Осмотическая сила

Часть серии по
Возобновляемая энергия
Биотопливо Биомасса Биогаз Геотермальный Гидроэнергетика Солнечная энергия Приливная сила Мощность волны Ветровая энергия
Темы по странам Маркетинговые и политические тенденции
v т е

Осмотическая сила , сила градиента солености или синяя энергия - это энергия, доступная за счет разницы в концентрации соли в морской и речной воде . Два практических метода для этого - обратный электродиализ (RED) и осмос с задержкой под давлением (PRO). Оба процесса основаны на осмосе с мембранами . Основным отходом является солоноватая вода . Этот побочный продукт является результатом использования природных сил: притока пресной воды в моря, состоящие из соленой воды.

В 1954 году Паттл ^[1] предположил, что существует неиспользованный источник энергии, когда река смешивается с морем, с точки зрения потерянного осмотического давления, однако только в середине 70-х годов практический метод его использования с использованием избирательного проницаемые мембраны по Лебу ^[2] .

Метод выработки энергии с помощью осмоса с замедленным давлением был изобретен профессором Сиднеем Лёбом в 1973 году в Университете Бен-Гуриона в Негеве, Беэр-Шева, Израиль. ^[3] Отчасти эта идея пришла к профессору Лёбу, когда он наблюдал, как река Иордан впадает в Мертвое море. Он хотел собрать энергию смешивания двух водных растворов (река Иордан - одним, а Мертвое море - другим), которая терялась в этом естественном процессе смешивания. ^[4] В 1977 году профессор Леб изобрел метод производства энергии с помощью теплового двигателя с обратным электродиализом. ^[5]

Технологии апробированы в лабораторных условиях. Они разрабатываются для коммерческого использования в Нидерландах (RED) и Норвегии (PRO). Стоимость мембраны была препятствием. Новая более дешевая мембрана на основе электрически модифицированного полиэтиленового пластика сделала ее пригодной для потенциального коммерческого использования. ^[6] Другие методы были предложены и в настоящее время находятся в стадии разработки. Среди них, метод , основанный на электрическом двухслойном конденсаторе , технологии ^[7] и метод , основанный на давления пара разности. ^[8]

Основы мощности градиента солености [ править ]

Энергия градиента солености - это особая альтернатива возобновляемой энергии, которая создает возобновляемую и устойчивую энергию за счет естественных процессов. Эта практика не загрязняет и не выделяет выбросов диоксида углерода (CO ₂ ) (методы измерения давления пара выделяют растворенный воздух, содержащий CO _2, при низком давлении - эти неконденсирующиеся газы, конечно, могут быть повторно растворены, но с потерей энергии). Также, как заявили Джонс и Финли в своей статье «Недавние разработки в области мощности градиента солености», в основном нет затрат на топливо.

Энергия градиента солености основана на использовании ресурсов «разницы осмотического давления между пресной и морской водой». ^[9] Вся энергия, предлагаемая для использования технологии градиента солености, зависит от испарения для отделения воды от соли. Осмотическое давление - это «химический потенциал концентрированных и разбавленных растворов соли». ^[10] Если посмотреть на соотношение между высоким и низким осмотическим давлением, растворы с более высокими концентрациями соли имеют более высокое давление.

Существуют различные генерации градиента солености, но одним из наиболее часто обсуждаемых является осмос с замедленным давлением.(ПРО). В PRO морская вода закачивается в напорную камеру, где давление ниже разницы между давлением пресной и соленой воды. Пресная вода движется в полупроницаемой мембране и увеличивает свой объем в камере. Поскольку давление в камере компенсируется, турбина вращается для выработки электроэнергии. В статье Брауна он заявляет, что этот процесс легко понять в более детальной форме. Два раствора, A - соленая вода, а B - пресная, разделены мембраной. Он утверждает, что «только молекулы воды могут проходить через полупроницаемую мембрану. В результате разницы осмотического давления между обоими растворами вода из раствора B, таким образом, будет диффундировать через мембрану, чтобы разбавить раствор A». ^[11]Давление приводит в движение турбины и приводит в действие генератор, вырабатывающий электрическую энергию. Осмос можно использовать непосредственно для «перекачки» пресной воды из Нидерландов в море. В настоящее время это делается с помощью электронасосов.

Эффективность [ править ]

Исследование эффективности, проведенное в Йельском университете в 2012 году, пришло к выводу, что самая высокая извлекаемая работа в PRO с постоянным давлением с раствором для забора морской воды и раствора для подачи речной воды составляет 0,75 кВтч / м ^3, тогда как свободная энергия смешивания составляет 0,81 кВтч / м ³ - термодинамические характеристики. эффективность извлечения 91,0%. ^[12]

Методы [ править ]

В то время как механика и концепции мощности градиента солености все еще изучаются, источник энергии был реализован в нескольких разных местах. Большинство из них являются экспериментальными, но до сих пор они были преимущественно успешными. Различные компании, которые использовали эту силу, также сделали это по-разному, поскольку существует несколько концепций и процессов, использующих силу градиента солености.

