Кіріспе
Теңіз және өзен суларының тұздық концентрациясының айырмашылығынан алынатын энергия – осмостық қуат, тұздылық градиентінің қуаты немесе көк энергия – теңіз және өзен суларының тұздық концентрациясының айырмашылығынан алынатын энергия. Бұл үшін екі практикалық әдіс бар: кері электродиализ (RED) және қысыммен тежелген осмоз (PRO). Екі процесс те мембраналар арқылы осмозға негізделген. Басты қосалқы өнім – тұздылығы аз су. Бұл қосалқы өнім табиғи күштердің нәтижесінде пайда болады: тұщы судың тұзды судан тұратын теңіздерге ағыны. 1954 жылы Пэтл өзен теңізге қосылғандағы жоғалған осмостық қысым есебінен пайдаланылмаған энергия көзі бар екенін айтты, бірақ 1970-ші жылдардың ортасына дейін Лёбтың селективті өткізгіш мембраналарын қолдану арқылы оны пайдаланудың практикалық әдісі сипатталған жоқ. Қысыммен тежелген осмоз арқылы қуат өндіру әдісін 1973 жылы Израильдің Беер-Шеба қаласындағы Бен-Гурион университетінде профессор Сидни Лёб ойлап тапты. Бұл идея профессор Лёбке Иордан өзенінің Өлі теңізге құйылып жатқанда байқаған нәрсесінен келді. Ол екі сулы ерітіндінің (Иордан өзені және Өлі теңіз) араласуынан туындайтын энергияны жинақтағысы келді, бұл энергия табиғи араласу процесінде босқа кетеді. 1977 жылы профессор Лёб кері электродиализдік жылу қозғалтқышы арқылы қуат өндіру әдісін ойлап тапты. Технологиялар зертхана жағдайында расталды. Қазір Нидерландыда (RED) және Норвегияда (PRO) коммерциялық қолданысқа енгізілуде. Мембрананың құны кедергі болып келді. Электрлік түрлендірілген полиэтилен пластиктен жасалған жаңа, арзан мембрана оны коммерциялық қолдануға мүмкіндік берді. Басқа да әдістер ұсынылды және қазіргі уақытта әзірленуде. Олардың ішінде электрлік қос қабатты конденсатор технологиясына және бу қысымының айырмашылығына негізделген әдістер бар.
Osmotic power, salinity gradient power or blue energy is the energy available from the difference in the salt concentration between seawater and river water. Two practical methods for this are reverse electrodialysis (RED) and
pressure retarded osmosis (PRO). Both processes rely on osmosis with membranes. The key waste product is brackish water. This byproduct is the result of natural forces that are being harnessed: the flow of fresh water into seas that are made up of salt water. In 1954, Pattle suggested that there was an untapped source of power when a river mixes with the sea, in terms of the lost osmotic pressure, however it was not until the mid ‘70s where a practical method of harnessing it using selectively permeable membranes by Loeb was outlined. The method of generating power by pressure retarded osmosis was invented by Prof. Sidney Loeb in 1973 at the Ben Gurion University of the Negev, Beersheba, Israel. The idea came to Prof. Loeb, in part, as he observed the Jordan River flowing into the Dead Sea. He wanted to harvest the energy of mixing of the two aqueous solutions (the Jordan River being one and the Dead Sea being the other) that was going to waste in this natural mixing process. In 1977 Prof. Loeb invented a method of producing power by a reverse electrodialysis heat engine. The technologies have been confirmed in laboratory conditions. They are being developed into commercial use in the Netherlands (RED) and Norway (PRO). The cost of the membrane has been an obstacle. A new, lower cost membrane, based on an electrically modified polyethylene plastic, made it fit for potential commercial use. Other methods have been proposed and are currently under development. Among them, a method based on electric double layer capacitor
technology and a method based on vapor pressure difference.
