В заголовке нет ошибки, не из "космоса" , а именно из "осмоса"
Мы каждый день убеждаемся, что нас окружает масса самых неожиданных источников возобновляемой энергии. Кроме Солнца, ветра, течений и приливов для выработки электроэнергии можно использовать генераторы, работающие на соли – верней, на разнице, которую она создает между пресной и морской водой. Эта разница именуется градиентом солености, и благодаря явлению осмоса может быть использована для получения избыточного давления жидкости, которое преобразуется в электрическую привычными турбинами.
Известно несколько способов преобразования энергии градиента солености в электроэнергию. Наиболее перспективный на сегодня - преобразование с помощью осмоса, поэтому часто говорят об энергии градиента солености как об энергии осмоса. Но принципиально возможны и другие способы преобразования энергии градиента солености.
Явление осмоса заключается в следующем. Если взять полупроницаемую мембрану (перепонку) и поместить ее в качестве перегородки в каком-либо сосуде между пресной и соленой водой,
то осмотические силы начнут как бы перекачивать пресную воду в соленую. Молекулы пресной воды будут переходить через разделительную мембрану во вторую половину сосуда, заполненную соленой водой, а молекулы соли мембрана не будет пропускать в первую половину с пресной водой. За это свойство мембрана и называется полупроницаемой. Выделяющаяся при этом процессе энергия проявляется в виде повышенного давления, возникающего в части сосуда с соленой водой. Это - осмотическое давление (иногда называют осмотическим водопадом). Максимальное значение осмотического давления - разность давлений между раствором (т. е. соленой водой) и растворителем (т. е. пресной водой), при которой осмос прекращается, что происходит из-за образования равенства давлений по обе стороны полупроницаемой мембраны. Образовавшееся повышенное давление в половине сосуда с соленой водой уравновешивает осмотические силы, вытеснявшие молекулы пресной воды через полупроницаемую мембрану в соленую воду.
Явление осмоса известно давно. Впервые его наблюдал А. Подло в 1748 г., но детальное изучение началось более столетия спустя. В 1877 г. В. Пфеффер впервые измерил осмотическое давление при изучении водных растворов тростникового сахара. В 1887 г. Вант-Гофф на основе данных опытов Пфеффера установил закон, определяющий осмотическое давление в зависимости от концентрации растворенного вещества и температуры. Он показал, что осмотическое давление раствора численно равно давлению, которое оказали бы молекулы растворенного вещества, если бы находились в газообразном состоянии при тех же значениях температуры и концентрации.
Для получения осмотической энергии необходимо иметь вблизи более или менее концентрированного раствора источник с малой концентрацией соли. В условиях Мирового океана такими источниками являются устья впадающих в него рек.
Энергия градиента солености, рассчитанная по осмотическому давлению, не подвергается ограничениям по КПД, связанным с циклом Карно; в этом заключается одна из положительных особенностей этого вида энергии. Вопрос состоит в том, как лучше преобразовать ее в электроэнергию.
Первая в мире электростанция, использующая для выработки электричества явление осмоса, открылась на днях в Норвегии. Используя в своей работе только соленую и пресную воду, нынешний прототип электростанции будет вырабатывать 2-4 киловатта, но в перспективе эта цифра значительно увеличится.Для производства энергии станция, построенная норвежской компанией Statkraft, использует явление осмоса, то есть движения растворов через мембрану в сторону большей концентрации солей. Поскольку концентрация солей в обычной морской воде выше, чем в пресной, между разделенными мембраной пресной и соленой водой развивается явление осмоса, и движение потока воды заставляет работать турбину, вырабатывающую энергию.Мощность уже запущенного прототипа невелика и составляет два-четыре киловатт-часа. Как пояснил менеджер проекта Штейн Эрик Скилхаген, цели сразу построить промышленных масштабов электростанцию перед компанией не стояло, важнее было показать, что данная технология в принципе может использоваться в энергетике.Идея использовать явление осмоса для выработки электричества была впервые предложена активистами экологических движений еще в 1992 году, отмечает сайт компании Statkraft. По расчетам инженеров, сегодня можно построить осмотическую электростанцию мощностью 1700 киловатт в час. При этом, в отличие от других станций на альтернативных источниках энергии – солнечной или ветровой – погода не будет оказывать никакого влияния на режим работы станции. Мощности существующего прототипа хватит, чтобы обеспечить электричеством всего лишь кофеварку, но уже к 2015 году Statkraft надеется построить электростанцию, снабжающую электричеством поселок из 10 тысяч частных домов.
