ऑस्मोसिस ऊर्जा। ऑस्मोटिक पावर प्लांट: समुद्री जल से वैकल्पिक ऊर्जा नमक के पानी से नॉर्वे में पावर प्लांट

तारीख: 26.12.2020

अब तक, दुनिया में एक आसमाटिक पावर प्लांट का केवल एक कार्यशील प्रोटोटाइप है। लेकिन भविष्य में उनमें से सैकड़ों होंगे।

एक आसमाटिक पावर प्लांट के संचालन का सिद्धांत

बिजली संयंत्र आसमाटिक प्रभाव पर आधारित है - विशेष रूप से डिजाइन की गई झिल्ली की संपत्ति केवल कुछ कणों को पारित करने की अनुमति देती है। उदाहरण के लिए, हम दो कंटेनरों के बीच एक झिल्ली स्थापित करेंगे और उनमें से एक में आसुत जल और दूसरे में एक खारा घोल डालेंगे। पानी के अणु स्वतंत्र रूप से झिल्ली से गुजरेंगे, लेकिन नमक के कण नहीं होंगे। और चूंकि ऐसी स्थिति में तरल पदार्थ संतुलन के लिए प्रयास करेंगे, तो जल्द ही ताजा पानी गुरुत्वाकर्षण द्वारा दोनों कंटेनरों में फैल जाएगा।

यदि विलयनों की संरचना में अंतर बहुत बड़ा कर दिया जाता है, तो झिल्ली के माध्यम से तरल का प्रवाह काफी मजबूत होगा। इसके रास्ते में वाटर टर्बाइन लगाकर आप बिजली पैदा कर सकते हैं। यह ऑस्मोटिक पावर प्लांट का सबसे सरल डिज़ाइन है। फिलहाल, इसके लिए इष्टतम कच्चा माल खारा समुद्री पानी और ताजा नदी का पानी - नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत हैं।

इस प्रकार का एक प्रायोगिक बिजली संयंत्र 2009 में नॉर्वे के ओस्लो शहर के पास बनाया गया था। इसका प्रदर्शन कम है - 1 वर्ग मीटर से 4 किलोवाट या 1 डब्ल्यू। झिल्ली। निकट भविष्य में यह आंकड़ा 1 वर्ग मीटर से बढ़ाकर 5 वाट किया जाएगा। 2015 तक, नॉर्वेजियन लगभग 25 मेगावाट की क्षमता वाला एक वाणिज्यिक आसमाटिक बिजली संयंत्र बनाने का इरादा रखते हैं।

इस ऊर्जा स्रोत के उपयोग की संभावनाएं

अन्य प्रकार के बिजली संयंत्रों पर ईसीओ का मुख्य लाभ अत्यंत सस्ते कच्चे माल का उपयोग है। वास्तव में, यह मुफ़्त है, क्योंकि ग्रह की सतह का 92-93% खारे पानी से ढका हुआ है, और एक अन्य स्थापना में आसमाटिक दबाव की उसी विधि से ताजा पानी प्राप्त करना आसान है। समुद्र में बहने वाली नदी के मुहाने पर बिजली संयंत्र स्थापित करने से कच्चे माल की आपूर्ति की सभी समस्याओं को एक झटके में हल किया जा सकता है। ईसीओ के संचालन के लिए जलवायु की स्थिति महत्वपूर्ण नहीं है - जब तक पानी बहता है, स्थापना कार्य करती है।

इसी समय, कोई विषाक्त पदार्थ नहीं बनता है - बाहर निकलने पर वही खारा पानी बनता है। ईसीओ बिल्कुल पर्यावरण के अनुकूल है, इसे आवासीय क्षेत्रों के तत्काल आसपास में स्थापित किया जा सकता है। बिजली संयंत्र वन्यजीवों को नुकसान नहीं पहुंचाता है, और इसके निर्माण के लिए नदियों को बांधों से अवरुद्ध करने की आवश्यकता नहीं है, जैसा कि जलविद्युत संयंत्रों के मामले में है। और ऐसे प्रतिष्ठानों की व्यापकता से बिजली संयंत्र की कम दक्षता की भरपाई आसानी से हो जाती है।

"स्पेस" से नहीं, बल्कि "ऑस्मोसिस" से शीर्षक में कोई गलती नहीं है

हर दिन हम यह सुनिश्चित करते हैं कि हम अक्षय ऊर्जा के सबसे अप्रत्याशित स्रोतों से घिरे हों। सूरज, हवा, धाराओं और ज्वार के अलावा, नमक पर चलने वाले जनरेटर का उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है - या बल्कि, यह ताजे और समुद्र के पानी के बीच के अंतर पर होता है। इस अंतर को लवणता प्रवणता कहा जाता है, और परासरण की घटना के लिए धन्यवाद, इसका उपयोग अतिरिक्त द्रव दबाव प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, जिसे पारंपरिक टर्बाइनों द्वारा विद्युत दबाव में परिवर्तित किया जाता है।

लवणता प्रवणता की ऊर्जा को विद्युत में परिवर्तित करने की कई ज्ञात विधियाँ हैं। आज के लिए सबसे आशाजनक ऑस्मोसिस का उपयोग करके परिवर्तन है, इसलिए, लवणता प्रवणता की ऊर्जा को अक्सर परासरण की ऊर्जा के रूप में जाना जाता है। लेकिन सिद्धांत रूप में, लवणता प्रवणता की ऊर्जा को परिवर्तित करने के अन्य तरीके भी संभव हैं।

