Οσμωτική μονάδα παραγωγής ενέργειας: καθαρή ενέργεια αλατούχου νερού

Είναι απαραίτητο να προειδοποιήσουμε αμέσως: δεν υπάρχει λάθος στον τίτλο, δεν θα υπάρξει ιστορία για την κοσμική ενέργεια που να συμφωνεί με το όνομα. Θα το αφήσουμε στους εσωτεριστές και τους συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας. Και θα μιλήσουμε για το συνηθισμένο φαινόμενο με το οποίο συνυπάρχουμε παράλληλα καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής.

Πόσοι άνθρωποι γνωρίζουν λόγω των διαδικασιών που οι χυμοί στα δέντρα ανεβαίνουν σε σημαντικό ύψος; Για sequoia, είναι περισσότερο από 100 μέτρα. Αυτή η μεταφορά χυμών στη ζώνη φωτοσύνθεσης συμβαίνει λόγω της εργασίας του φυσικού αποτελέσματος - όσμωση. Συνίσταται σε ένα απλό φαινόμενο: σε δύο διαλύματα διαφορετικών συγκεντρώσεων, τοποθετημένα σε ένα δοχείο με μεμβράνη ημιπερατό (διαπερατό μόνο για τα μόρια διαλύτη), εμφανίζεται διαφορά επιπέδου μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. Στην κυριολεκτική μετάφραση από την ελληνική γλώσσα η όσμωση είναι μια ώθηση, πίεση.

Και τώρα από την άγρια ​​φύση θα επιστρέψουμε στην τεχνολογία. Αν η θάλασσα και το γλυκό νερό τοποθετούνται σε ένα δοχείο με διάφραγμα, τότε εμφανίζονται διαφορετικές συγκεντρώσεις διαλελυμένων αλάτων ωσμωτική πίεση και η στάθμη της θάλασσας ανεβαίνει. Τα μόρια του νερού κινούνται από μια ζώνη υψηλής συγκέντρωσης σε μια ζώνη διαλύματος, όπου υπάρχουν περισσότερες ακαθαρσίες και λιγότερα μόρια νερού.

Η διαφορά στα επίπεδα των υδάτων χρησιμοποιείται περαιτέρω με τον συνήθη τρόπο: πρόκειται για το οικείο έργο υδροηλεκτρικών σταθμών. Το μόνο ερώτημα είναι Πόσο κατάλληλο είναι το φαινόμενο όσμωσης για βιομηχανική χρήση; Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι όταν η αλατότητα του θαλάσσιου νερού είναι 35 g / l, δημιουργείται πτώση πίεσης 2 389 464 Pascal ή περίπου 24 ατμόσφαιρες λόγω του φαινομένου της όσμωσης. Στην πράξη, αυτό ισοδυναμεί με ένα φράγμα ύψους 240 μέτρων.

Αλλά εκτός από την πίεση, η επιλεκτικότητα των μεμβρανών και η διαπερατότητα τους είναι επίσης ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό. Μετά από όλα, οι στρόβιλοι δεν παράγουν ενέργεια από μια διαφορική πίεση, αλλά λόγω της ροής του νερού. Εδώ, μέχρι πρόσφατα, υπήρξαν πολύ σοβαρές δυσκολίες. Μια κατάλληλη οσμωτική μεμβράνη πρέπει να αντέχει πίεση που είναι 20 φορές μεγαλύτερη από την πίεση στη συνήθη παροχή νερού. Ταυτόχρονα, έχουν υψηλό πορώδες, αλλά διατηρούν μόρια αλατιού. Ο συνδυασμός αντικρουόμενων απαιτήσεων για μεγάλο χρονικό διάστημα δεν επέτρεψε τη χρήση της όσμωσης για βιομηχανικούς σκοπούς.

Κατά την επίλυση των προβλημάτων αφαλάτωσης, εφευρέθηκε το νερό Μεμβράνη Loebη οποία αντέχει τεράστια πίεση και διατηρούνται ορυκτά άλατα και σωματίδια έως 5 μικρά. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, δεν ήταν δυνατή η εφαρμογή μεμβρανών Loeb για άμεση όσμωση (παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας), επειδή ήταν εξαιρετικά ακριβά, αιφνιδιαστικά σε λειτουργία και είχαν χαμηλή διαπερατότητα.

Μια ανακάλυψη στη χρήση οσμωτικών μεμβρανών ήρθε στα τέλη της δεκαετίας του '80, όταν οι Νορβηγοί επιστήμονες Holt και Thorsen πρότειναν να χρησιμοποιηθούν τροποποιημένο πλαστικό φιλμ με βάση το κεραμικό υλικό. Η βελτίωση της δομής του φτηνού πολυαιθυλενίου μας επέτρεψε να δημιουργήσουμε τον κατάλληλο σχεδιασμό σπειροειδών μεμβρανών για χρήση στην παραγωγή οσμωτικής ενέργειας. Για να δοκιμάσει την τεχνολογία για την παραγωγή ενέργειας από την επίδραση της ώσμωσης, το 2009 το πρώτο πειραματικό στον κόσμο οσμωτικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής.

Έχοντας λάβει κρατική επιχορήγηση και δαπάνησε περισσότερα από 20 εκατομμύρια δολάρια, η νορβηγική εταιρεία ενέργειας Statkraft έχει γίνει πρωτοπόρος σε ένα νέο είδος ενέργειας. Ο κατασκευασμένος ωσμωτικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας παράγει περίπου 4kW ισχύος, η οποία είναι αρκετή για να δουλέψει ... δύο ηλεκτρικοί βραστήρες. Αλλά οι στόχοι της κατασκευής του σταθμού είναι πολύ πιο σοβαροί: τελικά, η δοκιμή της τεχνολογίας και η δοκιμή σε πραγματικές συνθήκες τα υλικά για τις μεμβράνες ανοίγουν το δρόμο για τη δημιουργία πολύ πιο ισχυρών δομών.

Η εμπορική έκκληση των σταθμών ξεκινά με απόδοση απομάκρυνσης ισχύος άνω των 5 watts ανά τετραγωνικό μέτρο μεμβρανών.Στον νορβηγικό σταθμό Toft, η τιμή αυτή μόλις υπερβαίνει το 1 W / m2. Ωστόσο, ήδη δοκιμάζονται σήμερα μεμβράνες με απόδοση 2,4 W / m2, και έως το 2015 αναμένεται μια τιμή κόστους 5 W / m2.

Οσμωτικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής στην Τοφτ

Υπάρχουν όμως ενθαρρυντικές πληροφορίες από ένα ερευνητικό κέντρο στη Γαλλία. Εργαζόμενοι με υλικά που βασίζονται σε νανοσωλήνες άνθρακα, οι επιστήμονες έλαβαν στα δείγματα την αποτελεσματικότητα της εξόρυξης ενέργειας από οσμώσεως περίπου 4000 W / m2. Και αυτό δεν είναι μόνο οικονομικά αποδοτικό, αλλά υπερβαίνει την αποδοτικότητα σχεδόν όλων των παραδοσιακών πηγών ενέργειας.

Ακόμα πιο εντυπωσιακές προοπτικές υπόσχονται εφαρμογή γραφές. Μία μεμβράνη με πάχος μιας ατομικής στρώσης καθίσταται εντελώς διαπερατή στα μόρια του νερού, ενώ διατηρεί οποιεσδήποτε άλλες ακαθαρσίες. Η αποτελεσματικότητα ενός τέτοιου υλικού μπορεί να υπερβαίνει τα 10 kW / m2. Οι κορυφαίες εταιρείες στην Ιαπωνία και την Αμερική συμμετείχαν στον αγώνα για τη δημιουργία μεμβρανών υψηλής απόδοσης.

Εάν εντός της επόμενης δεκαετίας θα καταστεί δυνατή η επίλυση του προβλήματος των μεμβρανών για τους οσμωτικούς σταθμούς, τότε μια νέα πηγή ενέργειας θα αναλάβει ηγετικό ρόλο στην παροχή ανθρωπιάς με φιλικές προς το περιβάλλον πηγές ενέργειας. Σε αντίθεση με την αιολική και την ηλιακή ενέργεια, οι μονάδες άμεσης όσμωσης μπορούν να λειτουργούν όλο το εικοσιτετράωρο και δεν επηρεάζονται από τις καιρικές συνθήκες.

Το παγκόσμιο αποθεματικό της όσμωσης ενέργειας είναι τεράστιο - η ετήσια απόρριψη νεκρών ποταμών είναι πάνω από 3.700 κυβικά χιλιόμετρα. Εάν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο το 10% αυτού του όγκου, τότε μπορεί να δημιουργηθεί περισσότερη από 1.5 ΤW / h ηλεκτρικής ενέργειας, δηλ. περίπου το 50% της ευρωπαϊκής κατανάλωσης.

Αλλά όχι μόνο αυτή η πηγή μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση του ενεργειακού προβλήματος. Με πολύ αποδοτικές μεμβράνες, η ενέργεια των βάθους του ωκεανού μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Το γεγονός είναι ότι η αλατότητα του νερού εξαρτάται από τη θερμοκρασία και είναι διαφορετική σε διαφορετικά βάθη.

Χρησιμοποιώντας κλίσεις θερμοκρασίας αλατότητας, δεν μπορείτε να συνδεθείτε στα στόμια ποταμών στην κατασκευή σταθμών, αλλά απλά να τα τοποθετήσετε στους ωκεανούς. Αλλά αυτό είναι το καθήκον του μακρινού μέλλοντος. Παρόλο που η πρακτική δείχνει ότι η πρόβλεψη στην τεχνολογία είναι ένα άχαρο έργο. Και αύριο το μέλλον μπορεί να χτυπήσει την πραγματικότητά μας.