Среди предстоящих задач – поиск более энергоэффективных мембран. У применяющихся на станции в Хуруме, что в 60 км к югу от Осло, этот показатель составляет 1 Вт/м2. Через некоторое время Statkraft увеличит мощность до 2-3 Вт, но для выхода на рентабельный уровень необходимо добиться 5 Вт.
Моря и реки, неисчерпаемые источники энергии, не только приводят в движение турбины приливных, волновых электростанций и ГЭС. Морские и пресные воды могут работать в тандеме - и тогда в роли энергетического генератора выступает такой фактор как изменение солёности воды. Несмотря на то, что солевая энергетика находится лишь в начале своего технологического развития, у неё уже есть очевидные перспективы.
Принцип работы и потенциал солевых станций
В основу солевой генерации положен естественный процесс, называемый осмосом. Он широко представлен в природе, как в живой, так и в неживой. В частности, за счёт осмотического давления соки в деревьях в ходе обмена веществ преодолевают значительное расстояние от корней до вершины, поднимаясь на внушительную высоту - к примеру, для секвойи она составляет порядка сотни метров. Аналогичное явление - осмос - присуще водным объектам и проявляется в перемещении молекул. Движение частиц осуществляется из зоны с большим количеством молекул воды в среду с солевыми примесями.
Перепады солёности возможны в ряде случаев, в том числе при контакте моря или озёр с более пресными водами - реками, лиманами и лагунами у побережья. Кроме того, соседство солёных и пресных вод возможно в регионах с засушливым климатом, в районах расположения подземных солевых месторождений, соляных куполов, а также под морским дном. Разница в солёности сообщающихся масс воды может возникать искусственным путём - в испарительных водоёмах, солнечных стратифицированных прудах, в растворах сбросов химической промышленности и в водных ёмкостях энергетических объектов, в том числе АЭС.
Движение ионов, как и любая природная сила, может быть использовано для выработки энергии. Классический принцип солевой генерации предусматривает обустройство проницаемой для ионов мембраны между пресным и солёным растворами. При этом частицы пресного раствора будут переходить через мембрану, давление солёной жидкости повышается и компенсирует осмотические силы. Так как в природе поступление пресной воды в реках постоянно, то движение ионов будет стабильным, поскольку разница давлений не изменится. Последняя приводит в действие гидротурбины генераторов и производит таким образом энергию.
Возможности выработки энергии зависят прежде всего от показателей солёности воды, а также от уровня её расхода в речном потоке. Усреднённая отметка солёности Мирового океана составляет 35 килограммов на кубометр воды. Осмотическое давление при таком показателе достигает 24 атмосферы, что эквивалентно силе падения воды с высоты плотины в 240 метров. Совокупный сброс воды из пресных водоёмов в моря составляет 3,7 тыс. кубических километров в год. Если применить для генерации 10% потенциала крупнейших рек Евросоюза - Вислы, Рейна и Дуная, то выработанный объём энергии превысит среднее потребление в Европе втрое.
Ещё немного впечатляющих цифр: при обустройстве электростанций в зоне впадения Волги в Каспий можно будет произвести за год 15 ТВт⋅ч энергии. Генерация 10 ТВт⋅ч и 12 ТВт⋅ч энергии вполне возможна в районах слияния Днепр-Чёрное море и Амур-Татарский пролив соответственно. По мнению специалистов норвежской компании Statkraft, суммарный потенциал солевой энергетики достигает 0,7–1,7 тыс. ТВт⋅ч или 10% от мировых потребностей. По самым оптимистичным оценкам экспертов, максимальное задействование возможностей использования солёности воды позволит получить больше электроэнергии, чем человечество потребляет в настоящее время.
Европа: реализованные проекты
Первые попытки учёных добиться выработки электроэнергии путём создания осмотического давления, которое было бы способно приводить в движение турбины генераторов, относятся к семидесятым годам двадцатого века. Уже тогда было предложено задействовать в качестве основного компонента генерирующей установки нового типа полупроницаемую мембрану, неприступную для обратного хода солей, но вполне свободно пропускающую молекулы воды.
Первые разработки вряд ли можно было назвать удачными - мембраны не обеспечивали достаточно мощного потока. Требовались материалы, которые выдерживали бы давление в два десятка раз большее, чем в водопроводных сетях, и при этом имели бы пористую структуру. Прогресс в разработках наметился в середине восьмидесятых годов, после того, как в норвежской компании SINTEF создали дешёвый модифицированный полиэтилен на основе керамики.