परासरण की घटना इस प्रकार है। यदि आप एक अर्ध-पारगम्य झिल्ली (झिल्ली) लेते हैं और इसे ताजे और खारे पानी के बीच किसी बर्तन में एक सेप्टम के रूप में रखते हैं, तब आसमाटिक बल खारे पानी में ताजे पानी को पंप करने के लिए शुरू हो जाएंगे। ताजे पानी के अणु अलग करने वाली झिल्ली से होकर बर्तन के दूसरे भाग में, खारे पानी से भरे हुए होंगे, और झिल्ली नमक के अणुओं को ताजे पानी के साथ पहली छमाही में नहीं जाने देगी। इस संपत्ति के लिए, झिल्ली को अर्ध-पारगम्य कहा जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान निकलने वाली ऊर्जा खारे पानी के साथ बर्तन के हिस्से में उत्पन्न होने वाले बढ़े हुए दबाव के रूप में प्रकट होती है। यह आसमाटिक दबाव है (कभी-कभी आसमाटिक जलप्रपात कहा जाता है)। अधिकतम आसमाटिक दबाव एक समाधान (यानी, खारे पानी) और एक विलायक (यानी, ताजा पानी) के बीच दबाव का अंतर है, जिस पर परासरण बंद हो जाता है, जो अर्धपारगम्य झिल्ली के दोनों किनारों पर समान दबाव के गठन के कारण होता है। खारे पानी के आधे हिस्से में परिणामी बढ़ा हुआ दबाव आसमाटिक बलों को संतुलित करता है जो एक अर्ध-पारगम्य झिल्ली के माध्यम से खारे पानी में ताजे पानी के अणुओं को विस्थापित करते हैं।

परासरण की घटना को लंबे समय से जाना जाता है। इसे पहली बार ए. पोडलो ने 1748 में देखा था, लेकिन एक विस्तृत अध्ययन एक सदी से भी अधिक समय बाद शुरू हुआ। 1877 में, W. Pfeffer जलीय गन्ना चीनी समाधान का अध्ययन करते समय आसमाटिक दबाव को मापने वाले पहले व्यक्ति थे। 1887 में, वैंट हॉफ ने फ़ेफ़र के प्रयोगों के आंकड़ों के आधार पर, एक कानून स्थापित किया जो विलेय और तापमान की एकाग्रता के आधार पर आसमाटिक दबाव निर्धारित करता है। उन्होंने दिखाया कि एक समाधान का आसमाटिक दबाव संख्यात्मक रूप से उस दबाव के बराबर होता है जो विलेय के अणु तापमान और एकाग्रता के समान मूल्यों पर गैसीय अवस्था में होने पर लागू होगा।

आसमाटिक ऊर्जा प्राप्त करने के लिए, कम या ज्यादा केंद्रित समाधान के पास कम नमक एकाग्रता वाला स्रोत होना आवश्यक है। विश्व महासागर की स्थितियों में, ऐसे स्रोत इसमें बहने वाली नदियों के मुहाने हैं।

आसमाटिक दबाव से गणना की गई लवणता प्रवणता की ऊर्जा, कार्नोट चक्र से जुड़ी दक्षता सीमाओं के अधीन नहीं है; यह इस प्रकार की ऊर्जा की सकारात्मक विशेषताओं में से एक है। सवाल यह है कि इसे बिजली में कैसे बदला जाए।

हाल ही में नॉर्वे में खोला गया बिजली उत्पन्न करने के लिए ऑस्मोसिस की घटना का उपयोग करने वाला दुनिया का पहला बिजली संयंत्र। अपने काम में केवल नमक और ताजे पानी का उपयोग करके, बिजली संयंत्र का वर्तमान प्रोटोटाइप 2-4 किलोवाट उत्पन्न करेगा, लेकिन भविष्य में यह आंकड़ा काफी बढ़ जाएगा। बिजली उत्पन्न करने के लिए, नॉर्वेजियन कंपनी स्टेटक्राफ्ट द्वारा निर्मित स्टेशन का उपयोग करता है परासरण की घटना, अर्थात्, एक झिल्ली के माध्यम से लवण की उच्च सांद्रता की ओर समाधान की गति। चूँकि साधारण समुद्री जल में लवण की सांद्रता ताजे पानी की तुलना में अधिक होती है, परासरण की घटना एक झिल्ली द्वारा अलग किए गए ताजे और खारे पानी के बीच विकसित होती है, और जल प्रवाह की गति टरबाइन को काम करने के लिए मजबूर करती है, जिससे ऊर्जा पैदा होती है। पहले से लॉन्च किया गया प्रोटोटाइप छोटा है और दो से चार किलोवाट-घंटे का है। जैसा कि परियोजना प्रबंधक स्टीन एरिक स्किलगेन द्वारा समझाया गया है, कंपनी के पास एक बार में औद्योगिक पैमाने पर बिजली संयंत्र बनाने का लक्ष्य नहीं था, यह दिखाना अधिक महत्वपूर्ण था कि इस तकनीक का सिद्धांत रूप से ऊर्जा क्षेत्र में उपयोग किया जा सकता है। का विचार बिजली पैदा करने के लिए ऑस्मोसिस की घटना का उपयोग पहली बार 1992 में पर्यावरण आंदोलनों के कार्यकर्ताओं द्वारा प्रस्तावित किया गया था। स्टेटक्राफ्ट कंपनी नोटों की वेबसाइट। इंजीनियरों की गणना के अनुसार, आज 1700 किलोवाट प्रति घंटे की क्षमता वाला एक आसमाटिक बिजली संयंत्र बनाना संभव है। वहीं, वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों पर अन्य स्टेशनों के विपरीत - सौर या पवन - मौसम का स्टेशन के संचालन पर कोई प्रभाव नहीं पड़ेगा। मौजूदा प्रोटोटाइप में सिर्फ एक कॉफी निर्माता के लिए बिजली प्रदान करने की पर्याप्त क्षमता है, लेकिन 2015 तक स्टेटक्राफ्ट 10,000 निजी घरों के गांव में बिजली की आपूर्ति के लिए एक बिजली संयंत्र बनाने की उम्मीद करता है।

आगे की चुनौतियों में अधिक ऊर्जा कुशल झिल्लियों की खोज है। ओस्लो से 60 किमी दक्षिण में हुरम में स्टेशन पर इस्तेमाल होने वालों के लिए, यह आंकड़ा 1 डब्ल्यू / एम 2 है। थोड़ी देर बाद स्टेटक्राफ्ट बिजली को 2-3W तक बढ़ा देगा, लेकिन लागत प्रभावी स्तर तक पहुंचने के लिए, 5W प्राप्त करना आवश्यक है।

