Явление осмоса используется в промышленных масштабах уже более 40 лет. Только это не классический прямой осмос аббата Нолле, а так называемый обратный осмос – искусственный процесс проникновения растворителя из концентрированного в разбавленный раствор под действием давления, превышающего естественное осмотическое давление. Такая технология применяется в опреснительных и очистительных установках с начала 1970-х. Соленая морская вода нагнетается на специальную мембрану и, проходя через ее поры, лишается значительной доли минеральных солей, а заодно бактерий и даже вирусов. Для прокачивания соленой или загрязненной воды приходится затрачивать большие объемы энергии, но игра стоит свеч – на планете существует множество регионов, где дефицит питьевой воды является острейшей проблемой.
Трудно поверить, что одна лишь разница в концентрации двух растворов способна создать серьезную силу, однако это действительно так: осмотическое давление может поднять уровень морской воды на 120 м.
Опыты по превращению осмотического давления в электрическую энергию проводились различными научными группами и компаниями с начала 1970-х. Принципиальная схема этого процесса была очевидной: поток пресной (речной) воды, проникающий сквозь поры мембраны, наращивает давление в резервуаре с морской водой, тем самым позволяя раскручивать турбину. Затем отработанная солоноватая вода выбрасывается в море. Проблема была лишь в том, что классические мембраны для PRO (Pressure retarded osmosis) были слишком дороги, капризны и не обеспечивали необходимой мощности потока. С мертвой точки дело сдвинулось в конце 1980-х, когда за решение задачи взялись норвежские химики Торлейф Хольт и Тор Торсен из института SINTEF.
На схематичных изображениях осмотическую мембрану рисуют в виде стенки. На самом деле она представляет собой рулон, заключенный в цилиндрический корпус. В его многослойной структуре чередуются слои пресной и соленой воды.
Мембраны Лоэба требовали клинической чистоты для поддержания максимальной производительности. Конструкция мембранного модуля опреснительной станции предусматривала обязательное наличие первичного фильтра грубой очистки и мощного насоса, сбивавшего мусор с рабочей поверхности мембраны.
Хольт и Торсен, проанализировав характеристики большинства перспективных материалов, остановили свой выбор на недорогом модифицированном полиэтилене. Их публикации в научных журналах привлекли внимание специалистов из Statcraft, и норвежских химиков пригласили продолжить работу под покровительством энергетической компании. В 2001 году мембранная программа Statcraft получила государственный грант. На полученные средства была построена экспериментальная осмотическая установка в Сунндальсьоре для тестирования образцов мембран и обкатки технологии в целом. Площадь активной поверхности в ней была чуть выше 200 м2.
Разница между соленостью (по-научному – градиент солености) пресной и морской воды – базовый принцип работы осмотической электростанции. Чем она больше, тем выше объем и скорость потока на мембране, а следовательно, и количество энергии, вырабатываемой гидротурбиной. В Тофте пресная вода самотеком поступает на мембрану, в результате осмоса давление морской воды по ту сторону резко возрастает. Силища у осмоса колоссальная – давление может поднять уровень морской воды на 120 м.
Далее полученная разбавленная морская вода устремляется через распределитель давления на лопатки турбины и, отдав им всю свою энергию, выбрасывается в море. Распределитель давления отбирает часть энергии потока, раскручивая насосы, закачивающие морскую воду. Таким образом удается значительно повысить эффективность работы станции. По оценке Рика Стовера, главного технолога компании Energy Recovery, производящей такие устройства для опреснительных заводов, КПД передачи энергии в распределителях приближается к 98%. Точно такие же аппараты при опреснении помогают доставлять питьевую воду в жилые дома.
Как замечает Скиллхаген, в идеале осмотические электростанции нужно совмещать с опреснительными установками – соленость остаточной морской воды в последних в 10 раз выше естественного уровня. В таком тандеме эффективность выработки энергии возрастет не менее чем вдвое.
Строительные работы в Тофте начались осенью 2008 года. На территории завода по производству целлюлозы компании Sódra Cell был арендован пустующий склад. На первом этаже устроили каскад сетчатых и кварцевых фильтров для очистки речной и морской воды, а на втором – машинный зал. В декабре того же года был осуществлен подъем и монтаж мембранных модулей и распределителя давления. В феврале 2009-го группа водолазов проложила по дну залива два параллельных трубопровода – для пресной и морской воды.
Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 м – 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 забивающих микропоры органических остатков.
С апреля 2009 года электростанция эксплуатировалась в пробном режиме, а в ноябре, с легкой руки принцессы Метте-Марит, была запущена на всю катушку. Скиллхаген уверяет, что вслед за Тофте у Statcraft появятся и другие аналогичные, но более совершенные проекты. И не только в Норвегии. По его словам, подземный комплекс размером с футбольное поле способен бесперебойно снабжать электричеством целый город с 15 000 индивидуальных домов. Причем, в отличие от ветряков, такая осмотическая установка практически бесшумна, не изменяет привычный ландшафт и не влияет на здоровье человека. А о пополнении запасов соленой и пресной воды в ней позаботится сама природа.
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.
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.
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.