После получения новой технологии норвежцы фактически открыли путь к практической реализации проектов солевой генерации. В 2001 году правительство страны выделило компании Statkraft грант на постройку экспериментальной осмотической установки с совокупной площадью мембран в 200 квадратных метров. На возведение станции ушло около $20 млн. Объект построили в городе Тофте (расположен в коммуне Хурум). Базой для строительства послужила инфраструктура бумажного комбината Södra Cell Tofte.
Бумажный комбинат Södra Cell Tofte с экспериментальной установкой
Мощность генератора оказалась более чем скромной - станция производит максимум 4 кВт энергии, чего достаточно лишь для работы двух электрочайников. В перспективе планируется нарастить мощностной показатель до 10 кВт. Тем не менее, следует помнить, что пилотный проект был запущен в качестве эксперимента и предназначался прежде всего для отработки технологий и проверки теоретических выкладок на практике. Предполагается, что станция может быть переведена на коммерческий режим эксплуатации, если эксперимент признают удачным. Рентабельная мощность генератора при этом должна быть повышена до 5 Вт из расчёта на квадратный метр площади мембран, сейчас же этот показатель для норвежской станции - не более 1 Вт на квадратный метр.
Экспериментальная осмотическая установка
Следующим этапом развития солевой генерации на мембранных технологиях стал запуск в 2014 году электростанции в нидерландском Афслёйтдейке. Начальная мощность объекта составила 50 кВт, по непроверенным данным, она может быть наращена до десятков мегаватт. Станция, построенная у побережья Северного моря, в случае развития проекта сможет удовлетворять потребности в энергии 200 тыс. домохозяйств, рассчитали в компании Fudji, выступившей в роли поставщика мембран.
Россия и Япония как перспективные территории
Если говорить о том, в каких регионах мира появятся следующие станции, то больше всего перспектив у такого вида энергетики в Японии. Это связано в первую очередь с налаженным производством необходимых компонентов - компании страны выпускают 70% от мирового объёма осмотических мембран. Вероятно, сработает и географический фактор -специалисты Токийского технического института пришли к выводу о том, что Япония обладает большим потенциалом для развития солевой энергетики. Острова страны со всех сторон окружены океаническими водами, в которые впадает большое количество рек. Задействование осмотических станций даст возможность получать 5 ГВт энергии, что эквивалентно выработке нескольких АЭС, большая часть которых в японском регионе была закрыта после фукусимской катастрофы.
Осмотические мембраны
Не менее привлекательной для развития данного сегмента является и российская территория. По мнению отечественных специалистов, строительство осмотической станции в зоне впадения Волги в Каспийское море может быть вполне реализуемым проектом. Уровень расхода воды в устье реки составляет 7,71 тыс. кубометров в секунду, при этом потенциальная мощность солевой генерации будет колебаться в пределах 2,83 ГВт. Мощность станции, использующей 10% речного стока, составит 290 МВт. Впрочем, развитая хозяйственная деятельность в регионе, обилие фауны и флоры в дельте Волги в некоторой степени осложнит проект строительства станции - потребуется возведение ряда инженерных сооружений, каналов для пропуска рыбы и водоразделов.
Кроме того, в качестве одной из перспективных площадок для внедрения генерации осмоса выступает Крым. Хотя совокупный потенциал рек полуострова невысок, всё же он мог бы удовлетворить энергетические потребности отдельных объектов, к примеру, гостиниц. Специалисты чисто гипотетически рассматривают даже возможность использования канализационных стоков в Крыму в качестве пресного источника для осмотических станций. Объём стоков, которые сейчас сбрасываются в морскую акваторию, в летний период в регионе может превышать интенсивность потока отдельных рек. Тем не менее, в данном случае особо острым становится вопрос технологии эффективной очистки оборудования от загрязнений.
С другой стороны, несмотря на благоприятные географические условия и возможность широкого выбора для размещения генерирующих объектов, системные разработки по данным вопросам в России пока не ведутся. Хотя, по некоторым данным, в 1990 году на базе научной группы Дальневосточного научного центра Академии наук СССР проводилось изучение возможности развития солевой энергетики вплоть до состоявшихся лабораторных опытов, однако результаты этой работы остались неизвестны. Для сравнения - в той же Европе исследования в области создания осмотических станций резко активизировались под давлением экологических организаций ещё с начала девяностых годов. К этой работе в ЕС активно привлекаются всевозможные стартапы, практикуются государственные дотации и гранты.
