Osmozes enerģija. Osmotiskā elektrostacija: alternatīva enerģija no jūras ūdens Elektrostacija Norvēģijā no sālsūdens

Pagaidām pasaulē ir tikai viens osmotiskas spēkstacijas strādājošs prototips. Bet nākotnē tādu būs simtiem.

Osmotiskās spēkstacijas darbības princips

Elektrostacijas darbības pamatā ir osmotiskais efekts - īpaša dizaina membrānu īpašība ļaut tām iziet tikai noteiktām daļiņām. Piemēram, mēs uzstādīsim membrānu starp diviem traukiem un vienā no tiem ielej destilētu ūdeni, bet otrā sāls šķīdumu. Ūdens molekulas brīvi iziet cauri membrānai, bet sāls daļiņas - ne. Tā kā šādā situācijā šķidrumi tiecas panākt līdzsvaru, tad drīz saldūdens smaguma dēļ izplatīsies abos traukos.

Ja šķīdumu sastāva atšķirība tiek padarīta ļoti liela, tad šķidruma plūsma caur membrānu būs diezgan spēcīga. Ievietojot ūdens turbīnu savā ceļā, jūs varat ražot elektrību. Tas ir vienkāršākais osmotiskās spēkstacijas dizains. Šobrīd optimālākās izejvielas tam ir sāls jūras ūdens un upes saldūdens - atjaunojamie enerģijas avoti.

Šāda veida eksperimentālā elektrostacija tika uzcelta 2009. gadā netālu no Norvēģijas pilsētas Oslo. Tā veiktspēja ir zema - 4 kW vai 1 W uz 1 kv. membrānas. Tuvākajā nākotnē šis skaitlis tiks palielināts līdz 5 W no 1 kv. Līdz 2015. gadam norvēģi plāno uzbūvēt komerciālu osmotisko spēkstaciju ar jaudu aptuveni 25 MW.

Šī enerģijas avota izmantošanas perspektīvas

ECO galvenā priekšrocība salīdzinājumā ar cita veida spēkstacijām ir ārkārtīgi lētu izejvielu izmantošana. Patiesībā tas ir bez maksas, jo 92-93% planētas virsmas ir pārklāts ar sālsūdeni, un saldūdeni ar tādu pašu osmotiskā spiediena metodi ir viegli iegūt citā iekārtā. Uzstādot elektrostaciju jūrā ietekošas upes grīvā, visas problēmas ar izejvielu piegādi var atrisināt vienā rāvienā. Klimatiskie apstākļi ECO darbībai nav svarīgi - kamēr ūdens plūst, uzstādīšana darbojas.

Tajā pašā laikā netiek radītas toksiskas vielas - pie izejas veidojas tāds pats sālsūdens. ECO ir absolūti videi draudzīgs, to var uzstādīt dzīvojamo rajonu tuvumā. Elektrostacija nekaitē savvaļas dzīvniekiem, un tās būvniecībai nav nepieciešams bloķēt upes ar aizsprostiem, kā tas ir hidroelektrostaciju gadījumā. Un zemu spēkstacijas efektivitāti viegli kompensē šādu iekārtu masveidība.

Virsrakstā nav kļūdas, nevis no "kosmosa", bet no "osmozes"

Katru dienu mēs pārliecināmies, ka mums apkārt ir daudz visnegaidītāko atjaunojamās enerģijas avotu. Papildus saulei, vējam, straumēm un plūdmaiņām elektroenerģijas ražošanai var izmantot ģeneratorus, kas darbojas ar sāli, pareizāk sakot, ņemot vērā atšķirību starp saldūdeni un jūras ūdeni. Šo atšķirību sauc par sāļuma gradientu, un osmozes parādības dēļ to var izmantot, lai radītu lieko šķidruma spiedienu, ko parastās turbīnas pārvērš elektriskajā spiedienā.

Ir vairākas zināmas metodes sāļuma gradienta enerģijas pārveidošanai par elektrību. Mūsdienās visdaudzsološākā ir transformācija ar osmozes palīdzību, tāpēc sāļuma gradienta enerģiju bieži dēvē par osmozes enerģiju. Bet principā ir iespējami arī citi veidi, kā pārveidot sāļuma gradienta enerģiju.

Osmozes parādība ir šāda. Ja paņemat daļēji caurlaidīgu membrānu (membrānu) un ievietojat to kā starpsienu kādā traukā starp svaigu un sālsūdeni, tad osmotiskie spēki sāks it kā iesūknēt svaigu ūdeni sālsūdenī. Saldūdens molekulas caur atdalošo membrānu nokļūs trauka otrajā pusē, piepildīta ar sālsūdeni, un membrāna neielaidīs sāls molekulas pirmajā pusē ar svaigu ūdeni. Šim īpašumam membrānu sauc par daļēji caurlaidīgu. Šajā procesā izdalītā enerģija izpaužas kā paaugstināts spiediens, kas rodas trauka daļā ar sālsūdeni. Tas ir osmotiskais spiediens (dažreiz to sauc par osmotisko ūdenskritumu). Maksimālā osmotiskā spiediena vērtība ir spiediena starpība starp šķīdumu (t.i., sālsūdeni) un šķīdinātāju (t.i., saldūdeni), pie kura apstājas osmoze, kas rodas vienāda spiediena veidošanās dēļ puscaurlaidīgās membrānas abās pusēs. Rezultātā paaugstinātais spiediens pusē sālsūdens līdzsvaro osmotiskos spēkus, kas saldūdens molekulas caur daļēji caurlaidīgu membrānu pārvietoja sālsūdenī.