यह महसूस करते हुए कि जीवाश्म ऊर्जा संसाधनों के भंडार सीमित हैं, और परमाणु प्रौद्योगिकियों का उपयोग महत्वपूर्ण जोखिमों से जुड़ा है और रेडियोधर्मी कचरे के निपटान की समस्या पर टिकी हुई है, लोग तेजी से खुद को वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों की सेवा में लगाने की कोशिश कर रहे हैं। अक्षय संसाधनों में कुल ऊर्जा क्षमता है जो मानव जाति की वर्तमान जरूरतों से 3 हजार गुना अधिक है। सच है, इस क्षमता का केवल एक नगण्य हिस्सा ही उपयोग करने के लिए उधार देता है, लेकिन यह भी - प्रौद्योगिकी विकास के मौजूदा स्तर पर भी - ऊर्जा की मांग को लगभग 6 गुना पूरा करने के लिए पर्याप्त है। अकेले सौर ऊर्जा पर्याप्त से अधिक होगी।

और फिर भी इंजीनियर अधिक से अधिक वैकल्पिक ऊर्जा संसाधनों की तलाश जारी रखते हैं - या पुराने विचारों पर लौटते हैं, जिन्हें एक बार निराशाजनक माना जाता था और इसलिए अस्वीकार कर दिया जाता था, और अब फिर से सफलता का वादा किया जाता है। मंगलवार को नॉर्वे में लॉन्च किया गया पायलट प्लांट भी इसी तरह के प्रोजेक्ट का है। यह एक ऐसी तकनीक पर आधारित है जो आपको उस दबाव के कारण ऊर्जा निकालने की अनुमति देती है जो तब होता है जब ताजे और खारे पानी का विलय हो जाता है जहां नदी समुद्र में बहती है। हम तथाकथित परासरण के बारे में बात कर रहे हैं।

ताजा पानी + समुद्री जल = ऊर्जा स्रोत

आमतौर पर, जहां नदी समुद्र में बहती है, ताजे पानी को केवल खारे पानी के साथ मिलाया जाता है, और वहां कोई दबाव नहीं देखा जाता है जो ऊर्जा के स्रोत के रूप में काम कर सके। उत्तरी जर्मनी के गेस्टाचट शहर में जीकेएसएस रिसर्च सेंटर में पॉलिमर रिसर्च संस्थान के प्रोफेसर क्लॉस-विक्टर पेइनमैन, आसमाटिक दबाव के विकास के लिए आवश्यक शर्तों को कहते हैं: "यदि, मिश्रण से पहले, समुद्र के पानी और ताजे पानी को एक फिल्टर - एक विशेष झिल्ली के साथ जो पानी को पार करने की अनुमति देता है, लेकिन नमक के लिए अभेद्य है, तो थर्मोडायनामिक संतुलन और सांद्रता के समीकरण के समाधान की आकांक्षा केवल इस तथ्य के कारण महसूस की जा सकती है कि पानी नमक के घोल में प्रवेश करेगा, और नमक होगा ताजे पानी में प्रवेश न करें।"

यदि यह एक बंद जलाशय में होता है, तो समुद्र के पानी से एक अतिरिक्त हाइड्रोस्टेटिक दबाव, जिसे आसमाटिक दबाव कहा जाता है, उत्पन्न होता है। ऊर्जा उत्पादन के लिए इसका उपयोग करने के लिए, उस स्थान पर जहां नदी समुद्र में बहती है, आपको एक अर्ध-पारगम्य झिल्ली द्वारा एक दूसरे से अलग दो कक्षों के साथ एक बड़ा जलाशय स्थापित करने की आवश्यकता होती है जो पानी को पार करने की अनुमति देता है और नमक की अनुमति नहीं देता है। गुज़रने के लिए। एक कक्ष खारे पानी से भरा है, दूसरा ताजे पानी से भरा है। "परिणामस्वरूप आसमाटिक दबाव बहुत अधिक हो सकता है," प्रोफेसर पेनमैन ने जोर दिया। "यह लगभग 25 बार तक पहुंचता है, जो 100 मीटर की ऊंचाई से नीचे गिरने वाले झरने के तल पर पानी के दबाव से मेल खाता है।"

इतने उच्च आसमाटिक दबाव के तहत, बिजली उत्पन्न करने वाले जनरेटर के टर्बाइन में पानी डाला जाता है।

मुख्य बात सही झिल्ली है

ऐसा लगेगा कि सब कुछ सरल है। इसलिए, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि ऑस्मोसिस को ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग करने का विचार लगभग आधी सदी पहले उत्पन्न हुआ था। लेकिन ... "उस समय की मुख्य बाधाओं में से एक उचित गुणवत्ता की झिल्लियों की कमी थी, - प्रोफेसर पायनेमैन कहते हैं। - झिल्ली बेहद धीमी थी, इसलिए एक आसमाटिक विद्युत जनरेटर की दक्षता बहुत कम होगी। लेकिन में अगले 20-30 वर्षों में कई तकनीकी सफलताएँ मिलीं। हमने आज बेहद पतली झिल्लियों का निर्माण करना सीखा, जिसका अर्थ है कि उनका थ्रूपुट काफी अधिक हो गया है। "
जीकेएसएस रिसर्च सेंटर के विशेषज्ञों ने बहुत झिल्ली के विकास में एक महत्वपूर्ण योगदान दिया है, जिसने अब आसमाटिक ऊर्जा उत्पादन को व्यवहार में लागू करना संभव बना दिया है, भले ही कुछ समय के लिए विशुद्ध रूप से प्रयोगात्मक हो। डेवलपर्स में से एक, कार्स्टन ब्लिक बताते हैं: "झिल्ली लगभग 0.1 माइक्रोमीटर मोटी है। इसकी तुलना में, एक मानव बाल 50 से 100 माइक्रोमीटर व्यास का होता है। यह सबसे पतली फिल्म है जो अंततः समुद्री जल को ताजा से अलग करती है। "

यह स्पष्ट है कि इतनी पतली झिल्ली अपने आप में उच्च आसमाटिक दबाव का सामना नहीं कर सकती है। इसलिए, यह एक झरझरा, स्पंज की तरह, लेकिन बेहद टिकाऊ आधार पर लागू होता है। सामान्य तौर पर, ऐसा विभाजन चमकदार कागज जैसा दिखता है, और यह तथ्य कि इस पर एक फिल्म है, इसे नग्न आंखों से नहीं देखा जा सकता है।

इंद्रधनुषी दृष्टिकोण

पायलट प्लांट के निर्माण के लिए कई मिलियन यूरो के निवेश की आवश्यकता थी। जोखिम लेने के इच्छुक निवेशक, हालांकि तुरंत नहीं, पाए गए। स्टेटक्राफ्ट, नॉर्वे में सबसे बड़ी ऊर्जा कंपनियों में से एक और नवीकरणीय ऊर्जा संसाधनों के उपयोग में यूरोपीय नेता, ने स्वेच्छा से अभिनव परियोजना को वित्तपोषित किया। प्रोफेसर पेइनमैन याद करते हैं: "उन्होंने इस तकनीक के बारे में सुना, प्रसन्न हुए और हमारे साथ एक सहयोग समझौते पर हस्ताक्षर किए। यूरोपीय संघ ने इस परियोजना के कार्यान्वयन के लिए 2 मिलियन यूरो आवंटित किए, बाकी का योगदान स्टेटक्राफ्ट और कई अन्य कंपनियों द्वारा किया गया था, जिनमें हमारी भी शामिल है। संस्थान।"

"कई अन्य कंपनियां" फिनलैंड और पुर्तगाल में अनुसंधान केंद्र हैं, साथ ही नॉर्वेजियन अनुसंधान फर्मों में से एक हैं। टॉफ्ट शहर के पास ओस्लोफजॉर्ड में 2 से 4 किलोवाट की क्षमता वाला एक पायलट प्लांट बनाया गया है और आज इसका उद्घाटन किया गया है, जिसे नवीन तकनीक का परीक्षण और सुधार करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। लेकिन स्टेटक्राफ्ट के प्रबंधन को विश्वास है कि कुछ वर्षों में यह परासरण के व्यावसायिक उपयोग में आ जाएगा। और आसमाटिक ऊर्जा उत्पादन की कुल विश्व क्षमता प्रति वर्ष 1600-1700 टेरावाट-घंटे से कम नहीं होने का अनुमान है - यह पूरे यूरोपीय संघ की ऊर्जा खपत का लगभग आधा है। ऐसे प्रतिष्ठानों का सबसे महत्वपूर्ण लाभ उनकी पर्यावरण मित्रता है - वे शोर नहीं करते हैं और ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन के साथ वातावरण को प्रदूषित नहीं करते हैं। इसके अलावा, उन्हें मौजूदा बुनियादी ढांचे में एकीकृत करना आसान है।

1747 में एक अच्छा दिन, फ्रांसीसी मठाधीश नोलेट ने पहले से अधूरे बोर्डो को रसोई से लाए गए पोर्क ब्लैडर में डाला और पानी की एक बैरल में डुबो दिया। 262 साल बाद, 24 नवंबर, 2009 को नॉर्वेजियन क्राउन प्रिंसेस मेटे-मैरिट ने एक गिलास शैंपेन की चुस्की ली। ये दोनों घटनाएँ कैसे जुड़ी हैं? नोल और राजकुमारी दोनों ने उल्लेखनीय खोज की। ऑस्मोसिस की घटना और झिल्ली के मूल गुणों का वर्णन करने वाला मठाधीश दुनिया में पहला था, और मेटे-मैरिट ने एक प्रतीकात्मक रिबन काटकर, टॉफ्ट में दुनिया का पहला आसमाटिक पावर प्लांट स्टेटक्राफ्ट खोला।

व्लादिमीर सन्निकोव

क्या मठाधीश, और महान प्रयोगात्मक भौतिक विज्ञानी जीन-एंटोनी नोलेट, वास्तव में सुअर के बुलबुले के इतिहास में भरे हुए हैं, पर चर्चा की जा सकती है। लेकिन दोनों जहाजों (बुलबुला और बैरल) में पानी की उपस्थिति नकारा नहीं जा सकता है। अंतर केवल उसमें घुली शराब की सांद्रता में है। यह वह अंतर था जिसने केग से बुलबुले में अर्धपारगम्य झिल्ली के माध्यम से पानी के प्रसार को गति दी। जिस तरह से बुलबुले का विस्तार हुआ, उससे यह समझना संभव था कि यह घटना एक बहुत ही महत्वपूर्ण यूनिडायरेक्शनल बल को जन्म देती है, जिसे नोल ने आसमाटिक दबाव कहा। और उन्होंने परासरण को कम सांद्र विलयन से अधिक सांद्र विलयन में विलायक के प्रसार की प्रक्रिया के रूप में परिभाषित किया।

आज यूरोपीय स्वच्छ ऊर्जा बाजार में अग्रणी नॉर्वेजियन कंपनी स्टेटक्राफ्ट ने इस दबाव को बिजली में बदलने का एक तरीका खोजा है। ताजा और समुद्री जल में खनिज लवणों की मात्रा में प्राकृतिक अंतर से जूल निकालने में केवल नई तकनीक ही सक्षम है, न कि उनके संचलन की गतिज ऊर्जा से। नॉर्वेजियन के अनुसार, अक्षय आसमाटिक ऊर्जा के दुनिया के संसाधन 1.6 से 1.7 टेरावाट तक हैं - 2004 में इसके बारे में चीन को एक अरब डॉलर का खर्च आया था! मकर हवा, सर्फ और सूरज के विपरीत, ऑस्मोसिस प्रक्रियाएं पूरे वर्ष, 24 घंटे एक दिन के लिए नहीं रुकती हैं।

एक आसमाटिक पावर प्लांट के संचालन के लिए, किसी विशेष इंजीनियरिंग संरचनाओं की आवश्यकता नहीं होती है: भट्टियां, रिएक्टर, बांध, कूलिंग टॉवर। दुनिया का पहला ऑस्मोसिस पावर प्लांट एक लकड़ी प्रसंस्करण संयंत्र में एक खाली गोदाम में स्थित है।

समुद्र पी लो

दरअसल, परासरण की घटना का उपयोग औद्योगिक पैमाने पर 40 से अधिक वर्षों से किया जा रहा है। केवल यह एबॉट नोल का क्लासिक डायरेक्ट ऑस्मोसिस नहीं है, बल्कि तथाकथित रिवर्स ऑस्मोसिस - प्राकृतिक ऑस्मोटिक दबाव से अधिक दबाव की कार्रवाई के तहत एक केंद्रित समाधान से एक पतला समाधान में विलायक के प्रवेश की एक कृत्रिम प्रक्रिया है। 1970 के दशक की शुरुआत से इस तकनीक का उपयोग विलवणीकरण और शुद्धिकरण संयंत्रों में किया जाता रहा है। खारे समुद्र के पानी को एक विशेष झिल्ली पर पंप किया जाता है और, इसके छिद्रों से गुजरते हुए, खनिज लवणों का एक महत्वपूर्ण अनुपात खो देता है, और साथ ही बैक्टीरिया और यहां तक कि वायरस भी। नमकीन या प्रदूषित पानी को पंप करने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, लेकिन खेल मोमबत्ती के लायक है - ग्रह पर ऐसे कई क्षेत्र हैं जहां पीने के पानी की कमी एक गंभीर समस्या है।

इस क्षेत्र में सैद्धांतिक विकास बीसवीं शताब्दी की शुरुआत में दिखाई दिए, लेकिन उनके कार्यान्वयन के लिए मुख्य चीज की कमी थी - एक उपयुक्त आसमाटिक झिल्ली। इस तरह की झिल्ली को सामान्य घरेलू जल आपूर्ति की तुलना में 20 गुना अधिक दबाव का सामना करना पड़ता है और इसमें अत्यधिक उच्च छिद्र होता है। समान गुणों वाली सामग्रियों का निर्माण द्वितीय विश्व युद्ध के बाद संभव हुआ, जब सैन्य परियोजनाओं के दौरान संचित वैज्ञानिक क्षमता ने सिंथेटिक पॉलिमर के उत्पादन के लिए प्रौद्योगिकियों के विकास को गति दी।

यह विश्वास करना कठिन है कि अकेले दो समाधानों की सांद्रता में अंतर एक गंभीर बल पैदा कर सकता है, लेकिन यह सच है: आसमाटिक दबाव समुद्र के जल स्तर को 120 मीटर तक बढ़ा सकता है।

इस क्षेत्र में सबसे महत्वपूर्ण सफलता १९५९ में मिली। लॉस एंजिल्स में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय से सिडनी लोएब और श्रीनिवास सुरंजन ने एक सर्पिल अनिसोट्रोपिक झिल्ली विकसित की है जो जबरदस्त दबाव को सहन करने में सक्षम है, खनिज लवण और यांत्रिक कणों को आकार में 5 माइक्रोन तक प्रभावी ढंग से बनाए रखती है और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि कम से कम एक उच्च थ्रूपुट है। आकार। लोएब और सुरंजन के आविष्कार ने आसमाटिक विलवणीकरण को आर्थिक रूप से व्यवहार्य व्यवसाय बना दिया। 1960 के दशक की शुरुआत में, लोएब ने कोलिंग, कैलिफ़ोर्निया में दुनिया का पहला प्रेशर रिटार्डेड ऑस्मोसिस (PRO) डिसेलिनेशन प्लांट बनाया और फिर इज़राइल चले गए, जहाँ उन्होंने यूनेस्को के फंड से अपना शोध जारी रखा। लोएब की भागीदारी से, 1967 में योतवाता शहर में 150 वर्ग मीटर प्रति दिन की क्षमता वाला एक विलवणीकरण संयंत्र बनाया गया था, जो समुद्र की तुलना में दस गुना अधिक लवणता वाली भूमिगत झील से स्वच्छ पेयजल का उत्पादन करता था। तीन साल बाद, प्रो तकनीक को अमेरिकी पेटेंट द्वारा संरक्षित किया गया था।

परासरण और स्थान

नासा केंद्र में झिल्ली प्रयोगशाला। एम्स लगातार कई वर्षों से अंतरिक्ष स्टेशनों के निवासियों को पीने का पानी उपलब्ध कराने की समस्या को हल कर रहा है। वैज्ञानिकों ने डीओसी तकनीक विकसित की है, जो दो बहुआयामी प्रक्रियाओं - फॉरवर्ड और रिवर्स ऑस्मोसिस को जोड़ती है। रिवर्स ऑस्मोसिस में, झिल्ली एक महीन फिल्टर के रूप में कार्य करती है और इसके लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, प्रत्यक्ष परासरण इसे पैदा करता है। इनमें से प्रत्येक प्रक्रिया अलग से भारी मात्रा में अशुद्धियों के जलीय घोल से वंचित करती है। परिणाम तथाकथित ग्रे पानी है जिसका उपयोग स्वच्छता उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है। पीने के पानी को भूरे पानी से बाहर निकालने के लिए, समाधान अतिरिक्त हीटिंग के बिना झिल्ली शुद्धिकरण चरण के माध्यम से जाता है और फिर उत्प्रेरक ऑक्सीकरण उपप्रणाली में बैक्टीरिया और वायरस से शुद्धिकरण होता है। अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए डीओसी ऊर्जा घनत्व काफी कम है।
अंतरिक्ष स्टेशनों के लिए जल शोधन की एक मूल विधि अमेरिकी कंपनी ओस्मोटेक द्वारा प्रस्तुत की गई थी। अपशिष्ट उत्पादों को इकट्ठा करने के लिए, वह सक्रिय कार्बन युक्त टी बैग जैसे झिल्ली बैग का उपयोग करने का सुझाव देती हैं। झिल्ली केवल पानी को थोड़ी मात्रा में संदूषण के साथ बाहर निकलने की अनुमति देती है। यह प्राथमिक समाधान तब झिल्ली कक्ष में एक विशेष केंद्रित सब्सट्रेट के साथ दूसरे भाग में प्रवेश करता है। प्रत्यक्ष परासरण की उभरती हुई घटना प्रक्रिया को पूरा करती है।
ओएसिस आसमाटिक विलवणीकरण संयंत्रों की ऊर्जा खपत को दस गुना तक कम करने का वादा करता है। सच है, इस मामले में हम विपरीत के बारे में नहीं, बल्कि प्रत्यक्ष परासरण के बारे में बात कर रहे हैं। और सरल नहीं, बल्कि संशोधित। इसका सार एक पारंपरिक प्रो-झिल्ली के काउंटर साइड पर अमोनिया, कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य रसायनों की एक उच्च सामग्री के साथ एक पेटेंट खींचने वाले समाधान की उपस्थिति में निहित है। जब दो विलयन संपर्क में आते हैं, तो परासरण की घटना होती है और कच्चे माल को अशुद्धियों से शुद्ध किया जाता है। ओएसिस तकनीक का मुख्य आकर्षण यह है कि शुद्ध ताजे पानी की धारा खींचने वाले घोल के साथ मिश्रित नहीं होती है।

लोएब-सुरंजन झिल्लियों का उपयोग करके आसमाटिक दबाव को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के प्रयोग विभिन्न वैज्ञानिक समूहों और कंपनियों द्वारा 1970 के दशक की शुरुआत से किए गए हैं। इस प्रक्रिया की मूल योजना स्पष्ट थी: ताजा (नदी) पानी का प्रवाह, झिल्ली के छिद्रों से होकर, जलाशय में समुद्री जल के साथ दबाव बनाता है, जिससे टरबाइन को घूमने की अनुमति मिलती है। खारे पानी को फिर समुद्र में छोड़ दिया जाता है। एकमात्र समस्या यह थी कि PRO के लिए क्लासिक मेम्ब्रेन बहुत महंगे, मकर थे और आवश्यक प्रवाह शक्ति प्रदान नहीं करते थे। 1980 के दशक के उत्तरार्ध में चीजें जमीन पर आ गईं, जब नॉर्वेजियन केमिस्ट थोरलीफ होल्ट और SINTEF संस्थान के थोर थोरसन ने काम संभाला।

ब्रह्मांडीय स्वीप

लोएब की झिल्लियों को चरम प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए नैदानिक सफाई की आवश्यकता होती है। अलवणीकरण स्टेशन के झिल्ली मॉड्यूल का डिज़ाइन एक प्राथमिक मोटे फिल्टर और एक शक्तिशाली पंप की अनिवार्य उपस्थिति के लिए प्रदान किया गया है जो झिल्ली की कामकाजी सतह से मलबे को खटखटाता है।

होल्ट और थोरसन ने सबसे आशाजनक सामग्रियों की विशेषताओं का विश्लेषण करने के बाद, सस्ती संशोधित पॉलीइथाइलीन का विकल्प चुना। वैज्ञानिक पत्रिकाओं में उनके प्रकाशनों ने स्टेटक्राफ्ट के विशेषज्ञों का ध्यान आकर्षित किया, और नॉर्वेजियन केमिस्टों को ऊर्जा कंपनी के तत्वावधान में काम जारी रखने के लिए आमंत्रित किया गया। 2001 में, स्टेटक्राफ्ट झिल्ली कार्यक्रम को सरकारी अनुदान प्राप्त हुआ। प्राप्त धन का उपयोग झिल्ली के नमूनों के परीक्षण और सामान्य रूप से प्रौद्योगिकी को चलाने के लिए सुंदरसियर में एक प्रयोगात्मक आसमाटिक सुविधा के निर्माण के लिए किया गया था। इसमें सक्रिय सतह क्षेत्र केवल 200 वर्ग मीटर से अधिक था।

योजनाबद्ध छवियों में, आसमाटिक झिल्ली एक दीवार के रूप में खींची जाती है। वास्तव में, यह एक बेलनाकार शरीर में संलग्न एक रोल है। इसकी बहुपरत संरचना में ताजे और खारे पानी की परतें वैकल्पिक होती हैं। क्रॉस सेक्शन दिखाता है कि आसमाटिक सिलेंडर के अंदर पानी कैसे बहता है। स्टेशन पर जितने अधिक ऐसे मॉड्यूल लगाए जाएंगे, उतनी ही अधिक ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम होंगे।

प्रक्रिया को गति देने के लिए, नासा की एक विशेष झिल्ली प्रयोगशाला के इंजीनियरों को टीम में आमंत्रित किया गया था। तथ्य यह है कि नासा केंद्र में अपोलो चंद्र कार्यक्रम की तैयारी के बाद से। एम्स ने जलीय विलयनों के विलवणीकरण और शुद्धिकरण के लिए प्रौद्योगिकियों का गहन अध्ययन किया। अमेरिकी अनुभव काम आया, और 2008 तक स्टेटक्राफ्ट के पास भविष्य के आसमाटिक बिजली संयंत्रों के लिए सर्पिल पॉलीमाइड मेब्रान के पहले नमूने थे। 10 बार के दबाव में प्रति सेकंड 10 लीटर ताजे पानी के प्रसार के साथ उनकी उत्पादकता 1 डब्ल्यू प्रति 1 वर्ग मीटर थी।