Пути дальнейшего развития технологий
Наиболее перспективные исследования в отрасли солевой энергетики направлены в основном на повышение эффективности производства энергии с применением упомянутой мембранной технологии. Французским исследователям, в частности, удалось увеличить показатель выработки энергии до уровня 4 кВт на квадратный метр мембраны, что уже вплотную приблизило к реальности вероятность перевода станций на коммерческую основу. Ещё дальше пошли учёные из США и Японии - они сумели применить в мембранной структуре технологию графеновых плёнок. Высокая степень проницаемости достигнута за счёт сверхмалой толщины мембраны, которая не превышает величину атома. Предполагается, что с использованием графеновых мембран выработку энергии на квадратный метр из поверхности можно будет нарастить до 10 кВт.
Группа специалистов из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) занялась исследованием возможности эффективного захвата заряда энергии сторонним путём - без применения турбин генераторов, а непосредственно в процессе прохождения ионов через мембраны. Для этого они использовали в тестовых установках пластины из дисульфида молибдена толщиной в три атома. Данный материал является сравнительно дешёвым, а количество его запасов в природе достаточно велико.
В пластинах делаются микроотверстия для прохождения заряженных частиц солей, которые в процессе движения генерируют энергию. Одна такая пора мембраны может давать до 20 нановатт. По данным Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, мембраны такого типа с площадью в 0,3 квадратных метра вырабатывают порядка мегаватта энергии. Очевидно, что такой показатель в случае успешных экспериментов можно будет считать настоящим прорывом в отрасли. К настоящему же времени исследования находятся на начальном этапе, учёные уже столкнулись с первой проблемой - они пока не в состоянии сделать большое количество равномерно расположенных наноотверстий в мембранах.
В США, Израиле и Швеции тем временем разрабатываются способы получения энергии путём обратного электродиализа - одной из разновидностей мембранной технологии. Данная методика, предусматривающая применение мембран ионоселективного типа, позволяет реализовать схему прямого преобразования солёности воды в электроэнергию. В роли номинального элемента генерации выступает электродиализная батарея, состоящая из электродов и помещённых между ними нескольких мембран, предназначенных отдельно для обеспечения обмена катионов и анионов.
Схема обратного электродиализа
Мембраны образуют несколько камер, в которые поступают растворы с разной степенью насыщенности солями. При прохождении ионов между пластинами в определённом направлении на электродах накапливается электроэнергия. Возможно, с применением самых новых мембранных технологий эффективность таких установок будет высокой. Пока же эксперименты с созданием установок схожей конструкции - с диалитическими батареями - не показали впечатляющих результатов. В частности, применение катионных и анионных мембран даёт всего лишь 0,33 ватта на квадратный метр мембран. Последние же достаточно дороги и недолговечны.
В целом мембранные технологии не осваиваются с нуля - принципиально такие конструкции похожи на пластины, применяемые в установках для опреснения воды, однако при этом они гораздо тоньше и сложнее в производстве. Компании-лидеры выпуска опреснительных мембран, в том числе General Electric, пока не берутся за поставки пластин для осмотических станций. По данным пресс-службы корпорации, к налаживанию производства мембран для энергетики она приступит не ранее, чем через пять или десять лет.
На фоне сложностей с развитием традиционных мембранных технологий ряд исследователей посвятили свою деятельность поиску альтернативных способов солевой генерации. Так, физик Дориано Броджоли из Италии предложил использовать солёность воды для извлечения энергии при помощи ионистора - конденсатора с большой ёмкостью. Накопление энергии происходит на электродах из активированного угля в процессе последовательного поступления в одну и ту же камеру пресной и солёной воды. Учёному в ходе практического эксперимента удалось сгенерировать за один цикл наполнения резервуара 5 микроджоулей энергии. Потенциал своей установки он оценил гораздо выше - до 1,6 килоджоуля на один литр пресной воды при условии использования ионисторов более высокой ёмкости, что вполне сопоставимо с мембранными генераторами.
Схожим путём пошли американские специалисты из Стэнфордского университета. Конструкция их батарей предусматривает заполнение камеры батареи пресной водой с дальнейшей небольшой подзарядкой из внешнего источника. После смены пресной на морскую воду за счёт возрастания количества ионов в десятки раз электрический потенциал между электродами повышается, что приводит к выработке большего количества энергии, чем потраченное на подзарядку батареи.
Совсем другой принцип использования солёности воды является достаточно сложным в реализации, однако он уже опробован на макетах генерирующих установок. Он предусматривает использование разницы давлений насыщенных паров над водными объектами с солёной и пресной водой. Дело в том, что с наращиванием степени солёности воды давление пара над её поверхностью снижается. Разницу давления можно использовать для выработки энергии.