Osmozes parādība ir pazīstama jau ilgu laiku. Pirmo reizi to A. Podlo novēroja 1748. gadā, bet detalizēts pētījums sākās vairāk nekā gadsimtu vēlāk. 1877. gadā W. Pfeffers, mērot niedru cukura ūdens šķīdumus, pirmais izmēra osmotisko spiedienu. 1888. gadā Van't Hoff, pamatojoties uz Pfeffera eksperimentu datiem, izveidoja likumu, kas nosaka osmotisko spiedienu atkarībā no izšķīdušās vielas koncentrācijas un temperatūras. Viņš parādīja, ka šķīduma osmotiskais spiediens skaitliski ir vienāds ar spiedienu, ko izšķīdušās vielas molekulas izdarītu, ja tās būtu gāzveida stāvoklī tajā pašā temperatūrā un koncentrācijā.

Lai iegūtu osmotisko enerģiju, blakus vairāk vai mazāk koncentrētam šķīdumam ir nepieciešams avots ar zemu sāls koncentrāciju. Pasaules okeāna apstākļos šādi avoti ir tajā ietekošo upju grīvas.

Sāļuma gradienta enerģija, kas aprēķināta pēc osmotiskā spiediena, nav pakļauta efektivitātes ierobežojumiem Karota cikla dēļ; tā ir viena no šāda veida enerģijas pozitīvajām īpašībām. Jautājums ir, kā to vislabāk pārvērst elektrībā.

Nesen Norvēģijā tika atvērta pasaulē pirmā elektrostacija, kas elektroenerģijas ražošanai izmantoja osmozes parādību. Izmantojot tikai sāli un saldūdeni, pašreizējais elektrostacijas prototips saražos 2–4 kilovatus, taču nākotnē šis skaitlis ievērojami palielināsies. Enerģijas ražošanai Norvēģijas uzņēmuma Statkraft būvētā stacija izmanto osmozes parādību, tas ir, šķīdumu pārvietošanos caur membrānu uz sāniem. lielāka sāļu koncentrācija. Tā kā parastā jūras ūdenī sāļu koncentrācija ir augstāka nekā saldūdenī, osmozes parādība attīstās starp saldūdeni un sālsūdeni, ko atdala membrāna, un ūdens plūsmas kustība liek turbīnai darboties, radot enerģiju. Jau palaista prototipa jauda ir maza un ir divas līdz četras kilovatstundas. Kā paskaidroja projekta vadītājs Šteins Ēriks Skilhāgens, uzņēmumam nebija mērķa nekavējoties uzbūvēt rūpnieciska mēroga spēkstaciju, svarīgāk bija parādīt, ka šo tehnoloģiju principā var izmantot enerģētikas nozarē. Ideju par osmozes parādības izmantošanu elektroenerģijas ražošanai pirmoreiz vides aktīvisti ierosināja tālajā 1992. gadā. , atzīmē uzņēmuma Statkraft vietne. Pēc inženieru aprēķiniem šodien ir iespējams uzbūvēt osmotisko spēkstaciju ar jaudu 1700 kilovati stundā. Tajā pašā laikā, atšķirībā no citām stacijām uz alternatīviem enerģijas avotiem - saules vai vēja - laika apstākļi neietekmēs stacijas darbības režīmu. Esošajam prototipam ir pietiekami daudz jaudas, lai nodrošinātu elektrību tikai kafijas automātam, taču līdz 2015. gadam Statkraft cer uzbūvēt spēkstaciju, lai piegādātu elektrību 10 000 privātmāju ciematam.

Starp gaidāmajiem izaicinājumiem ir energoefektīvāku membrānu meklēšana. Tiem, kurus izmanto stacijā Hurumā, 60 km uz dienvidiem no Oslo, šis skaitlis ir 1 W / m2. Pēc kāda laika Statkraft palielinās jaudu līdz 2-3 vatiem, bet, lai sasniegtu rentablu līmeni, ir nepieciešams sasniegt 5 vatus.

Saprotot, ka fosilo energoresursu rezerves ir ierobežotas, un kodoltehnoloģiju izmantošana ir saistīta ar ievērojamu risku un balstās uz radioaktīvo atkritumu apglabāšanas problēmu, cilvēki arvien vairāk cenšas izmantot savus alternatīvos enerģijas avotus. Atjaunojamo resursu kopējais enerģijas potenciāls ir 3 tūkstoš reižu lielāks nekā mūsdienu cilvēces vajadzības. Tiesa, tikai nenozīmīga daļa no šī potenciāla var sevi izmantot, taču pat ar to - pat pašreizējā tehnoloģiju attīstības līmenī - pietiek, lai enerģijas pieprasījumu segtu gandrīz 6 reizes. Ar saules enerģiju vien būtu vairāk nekā pietiekami.

Un tomēr inženieri turpina meklēt arvien jaunus alternatīvos enerģijas resursus - vai arī viņi atgriežas pie vecajām idejām, kuras reiz tika atzītas par bezcerīgām un tāpēc noraidītas, un tagad atkal sola panākumus. Šādiem projektiem pieder arī otrdien Norvēģijā uzsāktā izmēģinājumu rūpnīca. Tas ir balstīts uz tehnoloģiju, kas ļauj ražot enerģiju spiediena dēļ, kas rodas, ja saldūdens un sālsūdens saplūst tur, kur upe ieplūst jūrā. Mēs runājam par tā saukto osmozi.

