Осмотическая сила - Википедия - Osmotic power

«Голубая энергия» перенаправляется сюда. Для НПО см. синийЭнергия.
Часть серии по
Возобновляемая энергия
Логотип «Возобновляемая энергия» Мелани Меккер-Турсун V1 bgGreen.svg

Осмотическая сила, мощность градиента солености или же голубая энергия это энергия, доступная из разницы в концентрации соли между морская вода и речная вода. Два практических метода для этого: обратный электродиализ (КРАСНЫЙ) иосмос с замедленным давлением (ПРО). Оба процесса полагаются на осмос с мембраны. Ключевым 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 сливается с морем, с точки зрения потерянного осмотического давления, однако только в середине 70-х годов Леб был найден практический метод его использования с использованием избирательно проницаемых мембран. [2] был намечен.

Метод выработки энергии с помощью осмоса с замедленным давлением был изобретен проф. Сидни Лоеб 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 полиэтилен пластик, сделал его пригодным для потенциального коммерческого использования.[6] Были предложены и другие методы, которые в настоящее время разрабатываются. Среди них метод, основанный на электрический двухслойный конденсатор технологии[7] и метод, основанный на давление газа разница.[8]

Основы мощности градиента солености

Осмос с замедленным давлением

Мощность градиента солености - это специфическая Возобновляемая энергия альтернатива, которая создает возобновляемую и устойчивую энергию с использованием естественных процессов. Эта практика не загрязняет и не высвобождает углекислый газ (CO2) выбросы (методы давления пара выделяют растворенный воздух, содержащий CO2 при низких давлениях - 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 отношения между высоким и низким осмотическим давлением, растворы с более высокими концентрациями соли имеют более высокое давление.

Существуют различные генерации градиента солености, но одна из наиболее часто обсуждаемых - 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

Исследование эффективности, проведенное в Йельском университете в 2012 году, пришло к выводу, что максимальная извлекаемая работа в PRO с постоянным давлением с использованием раствора для забора морской воды и раствора для подачи речной воды составляет 0,75 кВтч / м3 при этом свободная энергия смешения составляет 0,81 кВтч / м3- термодинамическая эффективность экстракции 91,0%.[12]

Методы

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

Простая схема выработки электроэнергии PRO
Прототип осмотической энергии в Тофте (Хурум), Норвегия

Один из методов использования энергии градиента солености называется осмос 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 норвежский язык полезность Statkraft, который подсчитал, что от этого процесса в Норвегии будет доступно до 2,85 ГВт.[14] Statkraft построил первый в мире прототип силовой установки PRO на фьорде Осло, который открыл Принцесса Метте-Марит Норвегии[15] 24 ноября 2009 года. Его целью было произвести с помощью осмоса достаточно электричества, чтобы за пять лет осветить и обогреть небольшой город. 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

Второй разрабатываемый и изучаемый метод: обратный электродиализ или обратный диализ, который по сути является созданием 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

Третий метод - Дориано Броджиоли с[7] емкостной метод, который является относительно новым и до сих пор апробирован только в лабораторных условиях. С помощью этого метода можно извлекать энергию из смешивания соленой и пресной воды путем циклической зарядки. электроды при контакте с соленой водой с последующим выделением в пресную воду. 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 ионы в соленой воде эффективно нейтрализует заряд на каждом электроде, образуя тонкий слой противоположного заряда очень близко к поверхности электрода, известный как электрический двойной слой. Следовательно Напряжение над электродами 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 привлекательная электрическая сила между электрический заряд на электроде, а ионный заряд в жидкости. Чтобы отвести ионы от заряженного электрода, осмотическое давление должно работай. 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.

Перепады давления пара: открытый цикл и цикл абсорбционного охлаждения (замкнутый цикл)

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

Открытый цикл

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)

Для осушения воздуха в абсорбционное охлаждение водяным распылением в системе водяной пар растворяется в расплывающийся смесь соленой воды с использованием осмотической силы в качестве посредника. Первичный источник энергии возникает из-за разницы температур, как часть термодинамический Тепловой двигатель цикл.

Солнечный пруд

На руднике Эдди Калий в Нью-Мексико используется технология, называемая «градиент солености». солнечный пруд «(SGSP) используется для выработки энергии, необходимой руднику. Этот метод не использует осмотическую силу, только солнечная энергия (см .: солнечный пруд ). Солнечный свет, достигающий дна пруда с соленой водой, поглощается в виде тепла. Эффект естественная конвекция, 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 устойчивого 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 в органический цикл Ренкина.[18]

Теоретически солнечный пруд мог использоваться для выработки осмотической энергии, если испарение от солнечного тепла используется для создания градиента солености, и потенциальная энергия в этом градиенте солености равна запрягали напрямую используя один из первых трех вышеуказанных методов, например, емкостной.

