Осмотическая электростанция своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 31.08.2024

Официальное открытие силовой установки состоялось 24 ноября. В дальнейшем предприятие будет использоваться для тестирования и улучшения технологии. Коммерческую версию обещают построить лишь через несколько лет (фото Statkraft).

Начала работу первая в мире электростанция, позволяющая извлекать энергию из разницы в солёности морской и пресной воды. Установка построена норвежской государственной компанией Statkraft в городке Тофте (Tofte) близ Осло.

Гигантский агрегат вырабатывает электричество, используя природное явление осмоса (osmosis), которое позволяет клеткам наших организмов не терять влагу, а растениям поддерживать вертикальное положение.

Поясним. Если разделить два водных раствора с разными концентрациями солей полупроницаемой мембраной, то молекулы воды будут стремиться перейти в ту часть, где их меньше, то есть туда, где концентрация растворённых веществ выше. Этот процесс приводит к увеличению объёма раствора в одном из отделений.

Нынешняя опытная электростанция расположена у устья реки, впадающей в Северное море. Морскую и речную воду направляют в камеру, разделённую мембраной. В отсеке с солёной водой осмос создаёт давление, эквивалентное воздействию водяного столба высотой 120 метров. Поток идёт на турбину, вращающую генератор.

Правда, если вычесть ту энергию, что идёт на подпитывающие насосы, то получается, что пока норвежская махина создаёт очень мало энергии (2-4 киловатта). Отметим, что чуть позже планируется повысить выход до 10 киловатт, а через 2-3 года создать ещё одну тестовую версию, вырабатывающую до одного мегаватта энергии.

К тому же по ходу эксплуатации установки предстоит решить массу проблем. Например, нужно будет найти способ борьбы с загрязняющими фильтры бактериями. Ведь, несмотря на предварительную очистку воды, вредоносные микроорганизмы могут заселить все участки системы.

"Без сомнений, трудности будут, – говорит глава нового предприятия Стейн Эрик Скилхаген (Stein Erik Skilhagen). – Какие именно, мы пока предсказать не в состоянии". Но ведь надо же с чего-то начинать.

"Потенциал технологии очень высок", — добавил на церемонии открытия министр энергетики Терье Риис-Йохансен (Terje Riis-Johansen).

По оценкам Statkraft, занимающейся разработкой и созданием установок, вырабатывающих возобновляемую энергию, общемировой годовой потенциал осмотической энергии (osmotic power) составляет 1600-1700 тераватт-часов. А это ни много ни мало – 10% всего мирового потребления энергии (и 50% энергопотребления Европы).

Многие крупные города стоят близ устья рек, так почему бы им не обзавестись подобными электростанциями? Тем более что встроить такую машину можно даже в подвал офисного здания.

В местах, где реки впадают в моря или океаны, пресная вода смешивается с солёной, и этот процесс способен поставлять человечеству немало даровой энергии.

Существующие способы получения энергии из градиента солености воды, возникающего в результате смешивания пресной и соленой воды, — осмос и обратный электродиализ — основаны на контакте воды со специальными мембранами. Однако высокая стоимость мембран и короткий срок их эксплуатации из-за их быстрого загрязнения не позволяют пока что внедрить данную технологию повсеместно. Итальянский физик Дориано Броджоли предложил и экспериментально продемонстрировал совершенно новый, относительно дешевый метод, использующий ионистор — конденсатор очень большой емкости. При правильно подобранном ионисторе устройство Броджоли способно вырабатывать столько же энергии, сколько устройства, основанные на принципах осмоса и обратного электродиализа.

О потенциале естественных источников такого рода учёные задумывались давно. Даже известны методы получения тока из мест контакта речной воды с морской. Экспериментальные установки вырабатывали мощность до киловатта на каждый литр пресной воды, протекающий через систему в секунду. Но методы эти базируются на специальных мембранах, через которые должна проходить вода. А мембраны эти дороги, и у них ограничен срок службы.

Батареи, созданные по этой технологии, будут экологически чистыми, иметь низкую себестоимость, а заряжать их можно при помощи обыкновенной воды, растворив в ней пищевую соль.

Экспериментальный аккумулятор уже прошел около ста циклов разрядки и зарядки соленой водой. Существенная потеря емкости при этом зафиксирована не была.

Принцип работы батареи заключается в том, что содержащиеся в ней электроны реагируют с находящимися в воде ионами соли. Во время зарядки соленая вода протекает непосредственно вдоль батареи и напрямую воздействует на ионы.

Для произведения зарядки, воды потребуется совсем немного: 100МВт может быть сгенерировано потоком, объем которого составляет 40 кубических метров. Сейчас ученые продолжают работать над изобретением, с целью увеличения скорости зарядки аккумулятора.