Saldūdens + jūras ūdens \u003d enerģijas avots

Parasti tur, kur upe ieplūst jūrā, saldūdeni vienkārši sajauc ar sāļu ūdeni, un nav spiediena, kas varētu kalpot kā enerģijas avots. Profesors Klauss Viktors Peinemans no Polimēru pētījumu institūta GKSS Pētniecības centrā Geesthacht pilsētā Vācijas ziemeļos sauc par osmotiskā spiediena attīstībai nepieciešamajiem apstākļiem: "Ja pirms sajaukšanas jūras ūdeni un saldūdeni atdala filtrs - ar īpašu membrānu, kas ļauj ūdenim iziet cauri, bet nav sāls necaurlaidīga, tad vēlmi risinājumus pēc termodinamiskā līdzsvara un koncentrāciju izlīdzināšanas var realizēt tikai tāpēc, ka ūdens iekļūst sāls šķīdumā, un sāls neietilpst saldūdenī. "

Ja tas notiek slēgtā rezervuārā, tad no jūras ūdens rodas liekais hidrostatiskais spiediens, ko sauc par osmotisko spiedienu. Lai to izmantotu enerģijas ražošanai, vietā, kur upe ieplūst jūrā, jāinstalē liels rezervuārs ar divām kamerām, kas atdalītas viena no otras ar daļēji caurlaidīgu membrānu, kas ļauj ūdenim iziet cauri un neļauj sāls iziet cauri. Viena kamera ir piepildīta ar sālsūdeni, otra ar saldūdeni. "Iegūtais osmotiskais spiediens var būt ļoti augsts," uzsver profesors Peimannans. "Tas sasniedz apmēram 25 bārus, kas atbilst ūdens spiedienam ūdenskrituma pakājē, kas metas lejup no 100 metru augstuma."

Pie tik augsta osmotiskā spiediena ūdens tiek padots ģeneratora turbīnai, kas ražo elektrību.

Galvenais ir pareizā membrāna

Šķiet, ka viss ir vienkārši. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka ideja par osmozes izmantošanu kā enerģijas avotu radās gandrīz pirms pusgadsimta. Bet ... "Tajā laikā viens no galvenajiem šķēršļiem bija pienācīgas kvalitātes membrānu trūkums, - saka profesors Peinmans. - Membrānas bija ārkārtīgi lēnas, tāpēc osmotiskā elektriskā ģeneratora efektivitāte būtu ļoti zema. Bet nākamajos 20-30 gados bija vairāki tehnoloģiski sasniegumi. Mēs uzzinājām šodien ražot ārkārtīgi plānas membrānas, kas nozīmē, ka to caurlaidspēja ir kļuvusi daudz lielāka. "
Pētniecības centra GKSS speciālisti sniedza ievērojamu ieguldījumu pašas membrānas attīstībā, kas tagad ir ļāvis praktiski īstenot osmotiskās enerģijas ražošanu, lai arī pagaidām tas ir tikai eksperimentāls. Viens no izstrādātājiem Karstens Bliks skaidro: "Membrānas biezums ir aptuveni 0,1 mikrometri. Salīdzinājumam, cilvēka matu diametrs ir no 50 līdz 100 mikrometriem. Tieši šī plānākā plēve galu galā atdala jūras ūdeni no svaiga ".

Ir skaidrs, ka tik plāna membrāna pati par sevi nevar izturēt augstu osmotisko spiedienu. Tādēļ to uzklāj uz porainas, sūkļveida, bet ārkārtīgi izturīgas pamatnes. Kopumā šāds nodalījums izskatās kā glancēts papīrs, un to, ka uz tā ir plēve, nevar redzēt ar neapbruņotu aci.

Varavīksnes izredzes

Izmēģinājuma rūpnīcas celtniecībai bija nepieciešami vairāku miljonu eiro ieguldījumi. Tika atrasti investori, kuri vēlējās riskēt, kaut arī ne uzreiz. Statkraft, viens no lielākajiem enerģētikas uzņēmumiem Norvēģijā un Eiropas līderis atjaunojamo energoresursu izmantošanā, brīvprātīgi pieteicās finansēt novatorisko projektu. Profesors Peinemans atgādina: "Viņi dzirdēja par šo tehnoloģiju, priecājās un parakstīja sadarbības līgumu ar mums. Eiropas Savienība piešķīra 2 miljonus eiro šī projekta īstenošanai, pārējo ieguldījumu deva Statkraft un virkne citu uzņēmumu, tostarp mūsu institūts."

"Vairāki citi uzņēmumi" ir pētījumu centri Somijā un Portugālē un viens no Norvēģijas pētniecības uzņēmumiem. Izmēģinājuma rūpnīca ar jaudu no 2 līdz 4 kilovatiem, kas tika uzcelta Oslofjordā netālu no Tofte pilsētas un šodien tika atklāta, ir paredzēta, lai pārbaudītu un uzlabotu novatorisko tehnoloģiju. Bet Statkraft vadība ir pārliecināta, ka pēc dažiem gadiem tā tiks izmantota komerciālai osmozes izmantošanai. Un tiek lēsts, ka kopējais osmotiskās enerģijas ražošanas potenciāls pasaulē ir vismaz 1600–1700 teravatstundas gadā - tas ir aptuveni puse no enerģijas patēriņa visā Eiropas Savienībā. Svarīgākā šādu iekārtu priekšrocība ir videi draudzīgums - tās nerada troksni un nepiesārņo atmosfēru ar siltumnīcefekta gāzu emisijām. Turklāt tos ir viegli integrēt esošajā infrastruktūrā.

