Введение

Энергия, доступная за счет разницы в концентрации соли между морской и речной водой.

Осмотическая энергия, энергия градиента солености или «синяя энергия» – это энергия, получаемая из разницы в концентрации соли между морской и речной водой. Два практических метода ее получения – обратный электродиализ (RED) и осмотическая ретарадация (PRO). Оба процесса основаны на осмосе с использованием мембран. Основным побочным продуктом является слабосоленая вода. Этот побочный продукт является результатом использования природных сил: притока пресной воды в моря, состоящие из соленой воды. В 1954 году Пэттл предположил, что при смешивании реки с морем существует неиспользованный источник энергии в виде потерянного осмотического давления, однако практический метод его использования с применением селективно проницаемых мембран был предложен Лоэбом лишь в середине 1970-х годов. Метод генерации энергии с помощью осмотической ретарадации был изобретен профессором Сидни Лоэбом в 1973 году в Университете Бен-Гуриона в Негеве, Беэр-Шева, Израиль. Идея пришла к профессору Лоэбу, отчасти, благодаря наблюдению за впадением реки Иордан в Мертвое море. Он хотел использовать энергию смешивания двух водных растворов (река Иордан и Мертвое море) которая терялась в этом естественном процессе. В 1977 году профессор Лоэб изобрел метод производства энергии с помощью теплового двигателя обратного электродиализа. Технологии подтверждены в лабораторных условиях и разрабатываются для коммерческого использования в Нидерландах (RED) и Норвегии (PRO). Стоимость мембран являлась препятствием. Новая, более дешевая мембрана, изготовленная из электрически модифицированного полиэтилена, сделала возможным ее потенциальное коммерческое использование. Предложены и другие методы, находящиеся в стадии разработки, в том числе метод, основанный на технологии электрических двойных слоев, и метод, основанный на разнице давлений паров.

Основы градиента солености

Энергия градиента солености – это конкретная альтернатива возобновляемой энергии, которая создает возобновляемую и устойчивую мощность, используя естественные процессы. Эта практика не загрязняет окружающую среду и не выделяет выбросы углекислого газа (CO2) (методы, основанные на давлении пара, приводят к выделению растворенного воздуха, содержащего CO2, при низком давлении – эти неконденсируемые газы, конечно, можно повторно растворить, но с энергетическими затратами). Также, как утверждают Джонс и Финли в своей статье «Последние разработки в области энергии градиента солености», затраты на топливо практически отсутствуют. Энергия градиента солености основана на использовании ресурсов, связанных с «разностью осмотического давления между пресной и морской водой». Все предложенные технологии использования энергии градиента солености основаны на испарении для разделения воды и соли. Осмотическое давление – это «химический потенциал концентрированных и разбавленных растворов соли». При рассмотрении соотношения между высоким и низким осмотическим давлением, растворы с более высокой концентрацией соли имеют более высокое давление. Существуют различные способы генерации электроэнергии с использованием градиента солености, но одним из наиболее часто обсуждаемых является обратный осмос под давлением (PRO). В PRO морская вода подается в камеру давления, где давление ниже разницы между давлением пресной и соленой воды. Пресная вода перемещается через полупроницаемую мембрану, увеличивая свой объем в камере. По мере компенсации давления в камере турбина вращается, генерируя электроэнергию. В своей статье Браун отмечает, что этот процесс легче понять, если рассмотреть его поэтапно. Два раствора – A (соленая вода) и B (пресная вода) – разделены мембраной. Он утверждает: «Через полупроницаемую мембрану могут проходить только молекулы воды. В результате разницы осмотического давления между обоими растворами вода из раствора B будет диффундировать через мембрану, чтобы разбавить раствор A». Давление приводит в движение турбины и питает генератор, вырабатывающий электрическую энергию. Осмос может быть использован непосредственно для «перекачки» пресной воды из Нидерландов в море, что в настоящее время осуществляется с помощью электрических насосов.

Эффективность

Исследование эффективности, проведенное в 2012 году в Йельском университете, показало, что максимальная извлекаемая работа в PRO при постоянном давлении с использованием раствора для забора морской воды и раствора для подачи речной воды составляет , а свободная энергия смешивания — , что соответствует термодинамической эффективности извлечения 91,0%.

Методы

В то время как механизмы и концепции энергии градиента солёности всё ещё изучаются, этот источник энергии был внедрён в нескольких различных местах. Большинство из них экспериментальные, но на данный момент они демонстрируют преимущественно положительные результаты. Различные компании, использующие эту энергию, применяют разные подходы, поскольку существует несколько концепций и процессов для извлечения энергии из градиента солёности.

