Osmoottinen voimalaitos: puhdasta suolavettä

On välttämätöntä varoittaa heti: Otsikossa ei ole virhettä, nimessä ei ole tarinaa kosmisesta energian tasapainosta. Jätämme sen esoteerikoille ja tieteiskirjailijoille. Ja puhumme tavanomaisesta ilmiöstä, jonka kanssa olemme rinnakkain koko elämän ajan.

Kuinka monet ihmiset tietävät, mistä johtuen puiden mehut nousevat huomattavaan korkeuteen? Sekveniassa se on yli 100 metriä. Tämä mehujen kuljetus fotosynteesivyöhykkeelle tapahtuu fyysisen vaikutuksen vuoksi - Osmosis. Se koostuu yksinkertaisesta ilmiöstä: kahdessa erikokoisissa liuoksissa, jotka asetetaan astiaan, jossa on puoliläpäisevä (vain liuotinmolekyylejä läpäisevä) kalvo, tasoero ilmenee jonkin ajan kuluttua. Kreikan kielen kirjaimellisessa käännöksessä osmoosi on työntö, paine.

Ja nyt villieläimistä palaamme tekniikkaan. Jos meri ja makea vesi laitetaan astiaan, jossa on väliseinä, silloin näyttää liuenneiden suolojen eri pitoisuuksien vuoksi osmoottinen paine ja merenpinta nousee. Vesimolekyylit siirtyvät korkean pitoisuuden alueelta liuosvyöhykkeelle, jossa on enemmän epäpuhtauksia ja vähemmän vesimolekyylejä.

Vesitasoeroa käytetään edelleen tavanomaisella tavalla: tämä on vesivoimalaitosten tuttu työ. Ainoa kysymys on Kuinka sopiva osmoosivaikutus on teolliseen käyttöön? Laskelmat osoittavat, että kun meriveden suolapitoisuus on 35 g / litra, osmoosi-ilmiön seurauksena syntyy 2 389 464 Pascal: n tai noin 24 ilmakehän paineen lasku. Käytännössä tämä vastaa padoa, jonka korkeus on 240 metriä.

Mutta paineen lisäksi kalvojen selektiivisyys ja niiden läpäisevyys ovat myös erittäin tärkeä ominaisuus. Loppujen lopuksi turbiinit eivät tuota energiaa paine-erosta, vaan veden virtauksesta johtuen. Täällä, viime aikoihin asti, oli erittäin vakavia vaikeuksia. Sopivan osmoottisen membraanin on kestettävä paine, joka on 20-kertainen paineessa tavanomaisessa vedenjakelussa. Samanaikaisesti niillä on korkea huokoisuus, mutta ne pitävät suolamolekyylejä. Ristiriitaisten vaatimusten yhdistelmä pitkään aikaan ei salli osmoosin käyttöä teollisiin tarkoituksiin.

Suolanpoistoongelmien ratkaisemiseksi keksittiin vettä Loeb-kalvojoka kestäi valtavan paineen ja säilytti mineraalisuolat ja hiukkaset jopa 5 mikroniin saakka. Loeb-kalvoja ei ollut mahdollista käyttää pitkään suorassa osmoosissa (energiantuotannossa), koska ne olivat erittäin kalliita, toiminnassaan omituisia ja heikosti läpäiseviä.

Läpimurto osmoottisten membraanien käytössä tapahtui 80-luvun lopulla, kun norjalaiset tutkijat Holt ja Thorsen ehdottivat modifioitu keraaminen pohjainen muovikalvo. Halvan polyeteenin rakenteen parantaminen antoi meille mahdollisuuden luoda sopivien kierrekalvojen malli käytettäväksi osmoottisen energian tuotannossa. Testaamaan tekniikkaa energian tuottamiseksi osmoosivaikutuksesta, vuonna 2009 maailman ensimmäinen kokeellinen osmoottinen voimalaitos.

Norjalaisesta energiayrityksestä Statkraftista, joka on saanut valtionapua ja käyttänyt yli 20 miljoonaa dollaria, on tullut edelläkävijä uudentyyppisessä energiamuodossa. Rakennettu osmoottinen voimalaitos tuottaa noin 4 kW tehoa, joka riittää työskentelemään ... kaksi sähkövettä. Mutta aseman rakentamistavoitteet ovat paljon vakavampia: tekniikan testaaminen ja kalvojen materiaalien testaaminen avaa olosuhteet avaa tietä paljon tehokkaampien rakenteiden luomiseen.

Asemien kaupallinen vetovoima alkaa energian poistotehokkuudella, joka on yli 5 wattia neliömetriä kohden kalvoja.Toftin norjalaisella asemalla tämä arvo tuskin ylittää 1 W / m2. Mutta jo tänään testataan kalvoja, joiden hyötysuhde on 2,4 W / m2, ja vuoteen 2015 mennessä odotetaan kustannustehokkaan arvon olevan 5 W / m2.

Osmoottinen voimalaitos Toftissa

Mutta Ranskan tutkimuskeskuksesta on rohkaisevaa tietoa. Hiilinanoputkiin perustuvien materiaalien kanssa työskentelemällä tutkijat saivat näytteistä osmoosienergian uuttamisen tehokkuuden noin 4000 W / m2. Ja tämä ei ole vain kustannustehokasta, vaan ylittää melkein kaikkien perinteisten energialähteiden tehokkuuden.

Vielä vaikuttavammat näkymät lupaavat sovelluksen grafeenikalvot. Kalvosta, jonka paksuus on yksi atomikerros, tulee täysin vesimolekyylejä läpäisevä, samalla kun se säilyttää kaikki muut epäpuhtaudet. Tällaisen materiaalin hyötysuhde voi olla yli 10 kW / m2. Japanin ja Amerikan johtavat yritykset liittyivät kilpailuun luoda korkean suorituskyvyn kalvoja.

Jos seuraavan vuosikymmenen aikana on mahdollista ratkaista osmoottisten asemien kalvoongelma, uusi energialähde on johtava asema ihmisille ympäristöystävällisten energialähteiden tarjoamisessa. Toisin kuin tuuli- ja aurinkoenergia, suoran osmoosin kasvit voivat toimia ympäri vuorokauden, eikä sääolosuhteet vaikuta niihin.

Globaali osmoosienergian varanto on valtava - makean jokiveden vuotuinen päästö on yli 3700 kuutiometriä. Jos vain 10% tästä tilavuudesta voidaan käyttää, silloin voidaan tuottaa enemmän kuin 1,5TW / h sähköenergiaa, ts. noin 50% Euroopan kulutuksesta.

Mutta ei vain tämä lähde voi auttaa ratkaisemaan energiaongelmaa. Erittäin tehokkailla membraaneilla voidaan käyttää meren syvyyksien energiaa. Tosiasia, että veden suolapitoisuus riippuu lämpötilasta ja se on erilainen eri syvyyksissä.

Suolapitoisuuden lämpötilagradienteilla et voi kiinnittyä jokien suihin asemien rakentamisessa, vaan sijoittaa ne vain valtamereihin. Mutta tämä on kaukaisen tulevaisuuden tehtävä. Vaikka käytäntö osoittaa, että ennusteiden tekeminen teknologiassa on kiitoton tehtävä. Ja huomenna tulevaisuus voi koputtaa todellisuutemme.