टॉफ्ट के स्टेशन पर, 2000 वर्ग मीटर के कुल क्षेत्रफल वाले ऐसे झिल्ली मॉड्यूल प्रचालन में हैं। 4kW की पीढ़ी के लिए, यह काफी है, लेकिन 25-मेगावाट के पूर्ण स्टेशन के लिए, 5 मिलियन वर्ग की आवश्यकता होगी। बेशक, आसमाटिक बिजली संयंत्रों के लिए झिल्ली वर्तमान की तुलना में बहुत अधिक कुशल होनी चाहिए। कार्यक्रम की देखरेख करने वाले स्टेटक्राफ्ट के उपाध्यक्ष स्टीन एरिक स्किलहेगन का कहना है कि कंपनी वर्तमान में 3 डब्ल्यू / एम 2 सर्पिल खोखले फाइबर नमूनों का परीक्षण कर रही है, जिसमें 2015 तक 5-वाट फ्लैट झिल्ली की उम्मीद है। इसके अलावा, नॉर्वेजियन इस क्षेत्र में तीसरे पक्ष के विकास का बारीकी से अध्ययन कर रहे हैं और जनरल इलेक्ट्रिक, हाइड्रानॉटिक्स, डॉव और जापान के टोरे के विशेषज्ञों के साथ सक्रिय रूप से सहयोग कर रहे हैं।

हॉलैंड में हर सेकेंड 3300 क्यूबिक मीटर नदी का पानी खारे समुद्र में फेंका जाता है। वैज्ञानिकों ने गणना की है कि इसकी कुल ऊर्जा क्षमता 4.5 * 10 9 वाट है। KEMA के शोधकर्ता भी इस अथाह बैरल से कम से कम कुछ ऊर्जा निकालने का इरादा रखते हैं, लेकिन बिना अनावश्यक, उनकी राय में, यांत्रिकी। और ऐसी संभावना मौजूद है। अब तक - रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस RED (रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस) की प्रायोगिक स्थापना के रूप में। यह अर्ध-पारगम्य सीमाओं से अलग समुद्र और ताजे पानी का भी उपयोग करता है। यहां केवल दो झिल्ली हैं, और वे इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करते हैं। आखिरकार, RED एक बैटरी है जो दो मीडिया में आयन सांद्रता में अंतर के कारण काम करती है। यह अंतर एनोड और कैथोड झिल्ली की सतह पर एक कमजोर वोल्टेज बनाता है। यदि आप उनसे एक पैकेज इकट्ठा करते हैं, तो वोल्टेज बहुत ध्यान देने योग्य हो जाएगा। उदाहरण के लिए, एक मानक शिपिंग कंटेनर के आकार की बैटरी लगभग 250 kW उत्पन्न करती है। केईएमए 2006 से हार्लिंगेन में 50 किलोवाट के एक छोटे से संयंत्र का संचालन कर रहा है। यह जैव सामग्री के साथ झिल्ली संदूषण की सफाई और रोकथाम के तरीकों का परीक्षण करता है। एक प्रणाली के कुशल संचालन के लिए नैदानिक शुद्धता महत्वपूर्ण है।

वैसे, प्रत्यक्ष परासरण के लिए एक झिल्ली एक पतली दीवार नहीं है, जिसे सरलीकृत आरेखों पर खींचा जाता है, बल्कि एक बेलनाकार शरीर में संलग्न एक लंबा रोल होता है। शरीर के साथ संबंध इस तरह से बनाए जाते हैं कि रोल की सभी परतों में, झिल्ली के एक तरफ हमेशा ताजा पानी होता है, और दूसरी तरफ - समुद्र का पानी।

गहराई की ऊर्जा

ताजे और समुद्री जल की लवणता (वैज्ञानिक रूप से - लवणता प्रवणता) के बीच का अंतर एक आसमाटिक विद्युत संयंत्र के संचालन का मूल सिद्धांत है। यह जितना बड़ा होता है, झिल्ली पर आयतन और प्रवाह दर उतनी ही अधिक होती है, और, परिणामस्वरूप, टरबाइन द्वारा उत्पन्न ऊर्जा की मात्रा। टॉफ्ट में, ताजा पानी गुरुत्वाकर्षण द्वारा झिल्ली पर बहता है, परासरण के परिणामस्वरूप, दूसरी तरफ समुद्री जल का दबाव तेजी से बढ़ता है। ऑस्मोसिस में एक विशाल शक्ति होती है - दबाव समुद्र के जल स्तर को 120 मीटर तक बढ़ा सकता है।

इसके अलावा, परिणामस्वरूप पतला समुद्री जल टरबाइन ब्लेड पर दबाव वितरक के माध्यम से जाता है और उन्हें अपनी सारी ऊर्जा देकर समुद्र में फेंक दिया जाता है। दबाव वितरक प्रवाह ऊर्जा का एक हिस्सा लेता है, जो समुद्री जल को पंप करने वाले पंपों को घुमाता है। इस प्रकार, स्टेशन की दक्षता में उल्लेखनीय वृद्धि संभव है। विलवणीकरण संयंत्रों के लिए ऐसे उपकरण बनाने वाले एनर्जी रिकवरी के मुख्य प्रौद्योगिकीविद् रिक स्टोवर का अनुमान है कि वितरकों में बिजली पारेषण दक्षता 98% के करीब है। अलवणीकरण के लिए बिल्कुल वही उपकरण आवासीय भवनों में पेयजल पहुंचाने में मदद करते हैं।

जैसा कि स्किलहेगन नोट करता है, आदर्श रूप से, आसमाटिक बिजली संयंत्रों को विलवणीकरण संयंत्रों के साथ जोड़ा जाना चाहिए - उत्तरार्द्ध में अवशिष्ट समुद्री जल की लवणता प्राकृतिक स्तर से 10 गुना अधिक है। ऐसे अग्रानुक्रम में, ऊर्जा उत्पादन की दक्षता कम से कम दो गुना बढ़ जाएगी।

टोफ्ट में निर्माण कार्य 2008 की शरद ऋतु में शुरू हुआ। सोदरा सेल पल्प मिल में एक खाली गोदाम किराए पर लिया गया था। पहली मंजिल पर, नदी और समुद्र के पानी को शुद्ध करने के लिए जाली और क्वार्ट्ज फिल्टर का एक झरना व्यवस्थित किया गया था, और दूसरी तरफ, एक मशीन रूम। उसी वर्ष दिसंबर में, झिल्ली मॉड्यूल और दबाव वितरक को उठाकर स्थापित किया गया था। फरवरी 2009 में, गोताखोरों के एक समूह ने खाड़ी के तल पर दो समानांतर पाइपलाइन बिछाईं - ताजे और समुद्र के पानी के लिए।