Ученые из Швейцарии и США создали прототип очень мощной осмотической электростанции. Для выработки электроэнергии они использовали мембрану толщиной всего в три атома и соленую воду. Результаты этой работы опубликованы в Nature, сообщает пресс-служба Эколь политекник в Лозанне (EPFL).

Работа осмотической электростанции основана на явлении осмоса, то есть стремлении жидкостей при смешении уравнять концентрацию растворенных в них соединений. В данном случае ученые использовали пресную и соленую воду, разделенные мембраной. Ионы соли проникают сквозь мембрану, пока их концентрация в пресной воде по другую сторону мембраны не сравняется. (Поскольку ионы — это электрически заряженные частицы, их движение используют для выработки электроэнергии.)

Секрет системы, созданной учеными из лаборатории нанобиологии EPFL под руководством Цзяньдун Фэн (Jiandong Feng), — в мембране из дисульфида молибдена, толщиной всего в три атома. В ней проткнута всего одна дырка — нанопора, которая заряжена негативно. Через нанопору в отсек в пресной водой из отсека с соленой водой проникают позитивно заряженные ионы соли, а их электроны передаются на проводник, чтобы генерировать электроэнергию. Из-за нанопоры в одном отсеке скапливаются положительно заряженные ионы, в другом — отрицательно заряженные. Возникает напряжение между отсеками, течет электрический ток.

Регулируя размер нанопоры, можно влиять на силу тока либо величину напряжения. Ученым оставалось только подобрать оптимальный диаметр нанопоры, чтобы найти лучшее соотношение тока и напряжения, которое продуцирует наибольшую возможную мощность.

Для проверки устройства ученые использовали молибденовый транзистор. Они рассчитали, что с мембраной площадью 1 кв. метр, покрытой на 30% нанопорами, можно достичь 1 мегаватт энергии. Этого достаточно, чтобы зажечь 50 тысяч энергосберегающих лампочек. Результат впечатляющий. Дисульфид молибдена не относится к редким соединениям, а из технических проблем ученые пока видят только одну — сделать как можно более одинаковые нанопоры.

Электростанции, использующие осмос, разрабатываются и уже эксплуатируются в экспериментальном режиме — в Норвегии, Нидерландах, Японии и США, но их производительность оставляет желать лучшего. Поскольку осмотические электростанции — экологически чистые, ученые продолжают их совершенствовать.

Электростанция осмоса (соль градиент электростанция ) является электростанцией , которая использует разницу в содержании соли между пресной водой и морской водой для получения энергии и электроэнергии. Предложения по электростанции, которая технически использует энергию осмоса ( энергия солевого градиента), были впервые опубликованы в 1970-х годах. Со второй половины 1990-х годов были реализованы конкретные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Как первый в мире прототип осмотической электростанции, микроэлектростанция была введена в эксплуатацию 24 ноября 2009 года в Тофте, Норвегия, на Осло-фьорде .

Принципы работы

Источником энергии для осмотической электростанции является разница в солености (солевой градиент) двух растворов, которая стремится уравнять их концентрации. В обычных гидроэлектростанциях используется энергия местоположения (как в гидроаккумулирующих электростанциях ) или комбинация кинетической и локальной энергии больших водных масс (как в русловых электростанциях ). Напротив, осмотическая энергетическая установка использует энергию гидратации ионов солей, их гидратная оболочка увеличивается.

Если пресная и соленая вода контактируют друг с другом через полупроницаемую мембрану , чистая вода диффундирует через мембрану в сторону соленой воды (осмос). При содержании соли в морской воде 3,5% осмотическое давление около 28 бар приводит к температуре 10 ° C по сравнению с пресной водой .

Техническая реализация требует специальных мембран, которые эффективно удерживают соли, но в то же время хорошо водопроницаемы. Из-за отсутствия подходящих мембран этот принцип не мог быть реализован в 1970-х годах. С середины 1990-х годов появились новые подходы к разработке подходящих мембран из полимеров .

Подземная электростанция

Принцип работы подземной осмотической электростанции относительно прост для понимания. Во-первых, используется энергия пресной воды. На нижнем конце водосточной трубы турбина вырабатывает из нее электрическую энергию. Это соответствует энергии затонувшей воды:, где - масса воды, ускорение свободного падения и высота падения. Затем вода на выходе из турбины должна быть направлена дальше в море. Это может быть сделано без каких-либо затрат энергии, теоретически до тех пор, пока давление столба морской воды ниже осмотического давления. При осмотическом давлении 28 бар это соответствует чуть менее 280 м. Э. знак равно м ? грамм ? ЧАС м грамм ЧАС

Однако в такой структуре диффузия пресной воды через полупроницаемую мембрану будет очень медленной. Поток через мембрану примерно пропорционален падению давления на мембране. При строительстве электростанции на реке цель будет состоять в максимальном увеличении получаемой мощности, то есть энергии за раз. В литературе приводится глубина 100-130 метров.