При задействовании микротурбин можно добиться получения до 10 ватт энергии с каждого квадратного метра теплообменника, однако для этого требуются только водные объекты с высокой степенью солёности - к примеру, Красное или Мёртвое моря. Кроме того, технология предусматривает необходимость поддержания низкого, близкого к вакууму, атмосферного давления внутри установки, обеспечение чего в условиях нахождения генератора в открытой акватории является проблематичным.
Энергия из соли: плюсов больше
В сфере солевой генерации, как и в других энергетических отраслях, приоритетным стимулом развития является экономический фактор. В этом плане солевая энергетика выглядит более чем привлекательной. Так, по мнению специалистов, при условии усовершенствования существующих технологий производства энергии с использованием мембран, себестоимость выработки составит €0,08 за 1 кВт - даже при отсутствии субсидирования генерирующих компаний.
Для сравнения, себестоимость производства энергии на ветряных станциях в европейских странах составляет от €0,1 до €0,2 за киловатт. Угольная генерация обходится дешевле - в €0,06–0,08, газоугольная - €0,08–0,1, однако следует учесть, что тепловые станции загрязняют атмосферный воздух. Таким образом, в ценовом сегменте осмотические станции имеют явное преимущество перед остальными видами альтернативной энергетики. В отличие от ветряных и солнечных станций, солевые генераторы более эффективны и технически - их работа не зависит от времени суток и сезона, а уровень солёности воды - практически постоянен.
Строительство осмотических станций, в противовес ГЭС и иным типам станций на водных объектах, не требует затрат на возведение специальных гидротехнических сооружений. В других видах морской энергетики ситуация обстоит хуже. Пронедра писали ранее, что строительство приливных станций требует возведения масштабной и сложной инфраструктуры. Напомним, аналогичные проблемы касаются объектов энергетики, работающих на силе океанических течений и морских волн.
Как одно из направлений альтернативной энергетики, солевой генерации характерен «экологический плюс» - работа осмотических станций абсолютно безопасна для окружающей среды, она не нарушает естественный баланс живой природы. Процесс генерации энергии из солёности воды не сопровождается шумовыми эффектами. Для запуска станций не приходится изменять ландшафт. У них нет выбросов, отходов или каких-то испарений, в связи с чем такие станции могут устанавливаться в том числе непосредственно в городах. Станции всего лишь используют для выработки энергии обычные природные процессы опреснения солёной воды в устьях рек и никак не влияют на их ход.
Несмотря на ряд очевидных преимуществ, солевая энергетика имеет и определённые недостатки, связанные в первую очередь с несовершенством имеющихся технологий. Кроме упомянутых выше проблем с созданием высокопродуктивных надёжных и при этом недорогих мембран, остро стоит вопрос о разработке эффективных фильтров, поскольку поступающая на осмотическую электростанцию вода должна тщательно очищаться от органики, забивающей каналы, предназначенные для прохождения ионов.
К недостаткам станций можно отнести и географическую ограниченность возможности их применения - такие генераторы устанавливаются только на границах пресных и солёных водоёмов, то есть в устьях рек, или на солёных озёрах. Тем не менее, даже при имеющихся недостатках и на фоне своих огромных преимуществ, и при условии преодоления проблем технологического плана, солевая энергетика, бесспорно, получает большие шансы занять одну из ключевых позиций на мировом рынке генерации.
Пока что в мире существует всего один действующий прототип осмотической электростанции. Но в перспективе их будут сотни.
Принцип действия осмотической электростанции
Работа электростанции основана на осмотическом эффекте – свойстве специально сконструированных мембран пропускать через себя только определенные частицы. Например, установим между двумя емкостями мембрану и нальем в одну из них дистиллированную воду, а в другую – солевой раствор. Молекулы воды будут свободно проходить сквозь мембрану, а частицы соли – нет. А так как в такой ситуации жидкости будут стремиться к равновесию, то вскоре пресная вода самотеком распространится на обе емкости.
Если сделать разницу в составах растворов очень большой, то поток жидкости через мембрану будет довольно сильным. Поставив на его пути гидротурбину, можно вырабатывать электроэнергию. Это и есть простейшая конструкция осмотической электростанции. На данный момент оптимальным сырьем для нее является соленая морская вода и пресная речная – возобновляемые источники энергии.
Опытная электростанция такого типа построена в 2009 году возле норвежского города Осло. Ее производительность невелика – 4 кВт или 1 Вт с 1 кв.м. мембраны. В ближайшем будущем это показатель будет увеличен до 5 Вт с 1 кв.м. К 2015 году норвежцы намерены построить уже коммерческую осмотическую электростанцию с мощностью порядка 25 МВт.
Перспективы использования данного источника энергии
Главным преимуществом ОЭС перед другими типами электростанций является использование ею крайне дешевого сырья. По сути, оно бесплатно, ведь 92-93% поверхности планеты покрыто соленой водой, а пресную несложно получить тем же методом осмотического давления в другой установке. Установив электростанцию в устье реки, впадающей в море, можно одним махом решить все проблемы с поставками сырья. Климатические условия для работы ОЭС не важны – пока вода течет, установка работает.
При этом не создается каких-либо токсичных веществ – на выходе образуется все та же соленая вода. ОЭС абсолютно экологически безопасна, ее можно установить в непосредственной близости от жилых районов. Электростанция не наносит вред живой природе, а для ее сооружения нет необходимости перекрывать реки плотинами, как в случае с ГЭС. А низкая эффективность электростанции легко компенсируется массовостью таких установок.
Осмотические электростанции (ОЭС) имеют отношение к альтернативной экологически чистой энергетике и находятся на стадии внедрения. Осмотическая электростанция - это гидроэлектростанция, основанная на смешивании солёной и пресной воды через полупроницаемую мембрану, т. е. на процессе осмоса.
Осмос - это вид давления, играющий важную роль во многих естественных процессах, где регулируются концентрации веществ, например в экологии водоёмов. Людьми явление осмоса применяется в различных фильтрационных установках. Осмотическая электростанция по эффективности находится ниже солнечных батарей, ветрогенераторов, биотопливных станций, но выше приливных гидроэлектростанций.
Принцип работы осмотической электростанции.
ОЭС имеет резервуары с солёной морской водой и с пресной водой. Резервуары разделены полупроницаемой мембраной (на рисунке обозначена буквой М), которая пропускает только воду. Как известно солей в морской воде (на рисунке это левый отсек резервуарв W2) больше, чем в пресной воде. Молекулы пресной воды стремятся туда, где концентрация соли больше, при этом в резервуаре с морской водой объём жидкости увеличивается. Мембрана задерживает соли. Непрерывный поток через мембрану пресной воды в сторону солёной образует избыточное давление P в отсеке с морской водой.
Отводимая вода из морского резервуара приводит в действие гидротурбину (на рисунке ниже обозначена цифрой 6), вырабатывающую энергию. При концентрации соли в 35 г/литр путём осмоса создается перепад давления 2389464 Паскаля или примерно 24 атмосферы - это соответствует плотине высотой в 240 м. Сила давления зависит от площади мембраны. Важными также являются селективность и проницаемость мембран.
История развития осмотической электростанции.
Идея производства энергии с использованием осмоса появилась в 70-х годах прошлого века, но тогда мембраны ещё не обладали достаточной эффективностью. Для выгодного использования осмотической энергии нужно чтобы эффективность мембраны составляла более 5 Вт/м2. Повышение эффективности мембраны - это главная задача сейчас. На сегодняшний день отрабатываются технологии и испытываются материалы для мембран. Первый в мире прототип солевого генератора был запущен в Норвегии госэнергокомпанией Statkraft в 2009 году. Мощность этой электростанции - 5 кВт - это по прежнему очень мало, но первые шаги уже сделаны. На норвежской ОЭС использована спиральная мембрана из модифицированной полиэтиленовой плёнки на керамической основе, изобретённой в 80-х годах норвежскими учёными. В качестве материала для мембраны также рассматриваются углеродные нанотрубки и ещё более эффективные графеновые плёнки.
Преимущества осмотической электростанции:
- Игнорирование климатических условий - ветра и солнца. Это выгодно отличает осмотическую от солнечной, ветровой или приливной электростанций
- Не угрожает парниковыми газами, не создаёт выброса токсичных веществ
- Ресурсы, затраченные на работу электростанции возобновляемы
- Дешёвое сырьё
- Производит постоянное предсказуемое количество энергии
Недостаток осмотической электростанции заключается в том, что её возможно использовать лишь на морских побережьях. Невозможность повсеместного её использования объясняется отсутствием одновременно в одном месте и солёной и пресной воды.