Осмос с замедленным давлением [ править ]

Один из методов использования энергии градиента солености называется осмосом с замедленным давлением . ^[13] В этом методе морская вода закачивается в напорную камеру, давление которой ниже, чем разница между давлениями соленой и пресной воды. Пресная вода также закачивается в напорную камеру через мембрану, которая увеличивает как объем, так и давление в камере. По мере компенсации разницы давлений турбина вращается, обеспечивая кинетическую энергию. Этот метод специально изучается норвежской компанией Statkraft , которая подсчитала, что в Норвегии от этого процесса будет доступно до 2,85 ГВт. ^[14] Statkraft построил первый в мире прототип электростанции PRO.на фьорде Осло, который был открыт принцессой Норвегии Метте-Марит ^[15] 24 ноября 2009 года. Он был нацелен на производство электричества, достаточного для освещения и обогрева небольшого городка за пять лет с помощью осмоса. Сначала он производил мизерные 4 киловатта - достаточно, чтобы нагреть большой электрический чайник, но к 2015 году цель составляла 25 мегаватт - столько же, сколько небольшая ветряная электростанция. ^[16] Однако в январе 2014 года Statkraft объявил о прекращении этого пилотного проекта. ^[17]

Обратный электродиализ [ править ]

Второй разрабатываемый и изучаемый метод - это обратный электродиализ или обратный диализ, который по сути представляет собой создание солевой батареи. Этот метод был описан Вайнштейном и Лейтцем как «набор чередующихся анионообменных и катионообменных мембран, которые можно использовать для выработки электроэнергии из свободной энергии речной и морской воды».

Технология, связанная с этим типом энергии, все еще находится на начальной стадии, хотя принцип был открыт в 1950-х годах. Стандарты и полное понимание всех способов использования градиентов солености - важные цели, к которым нужно стремиться, чтобы сделать этот чистый источник энергии более жизнеспособным в будущем.

Емкостной метод [ править ]

Третий метод Doriano Brogioli «с ^[7] емкостной метод, который является относительно новым и до сих пор только было проверено на лабораторном масштабе. С помощью этого метода можно извлечь энергию из смешивания соленой воды и пресной воды путем циклической зарядки электродов, контактирующих с соленой водой, с последующим разрядом в пресной воде. Поскольку количество электрической энергии, которая требуется на этапе зарядки, меньше, чем энергия, потребляемая во время этапа разрядки, каждый завершенный цикл эффективно производит энергию. Интуитивно понятное объяснение этого эффекта состоит в том, что большое количество ионовв соленой воде эффективно нейтрализует заряд на каждом электроде, образуя тонкий слой противоположного заряда очень близко к поверхности электрода, известный как двойной электрический слой . Следовательно, напряжение на электродах остается низким во время этапа зарядки, и зарядка относительно проста. Между этапами зарядки и разрядки электроды контактируют с пресной водой. После этого становится меньше ионов для нейтрализации заряда на каждом электроде, так что напряжение на электродах увеличивается. Таким образом, последующий этап разряда может дать относительно большое количество энергии. Физическое объяснение состоит в том, что на электрически заряженном конденсаторе существует взаимно притягивающая электрическая сила междуэлектрический заряд на электроде и ионный заряд в жидкости. Для того , чтобы вытащить ионы от заряженного электрода, осмотическое давление должно сделать работу . Эта проделанная работа увеличивает электрическую потенциальную энергию в конденсаторе. Электронное объяснение состоит в том, что емкость является функцией плотности ионов. Вводя градиент солености и позволяя некоторым ионам диффундировать из конденсатора, это снижает емкость, и поэтому напряжение должно увеличиваться, поскольку напряжение равно отношению заряда к емкости.

Разница давления пара: открытый цикл и цикл абсорбционного охлаждения (замкнутый цикл) [ править ]

Оба этих метода не используют мембраны, поэтому требования к фильтрации не так важны, как в схемах PRO и RED.

Открытый цикл [ править ]

Аналогично открытому циклу преобразования тепловой энергии океана (OTEC). Недостатком этого цикла является громоздкая проблема турбины большого диаметра (75 метров +), работающей при давлении ниже атмосферного, для извлечения энергии между водой с меньшей соленостью и водой с большей соленостью.

Абсорбционный холодильный цикл (замкнутый цикл) [ править ]

Для целей осушения воздуха, в абсорбционной холодильной водораспылительной системы, водяной пар растворяют в гигроскопичен смеси соленой воды с помощью осмотического мощности в качестве посредника. Первичный источник энергии возникает из-за разницы температур, как часть цикла термодинамического теплового двигателя .

