Специальная мембрана, пропускающая воду, но не пропускающая молекулы соли, ставится между двумя резервуарами. В один из них наливается пресная вода, в другой - соленая. Поскольку такая система стремится к равновесию, более соленая вода как бы вытягивает пресную воду из резервуара. Если перед мембраной поставить генератор, избыточное давление будет вращать его лопасти и вырабатывать электричество.
Идею, как это часто бывает, подсказала живая природа: по этому же принципу происходит перенос веществ в клетках - такие же частично проницаемые мембраны обеспечивают упругость клеток. Осмотическое давление уже давно успешно применяется человеком при опреснении морской воды, но для выработки электричества пока использовано впервые.
На данный момент прототип вырабатывает 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 получить выработку около 5 кВт. Однако, это вполне реальная задача. К 2015 году планируется построить большую станцию, которая обеспечит выработку 25 МВт, что позволит питать электричеством 10000 средних домохозяйств. В перспективе же предполагается, что ОЭС станут такими мощными, что смогут вырабатывать 1700 ТВт в год, столько, сколько сейчас вырабатывает половина Европы. Главная задача на данный момент - найти более эффективные мембраны.
Игра, безусловно, стоит свеч. Преимущества осмотических станций очевидны. 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 организации ОЭС не требуется строительства специальных площадок: подойдут любые неиспользуемые помещения уже существующих предприятий или других служебных зданий. Кроме того, ОЭС могут быть поставлены в устьях рек, где пресная вода втекает в соленое море или океан - и в этом случае не понадобится даже специально заливать в резервуары воду.
Пресная вода + морская вода = источник энергии
Обычно там, где река впадает в море, пресная вода просто перемешивается с соленой, и никакого давления, которое могло бы послужить источником энергии, там не наблюдается. Профессор Клаус-Виктор Пайнеман (Klaus-Viktor Peinemann) из Института изучения полимеров при Научно-исследовательском центре GKSS в городке Гестхахт на севере Германии, называет те условия, которые необходимы для возникновения осмотического давления: "Если перед смешиванием морскую воду и пресную разделить фильтром - специальной мембраной, пропускающей воду, но непроницаемой для соли, - то стремление растворов к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций сможет реализоваться только за счет того, что вода будет проникать в раствор соли, а соль в пресную воду не попадет".
Если же это происходит в закрытом резервуаре, то со стороны морской воды возникает избыточное гидростатическое давление, называемое осмотическим. Чтобы использовать его для производства энергии, в месте впадения реки в море нужно установить большой резервуар с двумя камерами, отделёнными друг от друга полупроницаемой мембраной, пропускающей воду и не пропускающей соль. Одна камера заполняется соленой, другая - пресной водой. "Возникающее при этом осмотическое давление может быть очень велико, - подчеркивает профессор Пайнеман. - Оно достигает примерно 25-ти бар, что соответствует давлению воды у подножия водопада, низвергающегося с высоты в 100 метров".
Находящаяся под столь высоким осмотическим давлением вода подается на турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию.
Главное - правильная мембрана
Казалось бы, все просто. Потому неудивительно, что идея использовать осмос как источник энергии зародилась почти полвека назад. Но… "Одним из главных препятствий в то время стало отсутствие мембран должного качества, - говорит профессор Пайнеман. - Мембраны были чрезвычайно медленными, поэтому эффективность осмотического электрогенератора была бы очень низкой. Но в последующие 20-30 лет произошло несколько технологических прорывов. Мы научились сегодня производить чрезвычайно тонкие мембраны, а это значит, что их пропускная способность стала значительно выше".
Специалисты Научно-исследовательского центра GKSS внесли весомый вклад в разработку той самой мембраны, что позволила теперь на практике реализовать осмотическое энергопроизводство - пусть пока и сугубо экспериментальное. Один из разработчиков, Карстен Бликке (Carsten Blicke), поясняет: "Толщина 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 счете, морскую воду от пресной".
Понятно, что столь тонкая мембрана не может сама по себе выдержать высокое осмотическое давление. Поэтому она наносится на пористую, напоминающую губку, но чрезвычайно прочную основу. В целом такая перегородка выглядит как глянцевая бумага, и то, что на ней имеется пленка, невооруженным глазом заметить невозможно.
Радужные перспективы
Для строительства пилотной установки были необходимы капиталовложения в размере нескольких миллионов евро. Инвесторы, готовые пойти на риск, хоть и не сразу, все же нашлись. Финансировать новаторский проект вызвалась фирма Statkraft - одна из крупнейших энергетических компаний Норвегии, европейский лидер по части использования возобновляемых энергоресурсов. Профессор Пайнеман вспоминает: "Они услышали об этой технологии, пришли в восторг и подписали с нами договор о сотрудничестве. Евросоюз выделил на реализацию этого проекта 2 миллиона евро, остальные средства внесли фирма Statkraft и ряд других компаний, в том числе и наш Институт".
"Ряд других компаний" - это научные центры Финляндии и Португалии, а также одна из норвежских исследовательских фирм. Пилотная установка мощностью от 2 до 4 киловатт, возведенная в Осло-фьорде близ городка Тофте и торжественно вступившая сегодня в строй, предназначена для испытания и совершенствования новаторской технологии. Но руководство компании Statkraft уверено, что уже через несколько лет дело дойдет и до коммерческого использования осмоса. А суммарный мировой потенциал осмотического энергопроизводства оценивается ни много ни мало в 1600-1700 тераватт-часов в год - это примерно половина энергопотребления всего Евросоюза. Важнейшим преимуществом таких установок является их экологичность - они не шумят и не загрязняют атмосферу выбросами парниковых газов. Кроме того, их легко интегрировать в уже имеющуюся инфраструктуру.
Экологичность
Отдельно хочется отметить абсолютную экологичность данного способа добычи электроэнергии. Никаких отходов, окисляющихся материалов для резервуаров, вредных испарений. ОЭС может быть установлена даже в черте города, не нанося никакого ущерба его жителям.
Также работа ОЭС не требует других источников энергии для запуска и не зависит от климатических условий. Все это делает ОЭС практически идеальным способом выработки электроэнергии.
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.
Схемы, иллюстрирующие явление осмоса и строение новой станции. Подробнее о технологии и предыстории её развития можно почитать в этом PDF-документе (иллюстрации University of Miami, Statkraft).
«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.
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.
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.
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.