Тұздылық градиенті қуатының негіздері
Тұздылық градиенті энергиясы – табиғи процестерді пайдалану арқылы жаңартылатын және тұрақты қуатты өндіретін жаңартылатын энергияның ерекше түрі. Бұл тәсіл ластамайды және көмірқышқыл газы (CO2) шығарындыларын бөліп шығармайды (бу қысымы әдістері төмен қысымда CO2-ні қамтитын еріген ауаны шығарады – бұл конденсацияланбайтын газдарды қайта ерітуге болады, бірақ энергия шығынымен). Сондай-ақ, Джонс пен Финлидің «Тұздылық градиенті энергиясының соңғы дамуы» атты мақаласында айтылғандай, жанармай құны дерлік жоқ. Тұздылық градиенті энергиясы тұзды және теңіз суы арасындағы «осмостық қысымның айырмашылығы» ресурстарын пайдалануға негізделген. Тұздылық градиенті технологиясын қолдануға ұсынылатын барлық энергия суды тұздан бөлу үшін булануға негізделген. Осмостық қысым – «жинақы және сұйылтылған тұз ерітінділерінің химиялық потенциалы». Жоғары және төмен осмостық қысым арасындағы қатынасты қарастырғанда, тұз концентрациясы жоғары ерітінділердің қысымы жоғары болады. Тұздылық градиентімен қуат өндірудің әртүрлі әдістері бар, бірақ ең көп талқыланатынының бірі – қысыммен тежелген осмоз (PRO). PRO-да теңіз суы қысым камерасына сорылады, ондағы қысым тұщы және тұзды судың қысымы арасындағы айырмашылықтан төмен. Тұщы су жартылай өткізгіш мембрана арқылы өтеді және камерадағы көлемін арттырады. Камерадағы қысымды теңестіру кезінде турбина айналып, электр энергиясын өндіреді. Браунның мақаласында ол бұл процесті түсінудің оңайырақ жолы бар екенін айтады. Екі ерітінді – А (тұзды су) және В (тұщы су) мембранамен бөлінген. Ол «жартылай өткізгіш мембранадан тек су молекулалары ғана өте алады. Екі ерітінді арасындағы осмостық қысымның айырмашылығы нәтижесінде В ерітіндісінен су А ерітіндісін сұйыту үшін мембрана арқылы диффузиялайды». Бұл қысым турбиналарды қозғалтады және электр энергиясын өндіретін генераторды қуаттайды. Осмосты Нидерландыдан теңізге тұщы суды «сору» үшін де пайдалануға болады. Қазіргі уақытта бұл электрлік сорғылар арқылы жасалады.
Тиімділік
2012 жылғы Йель университетінің тиімділік туралы зерттеуі, тұрақты қысымдағы кері осмостық процесте (PRO) теңіз суын тарту ерітіндісі және өзен суын беру ерітіндісі қолданғанда ең көп алынатын жұмыстың, ал араласудың еркін энергиясы – құрайтынын көрсетті, бұл 91,0% термодинамикалық экстракция тиімділігін білдіреді.
Әдістер
Тұздылық градиенті қуатының механикасы мен принциптері әлі де зерттеліп жатқандықтан, бұл қуат көзі бірнеше әртүрлі жерде қолданысқа енгізілді. Олардың көп бөлігі тәжірибелік сипатта, бірақ қазірге дейін олардың нәтижесі көбінесе сәтті болып отыр. Тұздылық градиентінен энергияны пайдаланған компаниялар да оны түрлі тәсілдермен қолданды, себебі тұздылық градиентінен энергия алудың бірнеше әртүрлі принциптері мен процестері бар.
Қысыммен кідірілген осмоз
Тұздылық градиентінің энергиясын пайдаланудың бір әдісі қысыммен тежелген осмоз деп аталады. Бұл әдісте теңіз суы тұзды су мен тұщы судың қысымы арасындағы айырмашылықтан төмен қысымдағы қысым камерасына сорғыланады. Тұщы су да мембрана арқылы қысым камерасына сорғыланады, бұл камераның көлемін де, қысымын да арттырады. Қысым айырмашылығы толыққанда, турбина айналып, кинетикалық энергия береді. Бұл әдісті норвегиялық Statkraft компаниясы зерттеп жатыр, олар осы процестен Норвегияда 2,85 ГВт-қа дейін энергия алуға болатынын есептеді. Statkraft 2009 жылғы 24 қарашада Норвегия принцессасы Метте Марит ашқан Осло фьордында әлемдегі алғашқы PRO электр стансасының прототипін салды. Оның мақсаты – осмоз арқылы бес жыл ішінде шағын қаланың жарығы мен жылуын қамтамасыз ету. Бастапқыда ол үлкен электр кепесін қыздыруға жеткілікті 4 киловатт қуат өндірді, бірақ 2015 жылға қарай мақсат 25 мегаваттқа жеткізілді – бұл шағын жел электр стансасымен шамалас. Алайда, 2014 жылғы қаңтарда Statkraft бұл пилоттық жобаны жалғастырмау туралы хабарлады. Statkraft қазіргі технологиямен тұз градиентінің экономикалық тұрғыдан жеткілікті жоғары еместігін анықтады, бұл басқа зерттеулерде де расталды. Жоғары тұз градиенттері геотермалдық тұздықтарда және тұзсыздандыру қондырғыларының тұздықтарында кездеседі, ал даттық SaltPower компаниясы қазір жоғары тұздылықтағы тұздықпен жұмыс істейтін өзінің алғашқы коммерциялық стансасын салп жатыр. Қысыммен тежелген осмозды жеке технология ретінде емес, кері осмостың жұмыс режимі ретінде интеграциялаудың көбірек әлеуеті болуы мүмкін.
Кері электродиализ
Екінші әдіс – кері электродиализ, немесе кері диализ, бұл, негізінен, тұз батареясын жасау болып табылады. Бұл әдісті Вайнштейн мен Лейц «Анион және катион алмасу мембраналарының кезектесіп орналасуы өзен және теңіз суының бос энергиясынан электр қуатын өндіруге мүмкіндік береді» деп сипаттады.