Надземная электростанция

Соленая вода фильтруется и подвергается давлению (в теплообменнике ) до того, как она смешается с пресной водой в мембранных модулях. Через турбину проходит ровно столько воды, сколько диффундирует через мембрану. Чтобы поддерживать разницу в концентрации, через систему пропускается примерно в два раза больше соленой воды.

Сбоку от морской воды создается давление, с помощью которого турбина может вырабатываться для выработки электроэнергии . Однако осмотическое давление в системе снижается и уменьшается в результате происходящего разбавления. Максимальная производительность достигается, когда разница статического давления составляет половину осмотического давления, а другая половина доступна для преодоления сопротивления мембраны .

Обратный электродиализ

Другой метод - это обратный электродиализ (англ. RED, обратный электродиализ ). Разделенные ионоселективными мембранами, соленая и пресная вода проходят друг мимо друга. Ионы, которые диффундируют через соответствующую мембрану, приводят к (небольшому) электрическому напряжению, которое можно рассчитать с помощью уравнения Нернста . Последовательно соединив многие из этих устройств, можно соответственно увеличить напряжение.

Когда напряжение снимается для использования энергии, течет ток, который уравновешивает разделенные заряды, и напряжение уменьшается. Чтобы уменьшить это значение, мембраны располагаются в тесной последовательности с небольшим интервалом ( дамбе с конца 2014 года . Площадь мембраны составляет 400 м?, пропускная способность - 220 000 м? в час пресной и морской воды. Это обеспечивает выходную мощность 1,3 Вт / м?, а экономичность работы ожидается от 2–3 Вт / м?.

Потенциал для производства энергии

Возможные места для размещения осмотических электростанций можно найти в устьях рек в море. Кроме того, все места можно представить как места, где встречаются два водотока с разным содержанием соли, например, также прямые сбросы сильно засоленных сточных вод в реки. Прирост энергии, который может быть достигнут, тем больше, чем выше скорость потока и больше разница в содержании соли.

При рассмотрении энергетического потенциала осмотических электростанций следует отметить, что полное использование всей реки на осмотических электростанциях нецелесообразно на практике - по техническим причинам, а также из соображений судоходства и экологии рек. По этим причинам имеет смысл учитывать экологические потенциалы, которые, помимо технически связанных потерь при преобразовании, также включают ограничение максимально допустимого водозабора. Если предположить, что используется 10% мирового стока, технический потенциал осмотических электростанций составляет 1300 ТВтч в год, что соответствует примерно половине производства электроэнергии в ЕС.

Наиболее перспективное место на немецкой земле - это место, где Эльба впадает в Северное море . Экологический потенциал использования всех немецких рек , впадающих в Северное и Балтийское моря, составляет примерно 42 МВт и примерно 330 ГВт-ч / год. Это соответствует чуть более 0,5% потребности Германии в электроэнергии. Другое исследование, с другой стороны, предполагает только около 0,05% спроса на электроэнергию в Германии. Объемы сброса из Рейна и Дуная не включены, поскольку они текут за пределы Германии.

На глобальном уровне экологический потенциал в 2012 году оценивался примерно в 65 ГВт или около 520 ТВтч / год. В исследовании, опубликованном в 2016 году, фактически полезный потенциал несколько выше и составляет примерно 625 ТВт-ч; это соответствует примерно 3% мирового производства электроэнергии. Распределение потенциала по континентам и регионам аналогично распределению значений стока.

Что касается рабочего объемного расхода, более высокая удельная мощность электростанции может быть достигнута на водоемах с более высокой соленостью, чем в Северном и Балтийском морях, в частности в Средиземном море и, прежде всего, на соленых озерах, таких как Мертвое море или Great Salt Lake в штате Юта, США. Физик из Гейдельберга Флориан Динджер оценивает потенциал месторождения Кара-Богас-Гол к востоку от Каспийского моря в более чем пять гигаватт .

выполнение

Вид на прототип осмотической электростанции, созданной Statkraft, недалеко от города Хурум в Норвегии (октябрь 2009 г.)

Основы мембраны, достаточно стабильной для крупномасштабного использования, были созданы с 2004 года в рамках исследовательской программы, финансируемой ЕС. Системные партнеры: Statkraft SF (Норвегия), Instituto de Ciencia e Tecnologia de Polimeros (Португалия); Норвежский технологический институт SINTEF (Норвегия); Хельсинкский технологический университет (Финляндия) и Центр им. Гельмгольца Geesthacht (Германия). В настоящее время может быть достигнута электрическая мощность в три ватта на квадратный метр мембраны.

