, fără îndoială, șanse mari să ocupe una dintre pozițiile cheie pe piața globală de producție.

Dându-și seama că rezervele de resurse de energie fosilă sunt limitate, iar utilizarea tehnologiilor nucleare este asociată cu riscuri semnificative și se confruntă cu problema eliminării deșeurilor radioactive, oamenii încearcă din ce în ce mai mult să folosească surse alternative de energie. Resursele regenerabile au un potențial energetic total de 3 mii de ori mai mare decât nevoile actuale ale umanității. Adevărat, doar o mică parte din acest potențial poate fi folosită, dar chiar și acest lucru - chiar și la nivelul actual de dezvoltare a tehnologiei - este suficient pentru a acoperi nevoile energetice de aproape 6 ori. Doar energia solară ar fi mai mult decât suficientă.

Și totuși, inginerii continuă să caute din ce în ce mai multe resurse energetice alternative - sau se întorc la vechile idei care au fost odată recunoscute ca nepromițătoare și, prin urmare, respinse, dar acum promit din nou succes. Planta pilot lansată marți în Norvegia este unul dintre aceste proiecte. Se bazează pe o tehnologie care face posibilă extragerea energiei din presiunea care apare atunci când apa dulce și cea sărată se contopesc acolo unde un râu se varsă în mare. Vorbim despre așa-numita osmoză.

Apa dulce + apa de mare = sursa de energie

Apa sub o presiune osmotică atât de mare este furnizată unei turbine generatoare care produce energie electrică.

Principalul lucru este membrana potrivită

Perspective luminoase