Нанотрубки из нитрида бора

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 г. Университет Рутгерса сообщили о создании мембраны, содержащей около 10 миллионов BNNT на кубический сантиметр.[20][21]

Использование низкокалорийных отходов энергии за счет регенерации бикарбоната аммония с высоким содержанием раствора в растворе с низкой соленостью

В Университете штата Пенсильвания доктор Логан пытается использовать низкокалорийное отходящее тепло, используя тот факт, что бикарбонат аммония исчезает в NH3 и CO2 в теплой воде, чтобы снова образовать бикарбонат аммиака в холодной воде. Таким образом, в замкнутой системе, производящей КРАСНУЮ энергию, сохраняются два разных градиента солености.[22]

Возможное негативное воздействие на окружающую среду

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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ R.E. Паттл (2 октября 1954 г.). «Производство электроэнергии путем смешивания пресной и соленой воды в гидроэлектростанции». Природа. 174 (4431): 660. Bibcode:1954Натура.174..660P. Дои:10.1038 / 174660a0.
  2. ^ С. Леб (22 августа 1975 г.). «Осмотические электростанции». Наука. 189 (4203): 654–655. Bibcode:1975Научный ... 189..654L. Дои:10.1126 / science.189.4203.654. PMID  17838753.
  3. ^ ↑ Заявка на патент Израиля 42658 от 3 июля 1973 г. (см. Также США 3906250  Ошибочно показывает приоритет Израиля как 1974 г., а не 1973 г. США 3906250 
  4. ^ ^ Вайнтрауб, Боб. "Сидни Леб", Бюллетень Израильского химического общества, декабрь 2001 г., выпуск 8, стр. 8-9. https://drive.google.com/file/d/1hpgY6dd0Qtb4M6xnNXhutP4pMxidq_jqG962VzWt_W7-hssGnSxSzjTY8RvW/edit
  5. ^ Патент США US4171409 В архиве 2016-04-06 в Wayback Machine
  6. ^ История осмотической силы (PDF) на archive.org
  7. ^ а б Броджиоли, Дориано (2009-07-29). «Извлечение возобновляемой энергии из разницы солености с помощью конденсатора». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 103 (5): 058501. Bibcode:2009PhRvL.103e8501B. Дои:10.1103 / Physrevlett.103.058501. ISSN  0031-9007. PMID  19792539.
  8. ^ Olsson, M .; Wick, G.L .; Айзекс, Дж. Д. (1979-10-26). «Мощность градиента солености: использование разницы давления пара». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 206 (4417): 452–454. Bibcode:1979Наука ... 206..452O. Дои:10.1126 / science.206.4417.452. ISSN  0036-8075. PMID  17809370.
  9. ^ (Джонс, A.T., W. Finley. «Последние разработки в области мощности градиента солености». Oceans. 2003. 2284-2287.)
  10. ^ (Браунс, Э. «К устойчивому и одновременному крупномасштабному производству возобновляемой энергии и питьевой воды через градиент солености во всем мире путем сочетания обратного электродиализа и солнечной энергии?» Экологический процесс и технология. Январь 2007. 312-323.)
  11. ^ (Браунс, Э. «К устойчивому и одновременному крупномасштабному производству возобновляемой энергии и питьевой воды во всем мире за счет мощности градиента солености путем сочетания обратного электродиализа и солнечной энергии?». Экологические процессы и технологии. Янв 2007. 312-323.)
  12. ^ Инь Ип, Нгаи; Элимелех, Менахем (2012). «Термодинамический и энергетический анализ выработки электроэнергии из естественных градиентов солености с помощью осмоса с замедленным давлением». Экологические науки и технологии. 46 (9): 5230–5239. Bibcode:2012EnST ... 46.5230Y. Дои:10.1021 / es300060m. PMID  22463483.
  13. ^ Мощность градиента солености: оценка осмоса с замедленным давлением и обратного электродиализа
  14. ^ Последние разработки в области мощности градиента солености В архиве 2011-09-01 на Wayback Machine
  15. ^ «Первая в мире осмотическая электростанция от Statkraft». В архиве из оригинала от 12.08.2011. Получено 2009-11-27. Статкрафт-осмотическая сила
  16. ^ BBC News норвежская компания Statkraft открыла первую осмотическую электростанцию
  17. ^ «Является ли PRO экономически целесообразным? Не согласно Statkraft | ForwardOsmosisTech». В архиве из оригинала от 18.01.2017. Получено 2017-01-18.
  18. ^ Технология солнечного пруда с градиентом солености, применяемая при добыче калийных растворов
  19. ^ «Нанотрубки увеличивают потенциал соленой энергии как возобновляемого источника энергии». Gizmag.com. В архиве из оригинала от 28.10.2013. Получено 2013-03-15.
  20. ^ Сервис, Роберт Ф. (04.12.2019). «Благодаря новой« голубой »мембране реки могут генерировать энергию на тысячи атомных электростанций». Наука | AAAS. В архиве из оригинала на 2019-12-06. Получено 2019-12-06.
  21. ^ "Сессии симпозиума | Осеннее собрание MRS 2019 | Бостон". www.mrs.org. В архиве из оригинала на 2019-11-29. Получено 2019-12-06.
  22. ^ «Энергия из воды». В архиве из оригинала на 02.02.2017. Получено 2017-01-28.
  23. ^ Монтегю, К., Лей, Дж. Возможное влияние колебаний солености на численность бентосной растительности и связанной с ней фауны в северо-восточной части Флоридского залива. Лиманы и побережья. 1993. Springer, Нью-Йорк. Том 15, № 4. Стр. 703-717

внешняя ссылка