Ослабленный осмос

Один из методов использования энергии градиента солености называется обратным осмосом, замедленным давлением. В этом методе морская вода подается в камеру давления, где давление ниже разности давлений между соленой и пресной водой. Пресная вода также подается в камеру давления через мембрану, что увеличивает как объем, так и давление в камере. По мере компенсации разницы давлений вращается турбина, вырабатывая кинетическую энергию. Этот метод активно изучается норвежской компанией Statkraft, которая оценила потенциал получения до 2,85 ГВт в Норвегии за счет этого процесса. Statkraft построила первую в мире экспериментальную электростанцию PRO на Осло-фьорде, открытие которой состоялось 24 ноября 2009 года принцессой Метте-Марит Норвежской. Целью проекта было выработка достаточного количества электроэнергии для освещения и отопления небольшого города в течение пяти лет посредством осмоса. Первоначально установка производила незначительные 4 киловатта – достаточно для нагрева большого электрического чайника, но к 2015 году планировалось достичь мощности 25 мегаватт – сопоставимой с небольшой ветроэлектростанцией. Однако в январе 2014 года Statkraft объявила о прекращении пилотного проекта. Компания пришла к выводу, что при использовании существующих технологий градиент солености недостаточно высок для экономической целесообразности, что подтверждают и другие исследования. Более высокие градиенты солености можно найти в геотермальных рассолах и рассолах опреснительных установок, и датская компания SaltPower в настоящее время строит свой первый коммерческий завод, использующий рассол с высокой соленостью. Вероятно, более перспективным является интегрирование обратного осмоса, замедленного давлением, в качестве режима работы установок обратного осмоса, а не использование его в качестве самостоятельной технологии.

Обратный электродиализ

Второй метод, который разрабатывается и изучается, – это обратный электродиализ или реверсивный диализ, который по сути представляет собой создание солевой батареи. Этот метод был описан Вайнштейном и Лейцем как «использование массива чередующихся анионо- и катионообменных мембран для генерации электрической энергии из свободной энергии речной и морской воды».

Технология, связанная с этим типом энергии, все еще находится в зачаточном состоянии, несмотря на то, что принцип был открыт в 1950-х годах. Разработка стандартов и полное понимание всех способов использования градиентов солености – важные цели, к которым необходимо стремиться, чтобы сделать этот чистый источник энергии более перспективным в будущем.

Нанотрубки нитрида бора

Исследовательская группа построила экспериментальную систему на основе нитрида бора, которая вырабатывала значительно большую мощность, чем прототип Statkraft. В системе использовалась непроницаемая и электрически изолирующая мембрана, проколотая единственной нанотрубкой нитрида бора с внешним диаметром в несколько десятков нанометров. Разделив с помощью этой мембраны 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 превышает эффективность других известных методов сбора осмотической энергии, что делает нанотрубки нитрида бора чрезвычайно эффективным решением для извлечения энергии из градиентов солености и преобразования ее в полезную электрическую энергию. Команда заявила, что мембрана может генерировать около 4 кВт и производить до 30 МВтч электроэнергии в год. На осенней встрече 2019 года Общества материаловедческих исследований команда из Университета Ратгерса сообщила о создании мембраны, содержащей около 10 миллионов BNNT на кубический сантиметр.

Использование энергии отходов с низким калорийным содержанием путем регенерации бикарбоната аммония высокого раствора в растворе с низкой соленостью

В Университете штата Пенсильвания доктор Логан пытается использовать низкопотенциальное тепло, основываясь на том, что бикарбонат аммония разлагается на NH3 и CO2 в теплой воде и вновь образуется в холодной. Таким образом, в замкнутой системе RED, генерирующей энергию, поддерживаются два различных градиента солености.

Возможные негативные последствия для окружающей среды

Морская и речная среды имеют явные различия в качестве воды, в частности, в солености. Каждый вид водных растений и животных приспособлен к выживанию либо в морской, либо в солоноватой, либо в пресноводной среде. Существуют виды, способные переносить оба типа воды, но обычно они лучше всего развиваются в конкретной водной среде. Основным побочным продуктом технологии градиента солености является солоноватая вода. Сброс солоноватой воды в окружающую среду в больших объемах и на регулярной основе приведет к колебаниям солености. Хотя некоторая изменчивость солености является нормальной, особенно в местах, где пресная вода (реки) впадает в океан или море, эти колебания становятся менее значимыми для обоих водоемов при добавлении солоноватых сточных вод. Резкие изменения солености в водной среде могут привести к снижению плотности популяций как животных, так и растений из-за непереносимости резких перепадов или скачков солености. Согласно мнению большинства специалистов в области охраны окружающей среды, операторы будущих крупных предприятий по производству энергии из разности солености должны учитывать возможность возникновения этих негативных последствий. Воздействие солоноватой воды на экосистемы можно минимизировать путем откачки ее в море и выпуска в средний слой, вдали от приповерхностных и донных экосистем. Захват и унос организмов на водозаборных сооружениях вызывают опасения из-за больших объемов используемой речной и морской воды в схемах PRO и RED. Разрешения на строительство водозаборных сооружений должны соответствовать строгим экологическим требованиям, а опреснительные установки и электростанции, использующие поверхностные воды, часто взаимодействуют с различными местными, региональными и федеральными органами для получения разрешений, на что может потребоваться до 18 месяцев.