Бұл технологияға қатысты білім әлі де бастапқы сатысында, тіпті бұл принцип 1950 жылдары ашылған болатын. Стандарттарды әзірлеу және тұздылық градиенттерін пайдаланудың барлық мүмкіндіктерін толыққанды түсіну – болашақта осы таза энергия көзін тиімдірек ету үшін маңызды мақсаттар болып табылады.
Борон нитридті нанотүтіктер
Бір зерттеу тобы борон нитридін пайдаланып, Statkraft прототипінен әлдеқайда көп қуат өндіретін тәжірибелік жүйе құрды. Ол сыртқы диаметрі бірнеше оннан нанометр болатын жалғыз борон нитридті нанотүтік арқылы тесілген, өткізбес және электр оқшаулағыш мембрананы қолданды. Бұл мембрана тұзды су резервуары мен таза су резервуарын бөліп тұрғанда, команда нанотүтіктің екі жағындағы сұйықтыққа батырылған екі электродты пайдаланып мембрана арқылы өтетін электр тогын өлшеді. Нәтижелер көрсеткендей, құрылғы наноампер шамасында электр тогын тудыра алды. Зерттеушілер бұл осмостық энергияны жинаудың басқа белгілі әдістерінен 1000 есе жоғары екенін және борон нитридті нанотүтіктерді тұздылық градиенттерінің энергиясын пайдалы электр қуатына айналдыру үшін өте тиімді шешім ететінін мәлімдеді. Команда мембрана шамамен 4 кВт қуат өндіре алатынын және жылына 30 МВт⋅сағатқа дейін қуат тудыра алатынын айтты. 2019 жылғы Материалдарды зерттеу қоғамының күзгі жиынында Ратгерс университетінің тобы бір текше сантиметрге шамамен 10 миллион БННТ құрайтын мембрана жасағанын хабарлады.
Амоний бикарбонатының жоғары ерітіндісін төмен тұздылығы бар ерітіндіге регенерациялау арқылы аз калориялы қалдық энергияны пайдалану
Пенсильвания мемлекеттік университетінде доктор Логан амоний бикарбонатының жылы суда NH3 және CO2-ге ыдырау қасиетін пайдаланып, суық суда қайтадан амоний бикарбонатын түзету арқылы аз жылулы қалдық жылуды пайдалануға тырысады. Осылайша, энергия өндіретін жабық RED жүйесінде тұздылықтың екі әртүрлі градиенті сақталады.
Мүмкін болатын жағымсыз экологиялық әсер
Теңіз және өзен орталары су сапасы бойынша, атап айтқанда тұздылық бойынша айқын ерекшеліктерге ие. Су өсімдіктері мен жануарларының әрбір түрі теңіз, тұзды-әрі тұщы немесе тұщы су ортасында тіршілік етуге бейімделген. Кейбір түрлер екеуіне де төзімді, бірақ олар көбінесе нақты бір су ортасында жақсы дамиды. Тұздылық градиенті технологиясының негізгі қосалқы өнімі – тұзды-әрі тұщы су. Егер тұзды-әрі тұщы суды үлкен көлемде және үнемі айналадағы суға төгіп жіберсе, тұздылықтың өзгеруіне себеп болады. Тұздылықтың белгілі бір деңгейде өзгеруі қалыпты жағдай, әсіресе өзендердің мұхитқа немесе теңізге құйылатын жерлерінде, бірақ тұзды-әрі тұщы су қосылғанда бұл өзгерістер екі су кеңістігі үшін де маңыздылығын жояды. Су ортасындағы тұздылықтың күрт өзгеруі жануарлар мен өсімдіктердің тығыздығының төмендеуіне әкелуі мүмкін, себебі олар тұздылықтың кенеттен күрт төмендеуіне немесе артуына төзбейді. Қоршаған ортаны қорғаушылардың пікірінше, болашақ ірі көк энергиялық нысандардың операторлары осы теріс әсерлердің болу мүмкіндігін ескеруі керек. Тұзды-әрі тұщы судың экожүйелерге тигізетін әсерін теңізге құйып, беткі және түбіндегі экожүйелерден алыс, ортаңғы қабатқа жіберу арқылы азайтуға болады. PRO және RED схемаларында қолданылатын өзен және теңіз суларының көп көлеміне байланысты су қабылдау құрылыстарында кедергілер мен сіңірулер туындауы мүмкін. Су қабылдау құрылысына рұқсат алу үшін қатаң экологиялық талаптар орындалуы керек, ал тұзды суды ажырататын зауыттар мен жер бетіндегі суды пайдаланатын электр станциялары рұқсат алу үшін әртүрлі жергілікті, мемлекеттік және федералдық органдармен 18 айға дейін келісіп жұмыс істеуі мүмкін.