Солнечный пруд [ править ]

На руднике Eddy Potash Mine в Нью-Мексико для выработки энергии, необходимой руднику , используется технология, называемая « солнечный пруд с градиентом солености » (SGSP). В этом методе не используется осмотическая энергия , а используется только солнечная энергия (см .: солнечный пруд ). Солнечный свет, достигающий дна пруда с соленой водой, поглощается в виде тепла. Эффект естественной конвекции, в котором «повышается температура», блокируется с помощью разницы в плотности между тремя слоями, составляющими пруд, для удержания тепла. Верхняя зона конвекции является самой верхней зоной, за ней следует зона устойчивого градиента, затем нижняя термическая зона. Зона стабильного градиента является наиболее важной. Соленая вода в этом слое не может подняться в более высокую зону, потому что морская вода выше имеет более низкую соленость и, следовательно, менее плотна и более плавучая; и он не может опуститься до более низкого уровня, потому что эта соленая вода более плотная. Эта средняя зона, зона стабильного градиента, эффективно становится «изолятором» для нижнего слоя (хотя основная цель - блокировать естественную конвекцию, поскольку вода является плохим изолятором). Эта вода из нижнего слоя, зоны хранения, откачивается, а тепло используется для производства энергии.обычно турбиной ворганический цикл Ренкина . ^[18]

Теоретически солнечный пруд может быть использован для генерации осмотической энергии, если испарение от солнечного тепла используется для создания градиента солености, а потенциальная энергия в этом градиенте солености используется напрямую с использованием одного из первых трех методов, описанных выше, например, емкостного метода. .

Нанотрубки из нитрида бора [ править ]

Группа исследователей построила экспериментальную систему с использованием нитрида бора, которая производила гораздо большую мощность, чем прототип Statkraft. В нем использовалась непроницаемая и электрически изолирующая мембрана, пронизанная единственной нанотрубкой из нитрида бора с внешним диаметром в несколько десятков нанометров. С помощью этой мембраны, разделяющей резервуар с соленой водой и резервуар с пресной водой, команда измерила электрический ток, проходящий через мембрану, с помощью двух электродов, погруженных в жидкость по обе стороны от нанотрубки.

Результаты показали, что устройство способно генерировать электрический ток порядка наноампера. Исследователи утверждают, что это в 1000 раз больше, чем у других известных методов сбора осмотической энергии, и делает нанотрубки нитрида бора чрезвычайно эффективным решением для сбора энергии градиентов солености для использования электроэнергии.

Команда утверждала, что мембрана площадью 1 квадратный метр (11 квадратных футов) может генерировать около 4 кВт и способна вырабатывать до 30 МВтч в год. ^[19]

На осеннем собрании Общества исследования материалов в 2019 году команда из Университета Рутгерса сообщила о создании мембраны, содержащей около 10 миллионов BNNT на кубический сантиметр. ^{[20] [21]}

Использование низкокалорийных отходов энергии путем регенерации бикарбоната аммония с высоким содержанием раствора в растворе с низкой соленостью [ править ]

В Государственном университете Пенсильвании доктор Логан пытается использовать отходящее тепло с низкой калорийностью, используя тот факт, что бикарбонат аммония превращается в NH ₃ и CO ₂ в теплой воде с образованием бикарбоната аммиака в холодной воде. Таким образом, в замкнутой системе, производящей КРАСНУЮ энергию, сохраняются два разных градиента солености. ^[22]

Возможное негативное воздействие на окружающую среду [ править ]

Морская и речная среды имеют очевидные различия в качестве воды, а именно в солености. Каждый вид водных растений и животных приспособлен к выживанию в морской, солоноватой или пресной воде. Есть виды, которые могут переносить и то, и другое, но эти виды обычно лучше всего развиваются в конкретной водной среде. Основным отходом технологии градиента солености является солоноватая вода. Сброс солоноватой воды в окружающие воды, если он будет происходить в больших количествах и с какой-либо регулярностью, вызовет колебания солености. Хотя некоторое изменение солености является обычным явлением, особенно там, где пресная вода (реки) в любом случае впадает в океан или море, эти колебания становятся менее важными для обоих водоемов с добавлением солоноватоводных сточных вод.Сильные изменения солености в водной среде могут привести к обнаружению низкой плотности как животных, так и растений из-за непереносимости внезапных резких падений или скачков солености.^[23] Согласно преобладающим мнениям защитников окружающей среды, возможность этих негативных эффектов должна быть рассмотрена операторами будущих крупных предприятий синей энергетики.

Воздействие солоноватой воды на экосистемы можно свести к минимуму, откачивая ее в море и выпуская в средний слой, вдали от поверхностных и донных экосистем.

Удары и унос на водозаборных сооружениях вызывают беспокойство из-за больших объемов речной и морской воды, используемых в схемах PRO и RED. Разрешения на строительство водозабора должны соответствовать строгим экологическим нормам, и опреснительные установки и электростанции, использующие поверхностные воды, иногда привлекаются к различным местным, государственным и федеральным агентствам для получения разрешения, которое может занять до 18 месяцев.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Голландский план водоснабжения превратит зеленую энергию в синюю
• ClimateTechWiki: Энергия океана: градиент солености для выработки электроэнергии