Осмос (от греческого слова Osmos - толчок, давление), диффузия вещества, обычно растворителя, через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель или два раствора различной концентрации. Полупроницаемую мембрану - перегородка, пропускающая малые молекул растворителя, но непроницаемая для больших молекул растворенного вещества. Явление осмоса (выравнивание концентраций растворов, разделенных полупроницаемой мембраной) лежит в основе обмена веществ, всех живых организмов. Например, стенки клеток растений, животных и человека представляют собой естественную мембрану, которая является частично проницаемой, поскольку она свободно пропускает молекулы воды, но не молекулы других веществ. Когда корни растений впитывало воду, стены их клеток формируют натуральную осмотическую мембрану, которая пропускает молекулы воды и отторгается большинство примесей. Травы и цветы стоят вертикально только за счет так называемого осмотического давления. Поэтому при недостатке воды они выглядят пожухлыми и вялыми. Фильтрующая способность природной мембраны уникальна, она отделяет вещества от воды на молекулярном уровне и именно это позволяет любому живому организму существовать.
Применение мембран для отделения одних компонентов раствора от других известно очень давно. В первой Аристотель обнаружил, что морская вода опресняется, если ее пропустить через стенки воскового сосуда. Изучение этого явления и других мембранных процессов началось гораздо позже, в начале XVIII века, когда Реомюр использовал для научных целей полупроницаемые мембраны природного происхождения. Но к середине 20-х годов прошлого века все эти процессы имели сугубо теоретический интерес, не выходя за пределы лабораторий. В 1927 году немецкая фирма "Сарториус" получила первые образцы искусственных мембран. И только в середине прошлого века американские разработчики, наладили производство ацетатцеллюлозных и нитроцеллюлозных мембран. В конце 50-х - начале 60-х годов с началом широкого производства синтетических полимерных материалов появились первые научные работы, которые легли с основу промышленного применения обратного осмоса.
Первые промышленные возвратно-осмотические системы появились только в начале 70 X лет, поэтому это сравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом или адсорбцией на активированных углях. Однако, в Западных странах обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию компонентов, находящихся в воде, на 96-99% и практически на 100% избавиться микроорганизмов и вирусов. Механизм переноса молекул воды через осмотическую мембраны чаще всего представляет собой обычную фильтрацию, при которой происходит задержка частиц размером больше диаметра поросмотичнои мембраны. Выравнивание концентраций по обе стороны такой мембраны возможно только при односторонней диффузии растворителя. Поэтому осмос всегда идет от чистого растворителя к раствору или от разбавленного раствора к концентрированному раствору. В частности, явление осмоса наблюдается, когда два соляные растворы с различными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Эта мембрана пропускает молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей - нет. Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солевмистни растворы воды с различной концентрацией солей, молекулы воды будут перемешаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Через явление осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением. Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением". На Рис. 23.1. Приведена схема, иллюстрирующая явление осмоса.
Рис. 23.1.
Принцип работы осмотического электростанции основан на образовании осмотического давления. В местах, где река впадает в море, пресная речная вода просто перемешивается с соленой морской водой, и никакого давления, которое могло бы послужить источником энергии, там не наблюдается. Однако, если перед смешиванием морскую воду и пресную разделить фильтром - специальной мембраной, пропускающей воду, но не пропускающей соли, то стремление растворов к термодинамического равновесия и выравниванию концентраций сможет реализоваться только за счет того, что вода будет проникать в раствор соли, а соль в пресную воду не попадет. Специальная мембрана, пропускающая воду, но не проницаема молекулы соли, ставится между двумя резервуарами. В один из них заполняется пресной водой, в другой заполняется соленой водой. Поскольку такая система стремится к равновесию, более соленая вода как бы вытягивает пресную воду из резервуара. Если же это происходит в закрытом резервуаре, то со стороны морской воды возникает избыточное гидростатическое давление. При этом, появляется давление, создает водный поток. Если теперь установить турбину с генератором, избыточное давление будет вращать лопасти турбины и производить электричество На Рис. 23.2. Показана упрощенная схема осмотического станции. На этом Рис.: 1 - морская вода; 2 речная вода; 3 - фильтры; 4 - мембрана; 5 - рабочая камера; 6 - вывод отработанной речной воды; 7 - турбина с электрическим генератором; 8 - вывод.
Рис. 23.2.