Vienā jaukā dienā 1747. gadā franču abats Nollets ielej iepriekš nepabeigto Bordo no virtuves atvestā cūkas pūslī un iegremdēja ūdens mucā. 262 gadus vēlāk, 2009. gada 24. novembrī, Norvēģijas kroņprincese Mete-Marita iemalkoja glāzi šampanieša. Kā šie divi notikumi ir saistīti? Gan Nolle, gan princese veica ievērojamus atklājumus. Abats pirmais pasaulē aprakstīja osmozes parādību un membrānas pamatīpašības, un Mette-Marita, pārgriežot simbolisku lenti, Toftā atvēra pasaulē pirmo osmotisko spēkstaciju Statcraft.

Vladimirs Saņņikovs

Var apspriest, ko abats un arī lieliskais eksperimentālais fiziķis Žans Antuāns Nollē patiesībā aizpildīja cūkgaļas burbuļa vēsturi. Bet ūdens klātbūtne abos traukos (burbulī un mucā) ir nenoliedzama. Atšķirība ir tikai tajā izšķīdinātā spirta koncentrācijā. Tieši šī atšķirība deva impulsu ūdens difūzijai caur puscaurlaidīgu membrānu no mucas burbulī. Starp burbuļa paplašināšanos varēja saprast, ka šī parādība rada ļoti ievērojamu vienvirziena spēku, kuru Nolle sauca par osmotisko spiedienu. Un viņš definēja osmozi kā šķīdinātāja difūzijas procesu no mazāk koncentrēta šķīduma līdz koncentrētākam.

Šajās dienās Norvēģijas uzņēmums Statcraft, kas ir Eiropas tīras enerģijas tirgus līderis, ir atradis veidu, kā šo spiedienu pārvērst elektrībā. Jaunā tehnoloģija ir vienīgā, kas spēj džoulus iegūt no dabiskās atšķirības minerālsāļu saturā saldūdenī un jūras ūdenī, nevis no to kustības kinētiskās enerģijas. Pēc norvēģu domām, atjaunojamās osmotiskās enerģijas resursi pasaulē svārstās no 1,6 līdz 1,7 teravatiem - apmēram tikpat 2004. gadā vajadzēja miljardu dolāru Ķīnu! Atšķirībā no kaprīza vēja, sērfošanas un saules, osmozes procesi visu gadu neapstājas ne sekundi, 24 stundas diennaktī.

Osmotiskās spēkstacijas darbībai nav nepieciešamas īpašas inženierbūves: krāsnis, reaktori, aizsprosti, dzesēšanas torņi. Pasaulē pirmā osmozes elektrostacija atrodas tukšā noliktavā kokapstrādes rūpnīcā.

Dzert jūru

Faktiski osmozes parādība ir izmantota rūpnieciskā mērogā vairāk nekā 40 gadus. Tikai tas nav klasiskais tiešais osta Nolle osmoze, bet tā sauktā reversā osmoze - mākslīgs šķīdinātāja iekļūšanas process no koncentrēta šķīduma atšķaidītā šķīdumā spiediena ietekmē, kas pārsniedz dabisko osmotisko spiedienu. Šī tehnoloģija tiek izmantota atsāļošanas un attīrīšanas iekārtās kopš 1970. gadu sākuma. Sāļš jūras ūdens tiek iesūknēts uz īpašas membrānas un, izejot cauri tās porām, zaudē ievērojamu daļu minerālsāļu un tajā pašā laikā baktērijas un pat vīrusus. Sāls vai piesārņota ūdens sūknēšana prasa lielu enerģijas daudzumu, taču spēle ir sveces vērta - uz planētas ir daudz reģionu, kur dzeramā ūdens trūkums ir akūta problēma.

Teorētiskā attīstība šajā jomā parādījās divdesmitā gadsimta sākumā, taču to īstenošanai pietrūka galvenā - piemērotas osmotiskās membrānas. Šādai membrānai bija jāiztur spiediens, kas ir 20 reizes lielāks par parastā sadzīves ūdens padeves spiedienu, un tai bija ārkārtīgi augsta porainība. Materiālu ar līdzīgām īpašībām radīšana bija iespējama pēc Otrā pasaules kara, kad militāro projektu gaitā uzkrātais zinātniskais potenciāls deva impulsu sintētisko polimēru ražošanas tehnoloģiju attīstībai.

Ir grūti noticēt, ka divu risinājumu koncentrācijas atšķirība vien var radīt nopietnu spēku, taču tā ir taisnība: osmotiskais spiediens var paaugstināt jūras ūdens līmeni par 120 m.

Nozīmīgākais sasniegums šajā jomā notika 1959. gadā. Sidneja Lēba un Srinivasa Suranjana no Kalifornijas universitātes Losandželosā ir izstrādājuši spirālveida anizotropo membrānu, kas spēj izturēt kolosālo spiedienu, efektīvi noturot minerālsāļus un mehāniskās daļiņas līdz 5 mikroniem lielākam un, pats galvenais, ar lielu caurlaidspēju pie minimālā izmēra. Lēba un Suranjanas izgudrojums padarīja osmotisko atsāļošanu par ekonomiski dzīvotspējīgu biznesu. Sešdesmito gadu sākumā Lēbs uzbūvēja pasaulē pirmo atslāņošanās spiediena kavēšanas iekārtu (PRO) Coaling, Kalifornijā, un pēc tam pārcēlās uz Izraēlu, kur turpināja pētījumus ar UNESCO līdzekļiem. Piedaloties Lēbam 1967. gadā, Jotvatas pilsētā tika uzbūvēta atsāļošanas iekārta ar jaudu 150 m³ dienā, kas ražoja tīru dzeramo ūdeni no pazemes ezera, kura sāļums ir desmit reizes lielāks nekā jūrā. Trīs gadus vēlāk PRO tehnoloģiju aizsargāja ASV patents.

Osmoze un telpa

Membrānas laboratorija NASA centrā. Eimess daudzus gadus pēc kārtas ir risinājis kosmisko staciju iedzīvotāju nodrošināšanas ar dzeramo ūdeni problēmu. Zinātnieki ir izstrādājuši DOC tehnoloģiju, kas apvieno divus daudzvirzienu procesus - tiešo un reverso osmozi. Reversajā osmozē membrāna darbojas kā smalks filtrs un prasa daudz enerģijas. Savukārt tiešā osmoze to rada. Katrs no šiem procesiem atsevišķi atņem ūdens šķīdumiem milzīgu daudzumu piemaisījumu. Rezultāts ir tā sauktais pelēkais ūdens, ko var izmantot higiēnas vajadzībām. Lai dzeramo ūdeni pagatavotu no pelēkā ūdens, šķīdums iet cauri membrānas attīrīšanas stadijai bez papildu karsēšanas un pēc tam attīrīšanas no baktērijām un vīrusiem katalītiskās oksidēšanas apakšsistēmā. DOC enerģijas blīvums ir pietiekami zems lietošanai kosmosā.
Oriģinālu ūdens attīrīšanas metodi kosmosa stacijās prezentēja amerikāņu kompānija Osmotek. Lai savāktu atkritumus, viņa iesaka izmantot membrānas maisiņus, piemēram, tējas maisiņus, kuros ir aktīvā ogle. Membrāna ļauj iziet tikai ūdenim ar nelielu piesārņojuma daudzumu. Pēc tam šis primārais šķīdums nonāk membrānas kamerā ar īpašu koncentrētu substrātu citā daļā. Jaunais tiešās osmozes fenomens pabeidz procesu.
Oasys sola samazināt osmotisko atsāļošanas iekārtu enerģijas patēriņu ne mazāk kā desmitkārtīgi. Tiesa, šajā gadījumā mēs nerunājam par pretējo, bet gan par tiešo osmozi. Un ne vienkārši, bet gan modificēti. Tās būtība slēpjas patentēta vilkšanas šķīduma ar augstu amonjaka, oglekļa dioksīda un citu ķīmisku vielu klātbūtnē parastās PRO membrānas pretējā pusē. Saskaroties diviem šķīdumiem, rodas osmozes parādība, un izejviela tiek attīrīta no piemaisījumiem. Oasys tehnikas svarīgākais ir tas, ka tīra saldūdens plūsma nesajaucas ar vilkšanas šķīdumu.

Eksperimentus par osmotiskā spiediena pārveidošanu elektriskajā enerģijā, izmantojot Lēba-Suranjana membrānas, kopš 1970. gadu sākuma ir veikušas dažādas zinātniskas grupas un uzņēmumi. Šī procesa pamatshēma bija acīmredzama: svaiga (upes) ūdens plūsma, iekļūstot caur membrānas porām, palielina spiedienu rezervuārā ar jūras ūdeni, tādējādi ļaujot turbīnai griezties. Iztērētais sāļais ūdens tiek novadīts jūrā. Vienīgā problēma bija tā, ka klasiskās PRO membrānas bija pārāk dārgas, kaprīzas un nenodrošināja nepieciešamo plūsmas jaudu. Lietas nonāca laukā astoņdesmito gadu beigās, kad Norvēģijas ķīmiķi Torleifs Holts un Tors Torsens no SINTEF institūta uzņēmās šo uzdevumu.

Kosmiskā slaucīšana

Lai saglabātu maksimālo veiktspēju, Lēba membrānām bija nepieciešama klīniskā tīrība. Atsāļošanas stacijas membrānas moduļa konstrukcija paredzēja obligātu primārā rupja filtra un jaudīga sūkņa klātbūtni, kas no membrānas darba virsmas izsita gružus.

Holts un Torsens pēc daudzsološāko materiālu īpašību analīzes izvēlējās lētu modificētu polietilēnu. Viņu publikācijas zinātniskajos žurnālos piesaistīja Statcraft ekspertu uzmanību, un Norvēģijas ķīmiķi tika uzaicināti turpināt darbu enerģētikas uzņēmuma paspārnē. 2001. gadā Statcraft membrānas programma saņēma valsts dotāciju. Saņemtie līdzekļi tika izmantoti eksperimentālā osmotiskā objekta uzbūvēšanai Sundalsiorā, lai pārbaudītu membrānas paraugus un palaistu tehnoloģiju kopumā. Aktīvā platība tajā bija nedaudz virs 200 m².

Shematiskos attēlos osmotiskā membrāna tiek uzzīmēta kā siena. Faktiski tas ir rullis, kas noslēgts cilindriskā korpusā. Tā daudzslāņu struktūrā mainās saldūdens un sālsūdens slāņi. Šķērsgriezumā parādīts, kā tiek organizēts ūdens plūsmas osmotiskā cilindra iekšpusē. Jo vairāk šādu moduļu tiek uzstādīti stacijā, jo vairāk enerģijas tas var radīt.

Lai paātrinātu procesu, komandā tika uzaicināti inženieri no specializētas NASA membrānas laboratorijas. Fakts ir tāds, ka kopš Apollo Mēness programmas sagatavošanās NASA centrā. Eimss padziļināti pētīja ūdens šķīdumu atsāļošanas un attīrīšanas tehnoloģijas. Amerikāņu pieredze noderēja, un līdz 2008. gadam Statcraft bija pirmie spirālveida poliimīda mebrans paraugi nākotnes osmotisko spēkstaciju vajadzībām. To produktivitāte bija 1 W uz 1 m² ar 10 litru saldūdens difūziju sekundē ar 10 bāru spiedienu.

Stacijā Toftā darbojas tieši šādi membrānas moduļi ar kopējo platību 2000 m². 4kW paaudzei ar to pilnīgi pietiek, taču pilnvērtīgai 25 megavatu stacijai tas prasītu pat 5 miljonus kvadrātmetru. Protams, osmotisko spēkstaciju membrānām vajadzētu būt daudz efektīvākām nekā pašreizējām. Stein Erik Skillhagen, Statcraft viceprezidents, kurš pārrauga programmu, saka, ka uzņēmums pašlaik testē 3 W / m2 spirālveida dobu šķiedru paraugus ar 5 vatu plakanām membrānām līdz 2015. gadam. Turklāt norvēģi cieši pēta trešo pušu attīstību šajā jomā un aktīvi sadarbojas ar General Electric, Hydranautics, Dow un Japānas Toray speciālistiem.

Holandē sāļajā jūrā katru sekundi tiek iemesti 3300 kubikmetri upes ūdens. Zinātnieki ir aprēķinājuši, ka tā kopējais enerģijas potenciāls ir 4,5 * 10 9 W. Arī KEMA pētnieki ir iecerējuši zvejot vismaz daļu enerģijas no šīs mucas bez dibena, taču bez nevajadzīgas, viņuprāt, mehānikas. Un šāda iespēja pastāv. Pagaidām - reversās elektrodialīzes RED (reversās elektrodialīzes) eksperimentālas instalācijas veidā. Tas izmanto arī jūru un saldūdeni, kas atdalīti ar daļēji caurlaidīgām robežām. Šeit ir tikai divas membrānas, un tās darbojas kā elektrodi. Galu galā RED ir akumulators, kas darbojas jonu koncentrācijas atšķirību dēļ starp diviem nesējiem. Šī atšķirība rada vāju spriegumu uz anoda un katoda membrānu virsmas. Ja jūs no tiem samontējat paketi, tad spriegums izrādīsies ļoti pamanāms. Piemēram, standarta pārvadāšanas konteinera izmēra akumulators ražo gandrīz 250 kW. KEMA kopš 2006. gada darbojas mazā 50 kW jaudas rūpnīcā Harlingenā. Tajā tiek pārbaudītas metodes membrānas piesārņojuma ar biomateriālu tīrīšanai un novēršanai. Klīniskā tīrība ir būtiska sistēmas efektīvai darbībai.

Starp citu, tiešās osmozes membrāna nav plāna siena, kas ir uzzīmēta vienkāršotās diagrammās, bet gan garš rullis, kas noslēgts cilindriskā korpusā. Savienojumi ar ķermeni tiek veikti tā, lai visos ruļļa slāņos vienā membrānas pusē vienmēr būtu saldūdens, bet otrā - jūras ūdens.

Dziļumu enerģija

Svaigā un jūras ūdens sāļuma (zinātniski - sāļuma gradienta) atšķirība ir osmotiskās spēkstacijas pamatprincips. Jo lielāks tas ir, jo lielāks ir membrānas tilpums un plūsmas ātrums un līdz ar to turbīnas radītās enerģijas daudzums. Toftā saldūdens gravitācijas ceļā plūst uz membrānas; osmozes rezultātā jūras ūdens spiediens otrā pusē strauji palielinās. Osmozei ir kolosāls spēks - spiediens var paaugstināt jūras ūdens līmeni par 120 m.

Turklāt iegūtais atšķaidītais jūras ūdens izplūst caur spiediena sadalītāju uz turbīnas lāpstiņām un, visu enerģiju atdevis, tiek iemests jūrā. Spiediena sadalītājs paņem daļu no plūsmas enerģijas, pagriežot sūkņus, kas sūknē jūras ūdeni. Tādējādi ir iespējams ievērojami palielināt stacijas efektivitāti. Rick Stover, Energy Recovery, kas ražo šādas ierīces atsāļošanas iekārtām, galvenais tehnologs, lēš, ka enerģijas pārvades efektivitāte izplatītājos ir tuvu 98%. Tieši tās pašas ierīces atsāļošanai palīdz dzeramo ūdeni nogādāt dzīvojamās ēkās.

Kā atzīmē Skilhāgens, ideālā gadījumā osmotiskās spēkstacijas būtu jāapvieno ar atsāļošanas iekārtām - pēdējās atlikušā jūras ūdens sāļums ir 10 reizes lielāks nekā dabiskais. Šādā tandēmā enerģijas ražošanas efektivitāte palielināsies vismaz divas reizes.

Celtniecības darbi Toftā sākās 2008. gada rudenī. Celulozes rūpnīcā Sódra Cell tika izīrēta tukša noliktava. Pirmajā stāvā upju un jūras ūdens attīrīšanai tika sakārtota acu un kvarca filtru kaskāde, otrajā - mašīntelpa. Tā paša gada decembrī membrānas moduļi un spiediena sadalītājs tika pacelti un uzstādīti. 2009. gada februārī ūdenslīdēju grupa līča dibenā ieklāja divus paralēlus cauruļvadus - saldūdens un jūras ūdens ieguvei.

Jūras ūdens Toftā tiek ņemts no 35 līdz 50 m dziļumā - šajā slānī tā sāļums ir optimāls. Turklāt tur ir daudz tīrāk nekā virspusē. Neskatoties uz to, stacijas membrānām ir nepieciešama regulāra tīrīšana no organiskajiem atlikumiem, kas aizsprosto mikroporas.

Kopš 2009. gada aprīļa elektrostacija darbojas izmēģinājuma režīmā, un novembrī ar princeses Mette-Marit vieglu roku tā tika palaista pilnībā. Skillhagens apliecina, ka, sekojot Tofte, Statcraft būs arī citi līdzīgi, bet progresīvāki projekti. Un ne tikai Norvēģijā. Viņš sacīja, ka pazemes komplekss, futbola laukuma lielums, var piegādāt nepārtrauktu elektrību visai pilsētai, kurā ir 15 000 individuālo māju. Turklāt, atšķirībā no vēja turbīnām, šāda osmotiska iekārta praktiski klusē, nemaina ierasto ainavu un neietekmē cilvēku veselību. Un pati daba parūpēsies par sāls un saldūdens papildināšanu tajā.

Starp abiem rezervuāriem tiek ievietota īpaša membrāna, kas ļauj iziet ūdenim, bet neļauj sāls molekulām. Vienā no tām ielej saldūdeni, otrā sāļo. Tā kā šāda sistēma cenšas panākt līdzsvaru, sāļāks ūdens sver ūdeni no rezervuāra. Ja membrānas priekšā novieto ģeneratoru, liekais spiediens pagriezīs tā asmeņus un radīs elektrību.
Ideju, kā tas bieži notiek, ierosināja savvaļas dzīvnieki: saskaņā ar to pašu principu vielas tiek pārnestas šūnās - tās pašas daļēji caurlaidīgās membrānas nodrošina šūnu elastību. Cilvēki jau sen ir veiksmīgi izmantojuši osmotisko spiedienu jūras ūdens atsāļošanā, taču pirmo reizi to izmanto elektrības ražošanai.
Šobrīd prototips rada aptuveni 1 kW enerģijas. Tuvākajā nākotnē šis skaitlis var palielināties līdz 2-4 kW. Lai varētu runāt par ražošanas rentabilitāti, ir jāiegūst aptuveni 5 kW jauda. Tomēr tas ir ļoti reāls uzdevums. Līdz 2015. gadam ir plānots uzbūvēt lielu staciju, kas saražos 25 MW, kas elektroenerģiju apgādās 10 000 vidēja lieluma mājsaimniecībām. Nākotnē tiek pieņemts, ka EKO kļūs tik spēcīgas, ka tās gadā var saražot 1700 TWh, tikpat daudz, cik tagad saražo puse no Eiropas. Šobrīd galvenais uzdevums ir atrast efektīvākas membrānas.
Spēle noteikti ir sveces vērta. Osmozes staciju priekšrocības ir acīmredzamas. Pirmkārt, sālsūdens (stacijas darbībai piemērots parasts jūras ūdens) ir neizsmeļams dabas resurss. Zemes virsma ir 94% pārklāta ar ūdeni, no kuriem 97% ir fizioloģiskais šķīdums, tāpēc šādām stacijām vienmēr būs degviela. Otrkārt, EKO organizēšana neprasa īpašu objektu būvniecību: tiks izmantotas visas jau esošo uzņēmumu neizmantotās telpas vai citas biroju ēkas. Turklāt ECO var piegādāt upju grīvās, kur saldūdens ieplūst sāļā jūrā vai okeānā - un šajā gadījumā pat nav nepieciešams īpaši piepildīt rezervuārus ar ūdeni.

Saldūdens + jūras ūdens \u003d enerģijas avots

Parasti tur, kur upe ieplūst jūrā, saldūdeni vienkārši sajauc ar sāļu ūdeni, un nav spiediena, kas varētu kalpot kā enerģijas avots. Profesors Klauss Viktors Peinemans no Polimēru pētījumu institūta GKSS Pētniecības centrā Geesthacht pilsētā Vācijas ziemeļdaļā sauc osmotiskā spiediena attīstībai nepieciešamos apstākļus: "Ja pirms sajaukšanas jūras ūdeni un saldūdeni atdala filtrs - ar īpašu membrānu, kas ļauj ūdenim iziet cauri, bet nav sāls necaurlaidīga, tad šķīdumu tiekšanos uz termodinamisko līdzsvaru un koncentrāciju izlīdzināšanu var realizēt tikai tāpēc, ka ūdens iekļūst sāls šķīdumā, un sāls neietilpst saldūdenī. "

Ja tas notiek slēgtā rezervuārā, no jūras ūdens rodas liekais hidrostatiskais spiediens, ko sauc par osmotisko spiedienu. Lai to izmantotu enerģijas ražošanai, vietā, kur upe ieplūst jūrā, ir jāuzstāda liels rezervuārs ar divām kamerām, kas atdalītas viena no otras ar daļēji caurlaidīgu membrānu, kas ļauj ūdenim iziet cauri un neļauj sāls iziet cauri. Viena kamera ir piepildīta ar sālsūdeni, otra ar saldūdeni. "Iegūtais osmotiskais spiediens var būt ļoti augsts," uzsver profesors Peimannans. "Tas sasniedz apmēram 25 bārus, kas atbilst ūdens spiedienam ūdenskrituma pakājē, kas metas lejup no 100 metru augstuma."

Pie tik augsta osmotiskā spiediena ūdens tiek padots ģeneratora turbīnai, kas ražo elektrību.

Galvenais ir pareizā membrāna

Šķiet, ka viss ir vienkārši. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka ideja par osmozes izmantošanu kā enerģijas avotu radās gandrīz pirms pusgadsimta. Bet ... "Tajā laikā viens no galvenajiem šķēršļiem bija pienācīgas kvalitātes membrānu trūkums, - saka profesors Peinmens. - Membrānas bija ārkārtīgi lēnas, tāpēc osmotiskā elektriskā ģeneratora efektivitāte būtu ļoti zema. Bet nākamajos 20-30 gados bija vairāki tehnoloģiski sasniegumi. Mēs uzzinājām šodien ražot ārkārtīgi plānas membrānas, kas nozīmē, ka to caurlaidspēja ir daudz lielāka. "
Pētniecības centra GKSS speciālisti sniedza ievērojamu ieguldījumu pašas membrānas attīstībā, kas tagad ir ļāvis praktiski īstenot osmotiskās enerģijas ražošanu, lai arī pagaidām tas ir tikai eksperimentāls. Viens no izstrādātājiem Karstens Bliks skaidro: "Membrānas biezums ir aptuveni 0,1 mikrometri. Salīdzinājumam, cilvēka matu diametrs ir no 50 līdz 100 mikrometriem. Tieši šī plānākā plēve galu galā atdala jūras ūdeni no svaiga ".

Ir skaidrs, ka tik plāna membrāna pati par sevi nevar izturēt augstu osmotisko spiedienu. Tādēļ to uzklāj uz porainas, sūkļveida, bet ārkārtīgi izturīgas pamatnes. Kopumā šāds nodalījums izskatās kā glancēts papīrs, un to, ka uz tā ir plēve, nevar redzēt ar neapbruņotu aci.

Varavīksnes izredzes

Izmēģinājuma rūpnīcas celtniecībai bija nepieciešami vairāku miljonu eiro ieguldījumi. Tika atrasti investori, kuri vēlējās riskēt, kaut arī ne uzreiz. Statkraft, viens no lielākajiem enerģētikas uzņēmumiem Norvēģijā un Eiropas līderis atjaunojamo energoresursu izmantošanā, brīvprātīgi pieteicās finansēt novatorisko projektu. Profesors Peinemans atgādina: "Viņi dzirdēja par šo tehnoloģiju, priecājās un parakstīja sadarbības līgumu ar mums. Eiropas Savienība piešķīra 2 miljonus eiro šī projekta īstenošanai, pārējo ieguldījumu deva Statkraft un virkne citu uzņēmumu, ieskaitot mūsu institūtu."

"Vairāki citi uzņēmumi" ir pētījumu centri Somijā un Portugālē un viens no Norvēģijas pētījumu uzņēmumiem. Izmēģinājuma iekārta ar jaudu no 2 līdz 4 kilovatiem, kas tika uzcelta Oslofjordā netālu no Tofte pilsētas un šodien tika atklāta, ir paredzēta, lai pārbaudītu un uzlabotu novatorisko tehnoloģiju. Bet Statkraft vadība ir pārliecināta, ka pēc dažiem gadiem tā tiks izmantota komerciālai osmozes izmantošanai. Un tiek lēsts, ka kopējais osmotiskās enerģijas ražošanas potenciāls pasaulē ir vismaz 1600-1700 teravatstundas gadā - tas ir aptuveni puse no enerģijas patēriņa visā Eiropas Savienībā. Svarīgākā šādu iekārtu priekšrocība ir to videi draudzīgums - tās nerada troksni un nepiesārņo atmosfēru ar siltumnīcefekta gāzu emisijām. Turklāt tos ir viegli integrēt esošajā infrastruktūrā.

Ilgtspējība

Atsevišķi es vēlētos atzīmēt šīs elektroenerģijas ražošanas metodes absolūto draudzīgumu videi. Nav atkritumu, oksidējošu tvertņu materiālu un kaitīgu izgarojumu. ECO var uzstādīt pat pilsētas robežās, neradot kaitējumu tās iedzīvotājiem.
Tāpat ECO darbībai nav nepieciešami citi enerģijas avoti, un tā nav atkarīga no klimatiskajiem apstākļiem. Tas viss padara ECO par gandrīz ideālu elektroenerģijas ražošanas veidu.