टॉफ्ट में समुद्र का पानी 35 से 50 मीटर की गहराई से लिया जाता है - इस परत में इसकी लवणता इष्टतम होती है। इसके अलावा, यह सतह की तुलना में वहां बहुत साफ है। लेकिन, इसके बावजूद, स्टेशन झिल्ली को माइक्रोप्रोर्स को बंद करने वाले कार्बनिक अवशेषों से नियमित सफाई की आवश्यकता होती है।

अप्रैल 2009 से, पावर प्लांट एक परीक्षण मोड में काम कर रहा है, और नवंबर में, राजकुमारी मेटे-मैरिट के हल्के हाथ से, इसे पूरी तरह से लॉन्च किया गया था। स्किलहेगन ने आश्वासन दिया कि टॉफ्टे के बाद, स्टेटक्राफ्ट के पास अन्य समान, लेकिन अधिक उन्नत परियोजनाएं होंगी। और न केवल नॉर्वे में। उन्होंने कहा कि भूमिगत परिसर, एक फुटबॉल मैदान के आकार का, 15,000 व्यक्तिगत घरों के पूरे शहर में निर्बाध बिजली की आपूर्ति करने में सक्षम है। इसके अलावा, पवन टरबाइन के विपरीत, ऐसी आसमाटिक स्थापना व्यावहारिक रूप से चुप है, सामान्य परिदृश्य को नहीं बदलती है और मानव स्वास्थ्य को प्रभावित नहीं करती है। और उसमें नमक और ताजे पानी की पूर्ति का ख्याल प्रकृति ही रखेगी।

एक विशेष झिल्ली जो पानी को गुजरने देती है, लेकिन नमक के अणुओं को गुजरने नहीं देती है, दो जलाशयों के बीच रखी जाती है। उनमें से एक में ताजा पानी डाला जाता है, दूसरे में नमकीन पानी डाला जाता है। इस तरह की प्रणाली संतुलन के लिए प्रयास करती है, ऐसा लगता है कि खारा पानी जलाशय से ताजा पानी खींचता है। यदि एक जनरेटर को झिल्ली के सामने रखा जाता है, तो अतिरिक्त दबाव इसके ब्लेड को घुमाएगा और बिजली उत्पन्न करेगा।
विचार, जैसा कि अक्सर होता है, वन्यजीवों द्वारा प्रेरित किया गया था: उसी सिद्धांत के अनुसार, पदार्थों को कोशिकाओं में स्थानांतरित किया जाता है - वही आंशिक रूप से पारगम्य झिल्ली कोशिकाओं की लोच सुनिश्चित करते हैं। समुद्र के पानी के विलवणीकरण में मनुष्यों द्वारा लंबे समय से आसमाटिक दबाव का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है, लेकिन इसका उपयोग पहली बार बिजली उत्पन्न करने के लिए किया गया है।
फिलहाल, प्रोटोटाइप लगभग 1 kW ऊर्जा उत्पन्न करता है। निकट भविष्य में यह आंकड़ा बढ़कर 2-4 kW हो सकता है। उत्पादन की लाभप्रदता के बारे में बात करने में सक्षम होने के लिए, लगभग 5 किलोवाट का उत्पादन प्राप्त करना आवश्यक है। हालाँकि, यह एक बहुत ही वास्तविक कार्य है। 2015 तक, एक बड़ा स्टेशन बनाने की योजना है जो 25 मेगावाट उत्पन्न करेगा, जो 10,000 मध्यम आकार के घरों को बिजली की आपूर्ति करेगा। भविष्य में, यह माना जाता है कि ईसीओ इतने शक्तिशाली हो जाएंगे कि वे प्रति वर्ष 1,700 TWh उत्पन्न करने में सक्षम होंगे, जितना कि यूरोप का आधा हिस्सा अब उत्पन्न करता है। इस समय मुख्य कार्य अधिक कुशल झिल्लियों को खोजना है।
खेल निश्चित रूप से मोमबत्ती के लायक है। आसमाटिक स्टेशनों के फायदे स्पष्ट हैं। पहला, खारा पानी (साधारण समुद्री जल स्टेशन के संचालन के लिए उपयुक्त है) एक अटूट प्राकृतिक संसाधन है। पृथ्वी की सतह ९४% पानी से ढकी है, जिसका ९७% खारा है, इसलिए ऐसे स्टेशनों के लिए हमेशा ईंधन रहेगा। दूसरे, ईसीओ के संगठन को विशेष साइटों के निर्माण की आवश्यकता नहीं होती है: पहले से मौजूद उद्यमों या अन्य कार्यालय भवनों के किसी भी अप्रयुक्त परिसर में काम करेगा। इसके अलावा, ईसीओ को नदी के मुहाने पर पहुंचाया जा सकता है जहां ताजा पानी नमकीन समुद्र या महासागर में बहता है - इस मामले में जलाशयों को विशेष रूप से पानी से भरना भी आवश्यक नहीं है।

ताजा पानी + समुद्री जल = ऊर्जा स्रोत

मुख्य बात सही झिल्ली है

इंद्रधनुषी दृष्टिकोण

पर्यावरण मित्रता

अलग से, मैं बिजली पैदा करने की इस पद्धति की पूर्ण पर्यावरण मित्रता पर ध्यान देना चाहूंगा। कोई अपशिष्ट नहीं, टैंकों के लिए कोई ऑक्सीकरण सामग्री नहीं, कोई हानिकारक धुएं नहीं। ईसीओ शहर के भीतर भी स्थापित किया जा सकता है, इसके निवासियों को कोई नुकसान पहुंचाए बिना।
इसके अलावा, ईसीओ के संचालन को शुरू करने के लिए ऊर्जा के अन्य स्रोतों की आवश्यकता नहीं होती है और यह जलवायु परिस्थितियों पर निर्भर नहीं करता है। यह सब ईसीओ को बिजली पैदा करने का लगभग एक आदर्श तरीका बनाता है।