Теоретические разработки в этой области появились еще в начале XX века, но для их реализации не хватало главного - подходящей осмотического мембраны. Такая мембрана должна была выдерживать давление, в 20 раз превышающий давление обычного бытового водопровода, и иметь очень высокую пористость. Создание материалов с подобными свойствами стало возможным с развитием технологий производства синтетических полимеров. Действительно, толщина эффективной мембраны составляет около 0,1 микрометра. Для сравнения: человеческий волос имеет в диаметре от 50 до 100 микрометров. Именно эта тончайшая пленка и отделяет, в конечном итоге, морскую воду от пресной воды. Понятно, что столь тонкая мембрана не может сама по себе выдержать высокое осмотическое давление. Поэтому она наносится на пористую напоминающий губку но чрезвычайно прочную основу. Кстати, мембрана для прямого осмоса - это не тонкая стенка, которую рисуют на упрощенных схемах, а длинный рулон, заключенный в цилиндрический корпус. Соединение с корпусом сделаны таким образом, что во всех слоях рулона с одной стороны мембраны всегда находится пресная вода, а с другой - стороны морская, как это показано на Рис. 23.3. На этом Рис.: 1 - пресная вода; 2 - морская вода; 3 - мембрана. На Рис. 23.4. Показано устройство мембраны, помещенной в металлический корпус, цилиндрической формы. На этом Рис.: 1 - пресная вода; 2 - морская вода; 3 - мембрана; 4 - металлический корпус. Применяемые в настоящее время композитные мембраны позволяют значительно снизить гидродинамическое сопротивление. В них тонкий селективный слой наносится химическим путем на пористую основу (подложку). Толщина селективного слоя составляет 0,1-1,0 мкм, а толщина пористой основы - 50-150 мкм. Подложка практически не создает сопротивления потоку благодаря широким порам, а сопротивление селективного слоя значительно снижается благодаря значительному сокращению его толщины. В целом композитная структура мембраны обеспечивает механическую прочность за счет
Рис. 23.3.
Рис. 23.4.
толщины пористой подложки, а кроме того, позволяет снизить общее сопротивление мембраны за счет тонкости селективного слоя. Селективный слой обратных осмотических мембран выполнен из полиамидного материала.
На Рис. 23.S. показано устройство осмотического станции, использует рулонные мембраны.
На этом Рис.: 1 - введение морской воды; 2 - введение речной воды; 3 - фильтры; 4 - рулонные мембраны; 5 - герметичная камера с высоким осмотическим давлением; 6- турбина с электрогенератором.
В 2009 году в Норвегии в городе Тофте начала работу первая в мире электростанция, использующая разницу солености морской и пресной воды для получения электроэнергии. В построенной осмотического электростанции, в отсеке с морской водой создается давление, эквивалентное давления столба воды высотой 120 метров. Это давление приводит в действие вал турбины которой соединен с электрогенератором. Пресная вода самотеком поступает на мембрану. Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 метров - в этом слое ее соленость оптимальна. Кроме того, там она значительно чище, чем у поверхности. Но, несмотря на это, мембраны станции требуют регулярной чистки от органических остатков, забивают ее микропоры. На сегодняшний день эта осмотическое станция производит около 1 кВт энергии. В ближайшее время эта цифра может увеличиться до 2-4 кВт. Для того чтобы можно было говорить о рентабельности производства, необходимо
Рис. 23.5. Осмотическое станция с рулонными мембранами
получить выработка около 5 кВт. Однако, это вполне реальная задача. До 2015 года планируется построить большую станцию, которая обеспечит выработку 25 МВт, что позволит питать электричеством 10000 средних домохозяйств. В перспективе же предполагается, что осмотические электростанции станут такими мощными, что смогут производить 1700 ТВт в год, столько, сколько сейчас производит половина Европы.
Преимущества осмотических станций. Во-первых, соленая вода (для работы станции подходит обычная морская вода) является неисчерпаемым природным ресурсом. Поверхность Земли на 94% покрыта водой, 97% которой является соленой, поэтому для таких станций всегда будет топливо. Во-вторых, для строительства осмотических электростанций не нужно строительства специальных гидротехнических сооружений. Экологичность данного способа получения электроэнергии. Никаких отходов, окисляются материалов для резервуаров, вредных испарений. Осмотические электростанции могут быть установлены даже в пределах города, не нанося никакого ущерба его жителям.
Недавно Япония сообщила, что планирует производить энергию с помощью осмотических станций. Япония окружена со всех сторон океаном, в который впадают многочисленные реки. Потому что они текут постоянно, процесс добычи электроэнергии станет непрерывным. Среди плюсов осмотического способа получения энергии это независимость от рельефа местности, станция сможет работать и на равнине. Основными являются географические условия, при которых происходит смешение пресной и соленой воды. Таким образом, устанавливать осмотические электростанции можно в любых районах Японии, где реки впадают в океан. Осмотическая станция смогут производить 5-6 миллионов кВт энергии, для сравнения такой же объем производят 5-6 атомных электростанций, как утверждает Акихико Таниока, профессор Токийского технического университета. К тому же, Япония является одним из главных производителей осмотических мембран. Сейчас на долю японских компаний приходится 70% мирового импорта мембран.