Осенью 2007 года норвежская государственная компания Statkraft объявила о первом в мире строительстве такой электростанции недалеко от Хурума , в устье южных предгорий Осло-фьорда . Первый в мире прототип был введен в эксплуатацию 24 ноября 2009 года. Для этого использовались мембраны, которые могут генерировать 3 Вт вместо 0,2 Вт электроэнергии на квадратный метр, как раньше. Следующей целью, запланированной на 2015 год, была электростанция мощностью 25 мегаватт с площадью мембраны 5 миллионов квадратных метров. По оценкам Statkraft, в долгосрочной перспективе Норвегия сможет получать 10% своей электроэнергии от осмотических электростанций. Однако Statkraft прекратил дальнейшие инвестиции в исследования Osmosekaft в конце 2013 года, так как цель создания конкурентоспособной энергии не могла быть достигнута.

Проектная группа в Helmholtz-Zentrum Geesthacht работала над разработкой мембран с более высокими характеристиками до начала 2010-х годов в рамках проекта, финансируемого ЕС . В 2006 году их руководитель проекта Пайнеманн назвал мощность в пять ватт на квадратный метр предпосылкой для рентабельной работы осмотической электростанции. Эта производительность еще не достигнута для экономических приложений (по состоянию на 2019 год). Мембраны с высокой удельной мощностью до 3 Вт / м? сложны в сборке и непригодны для непрерывного использования (например, из-за загрязнения ).

Смотри тоже

литература

веб ссылки

Викисловарь: Osmosekraftwerk - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

?Открылась первая в мире осмотическая электростанция.Statkraft : Пресс-релиз от 24 ноября 2009 г.
^Осмотическая электростанция , Институт Макса Планка ИПП
? Дэвид А. Вермаас, Энвер Гюлер, Мишель Саакес, Китти Неймейер: Теоретическая плотность мощности по градиентам солености с использованием обратного электродиализа . В кн . : Энергетические процедуры . Том 20, 2012, стр. 170-184 DOI: 10.1016 / j.egypro.2012.03.018 ( Открытый доступ )
?UT levert grote bijdrage aan eerste blauwe-energiecentrale (голландский)
? Фернанда Хелфер, Чарльз Лемкерт: Сила градиентов солености: пример Австралии . В: Возобновляемые и устойчивой энергетики Отзывы 50, (2015), 1-16, стр 2. DOI : 10.1016 / j.rser.2015.04.188 .
? ab Питер Стенцель: Возможности осмоса для производства и хранения электроэнергии. ЛИТ Верлаг, 2012.
? Томас Изенбург: Осмосные электростанции: потенциальный анализ будущей технологии.Ruhr-Universit?t Bochum, 2 мая 2010, доступ к 21 сентября 2011 года .
? Альварес-Сильва и др.: Практический потенциал энергии глобального градиента солености . В: Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . Лента 60 , 2016, стр. 1387-1395 , DOI : 10.1016 / j.rser.2016.03.021 .
? аб Хольгер Дамбек: Электростанция осмоса: Зеленое электричество из пресной воды.In: spiegel.de , 30 марта 2012 г.
?Проект солености.( Memento из с оригинала от 5 сентября 2012 года в Internet Archive ) Info:архивссылка была вставлена автоматически и еще не была проверена.Пожалуйста, проверьте исходную и архивную ссылку в соответствии синструкциями,а затем удалите это уведомление. Заключительный отчет по исследовательской программе, октябрь 2004 г. (PDF; 314 kB) @ 1@ 2Шаблон: Webachiv / IABot / cordis.europa.eu
?Институт физики плазмы Макса Планка Оливия Мейер: Осмотическая электростанция: все вместе.В: Энергетические перспективы. Информационный бюллетень Института физики плазмы Макса Планка . Выпуск 03/2005
? наб Себастьян Бальцтер: Музыка будущего из двойного гаража. В: Frankfurter Allgemeine Zeitung . 20 ноября 2008 г., стр.20.
?Норвежцы построили первую в мире соляную электростанцию.В: ORF . 13 октября 2007 г.
? Statkraft: Производство энергии за счет осмоса: первый в мире прототип запущен в эксплуатацию.Пресс-релиз от 24 ноября 2009 г.
?Александр Будде : Электричество из соли: Первый в мире прототип осмотической электростанции вводится в эксплуатацию в Норвегии.В: Deutschlandradio . 23 ноября 2009 г.
?Statkraft прекращает инвестиции в осмотическую энергию.Пресс-релиз от 20 декабря 2013 г.
? Анна-Лена Германн: Эстуарии : Производство чистого электричества с помощью осмоса.В: Spiegel Online . 2 апреля 2006 г.
? Xin et al.: Высокоэффективные гибридные мембраны на основе шелка, используемые для преобразования осмотической энергии в Nature Communications, 2019 г.

Эта страница последний раз была отредактирована 15 июля 2021 в 14:41.

Читайте также: