Puterea osmotică - Osmotic power
| Parte dintr-o serie pe |
| Energie regenerabila |
|---|
 |
Puterea osmotică , gradientul de salinitate sau energia albastră este energia disponibilă din diferența de concentrație de sare dintre apa de mare și apa de râu . Două metode practice pentru acest lucru sunt electrodializa inversă (RED) și osmoza retardată de presiune (PRO). Ambele procese se bazează pe osmoza cu membrane . Produsul cheie al deșeurilor este apa sălbatică . Acest produs secundar este rezultatul forțelor naturale care sunt valorificate: fluxul de apă dulce în mările care sunt formate din apă sărată.
În 1954, Pattle a sugerat că a existat o sursă de energie neexploatată atunci când un râu se amestecă cu marea, în ceea ce privește presiunea osmotică pierdută, totuși abia la mijlocul anilor 70 a fost o metodă practică de exploatare a acestuia folosind membrane permeabile selectiv prin Loeb a fost conturat.
Metoda de generare a energiei prin osmoza retardată de presiune a fost inventată de prof. Sidney Loeb în 1973 la Universitatea Ben-Gurion din Negev, Beersheba, Israel. Ideea i-a venit lui Prof. Loeb, în parte, în timp ce observa râul Iordan curgând în Marea Moartă. El a vrut să recolteze energia de amestecare a celor două soluții apoase (râul Iordan fiind una și Marea Moartă fiind cealaltă) care urma să se irosească în acest proces de amestecare natural. În 1977, Prof. Loeb a inventat o metodă de producere a energiei printr-un motor termic cu electrodializă inversă.
Tehnologiile au fost confirmate în condiții de laborator. Acestea sunt dezvoltate în uz comercial în Olanda (RED) și Norvegia (PRO). Costul membranei a fost un obstacol. O membrană nouă, cu costuri reduse, bazată pe un plastic din polietilenă modificată electric , a făcut-o potrivită pentru potențiale utilizări comerciale. Alte metode au fost propuse și sunt în prezent în curs de dezvoltare. Printre acestea, o metodă bazată pe tehnologia condensatorului electric cu dublu strat și o metodă bazată pe diferența de presiune a vaporilor .
Bazele puterii gradientului de salinitate
Puterea cu gradient de salinitate este o alternativă specifică de energie regenerabilă care creează energie regenerabilă și durabilă prin utilizarea proceselor naturale. Această practică nu contaminează și nu eliberează emisiile de dioxid de carbon (CO 2 ) (metodele de presiune a vaporilor vor elibera aer dizolvat conținând CO 2 la presiuni scăzute - aceste gaze necondensabile pot fi re-dizolvate desigur, dar cu o penalizare energetică). De asemenea, după cum au afirmat Jones și Finley în articolul lor „Dezvoltare recentă în puterea gradientului de salinitate”, practic nu există costuri pentru combustibil.
Energia gradientului de salinitate se bazează pe utilizarea resurselor „diferenței de presiune osmotică dintre apa dulce și apa de mare”. Toată energia propusă pentru utilizarea tehnologiei cu gradient de salinitate se bazează pe evaporare pentru a separa apa de sare. Presiunea osmotică este „potențialul chimic al soluțiilor concentrate și diluate de sare”. Când privim relațiile dintre presiunea osmotică ridicată și cea scăzută, soluțiile cu concentrații mai mari de sare au o presiune mai mare.
Există diferite generații de putere cu gradient de salinitate, dar una dintre cele mai frecvent discutate este osmoza retardată de presiune (PRO). În interiorul apei de mare PRO este pompată într-o cameră de presiune în care presiunea este mai mică decât diferența dintre presiunea apei dulci și cea sărată. Apa proaspătă se mișcă într-o membrană semipermeabilă și își mărește volumul în cameră. Deoarece presiunea din cameră este compensată, o turbină se rotește pentru a genera electricitate. În articolul lui Braun, el afirmă că acest proces este ușor de înțeles într-un mod mai defalcat. Două soluții, A fiind apă sărată și B fiind apă dulce sunt separate de o membrană. El afirmă că "numai moleculele de apă pot trece prin membrana semipermeabilă. Ca urmare a diferenței de presiune osmotică dintre ambele soluții, apa din soluția B va difuza astfel prin membrană pentru a dilua soluția A". Presiunea acționează turbinele și alimentează generatorul care produce energia electrică. Osmoza ar putea fi utilizată direct pentru a „pompa” apa dulce din Olanda în mare. Acest lucru se face în prezent folosind pompe electrice.
Eficienţă
Un studiu din 2012 privind eficiența de la universitatea din Yale a concluzionat că cea mai mare activitate extractibilă în PRO cu presiune constantă, cu o soluție de extragere a apei de mare și soluția de alimentare cu apă de râu, este de 0,75 kWh / m 3, în timp ce energia liberă de amestecare este de 0,81 kWh / m 3 - o termodinamică eficiență de extracție de 91,0%.
Metode
În timp ce mecanica și conceptele puterii cu gradient de salinitate sunt încă studiate, sursa de energie a fost implementată în mai multe locații diferite. Cele mai multe dintre acestea sunt experimentale, dar până acum au avut un succes predominant. Diferitele companii care au folosit această putere au făcut-o, de asemenea, în multe moduri diferite, deoarece există mai multe concepte și procese care valorifică puterea din gradientul de salinitate.
Osmoza retardată de presiune
O metodă de utilizare a energiei gradientului de salinitate se numește osmoza retardată de presiune . În această metodă, apa de mare este pompată într-o cameră de presiune care este la o presiune mai mică decât diferența dintre presiunile apei saline și a apei dulci. Apa dulce este, de asemenea, pompată în camera de presiune printr-o membrană, care crește atât volumul, cât și presiunea camerei. Deoarece diferențele de presiune sunt compensate, o turbină este filată, furnizând energie cinetică. Această metodă este studiată în mod specific de utilitatea norvegiană Statkraft , care a calculat că până la 2,85 GW ar fi disponibile din acest proces în Norvegia. Statkraft a construit prima centrală prototip PRO din lume pe fiordul Oslo, care a fost deschisă de prințesa Mette-Marit din Norvegia pe 24 noiembrie 2009. Scopul său era să producă suficientă energie electrică pentru a lumina și încălzi un oraș mic în cinci ani prin osmoză. La început, a produs un minuscul de 4 kilowați - suficient pentru a încălzi un ceainic electric mare, dar până în 2015 ținta era de 25 de megawați - la fel ca un mic parc eolian. Cu toate acestea, în ianuarie 2014, Statkraft a anunțat să nu continue acest pilot. Statkraft a constatat că, cu tehnologia existentă, gradientul de sare nu a fost suficient de mare pentru a fi economic, lucru pe care alte studii au convenit. Gradienți mai mari de sare pot fi găsiți în saramurile geotermale și în saramurile plantei de desalinizare, iar o uzină pilot din Danemarca testează acum saramurile geotermale. Există probabil mai mult potențial în integrarea osmozei retardate de presiune ca mod de operare a osmozei inversă, mai degrabă decât o tehnologie autonomă.
Electrodializă inversată
O a doua metodă dezvoltată și studiată este electrodializa inversă sau dializa inversă, care este în esență crearea unei baterii de sare. Această metodă a fost descrisă de Weinstein și Leitz ca „o gamă alternativă de membrane anionice și de schimb de cationi poate fi utilizată pentru a genera energie electrică din energia liberă a apelor de râu și de mare”.
Tehnologia legată de acest tip de putere se află încă în stadiile sale infantile, chiar dacă principiul a fost descoperit în anii 1950. Standardele și o înțelegere completă a tuturor modurilor în care pot fi utilizați gradienții de salinitate sunt obiective importante de depus pentru a face această sursă de energie curată mai viabilă în viitor.
Metoda capacitivă
O a treia metodă este metoda capacitivă a lui Doriano Brogioli , care este relativ nouă și până acum a fost testată doar la scară de laborator. Cu această metodă, energia poate fi extrasă din amestecul de apă salină și apă dulce prin încărcarea ciclică a electrozilor în contact cu apa salină, urmată de o descărcare în apă dulce. Deoarece cantitatea de energie electrică care este necesară în timpul etapei de încărcare este mai mică decât o ieșire în timpul etapei de descărcare, fiecare ciclu finalizat produce efectiv energie. O explicație intuitivă a acestui efect este că numărul mare de ioni din apa salină neutralizează eficient sarcina de pe fiecare electrod prin formarea unui strat subțire de sarcină opusă foarte aproape de suprafața electrodului, cunoscut sub numele de strat dublu electric . Prin urmare, tensiunea peste electrozi rămâne scăzută în timpul etapei de încărcare și încărcarea este relativ ușoară. Între etapa de încărcare și descărcare, electrozii sunt aduși în contact cu apa dulce. După aceasta, există mai puțini ioni disponibili pentru a neutraliza sarcina pe fiecare electrod, astfel încât tensiunea peste electrozi crește. Etapa de descărcare care urmează este, prin urmare, capabilă să furnizeze o cantitate relativ mare de energie. O explicație fizică este că pe un condensator încărcat electric, există o forță electrică atractivă reciproc între sarcina electrică a electrodului și sarcina ionică din lichid. Pentru a trage ionii departe de electrodul încărcat, presiunea osmotică trebuie să funcționeze . Această lucrare efectuată crește energia potențială electrică din condensator. O explicație electronică este că capacitatea este o funcție a densității ionice. Prin introducerea unui gradient de salinitate și permițând difuzarea unora dintre ioni din condensator, aceasta reduce capacitatea, astfel tensiunea trebuie să crească, deoarece tensiunea este egală cu raportul dintre sarcină și capacitate.
Diferențe de presiune a vaporilor: ciclu deschis și ciclu de refrigerare cu absorbție (ciclu închis)
Ambele metode nu se bazează pe membrane, astfel încât cerințele de filtrare nu sunt la fel de importante pe cât sunt în schemele PRO & RED.
Ciclul deschis
Similar ciclului deschis în conversia energiei termice oceanice (OTEC). Dezavantajul acestui ciclu este problema greoaie a unei turbine cu diametru mare (75 metri +) care funcționează la presiunea sub atmosferă pentru a extrage puterea dintre apa cu salinitate mai mică și apa cu salinitate mai mare.
Ciclu de refrigerare cu absorbție (ciclu închis)
În scopul dezumidificării aerului, într-un sistem de refrigerare cu absorbție de pulverizare de apă, vaporii de apă sunt dizolvați într-un amestec deliquescent de apă sărată folosind ca putere intermediară puterea osmotică. Sursa primară de energie provine dintr-o diferență termică, ca parte a unui ciclu termodinamic al motorului termic .
Iazul solar
La mina Eddy Potash din New Mexico, o tehnologie numită „ iaz solar cu gradient de salinitate ” (SGSP) este utilizată pentru a furniza energia necesară minei. Această metodă nu valorifică puterea osmotică , ci doar energia solară (vezi: iaz solar ). Lumina soarelui care ajunge la fundul iazului cu apă sărată este absorbită de căldură. Efectul convecției naturale , în care „căldura crește”, este blocat folosind diferențe de densitate între cele trei straturi care alcătuiesc iazul, pentru a prinde căldura. Zona de convecție superioară este zona de sus, urmată de zona de gradient stabil, apoi zona termică de jos. Zona de gradient stabilă este cea mai importantă. Apa sărată din acest strat nu se poate ridica în zona superioară, deoarece apa sărată de deasupra are o salinitate mai mică și, prin urmare, este mai puțin densă și mai plină de flotări; și nu se poate scufunda la nivelul inferior, deoarece apa sărată este mai densă. Această zonă de mijloc, zona de gradient stabilă, devine efectiv un "izolator" pentru stratul inferior (deși scopul principal este de a bloca convecția naturală, deoarece apa este un izolator slab). Această apă din stratul inferior, zona de stocare, este pompată și căldura este utilizată pentru a produce energie, de obicei prin turbină într-un ciclu organic Rankine .
În teorie, un iaz solar ar putea fi folosit pentru a genera energie osmotică dacă evaporarea din căldura solară este utilizată pentru a crea un gradient de salinitate, iar energia potențială din acest gradient de salinitate este valorificată direct folosind una dintre primele trei metode de mai sus, cum ar fi metoda capacitivă. .
Nanotuburi de nitrură de bor
O echipă de cercetători a construit un sistem experimental care utilizează nitrură de bor care a produs o putere mult mai mare decât prototipul Statkraft. A folosit o membrană impermeabilă și izolatoare electric care a fost străpunsă de un singur nanotub de nitrură de bor cu un diametru extern de câteva zeci de nanometri. Cu această membrană care separă un rezervor de apă sărată și un rezervor de apă proaspătă, echipa a măsurat curentul electric care trece prin membrană folosind doi electrozi cufundați în fluidul de fiecare parte a nanotubului.
Rezultatele au arătat că dispozitivul a fost capabil să genereze un curent electric de ordinul unui nanoamper. Cercetătorii susțin că acest lucru este de 1.000 de ori mai mare decât randamentul altor tehnici cunoscute pentru recoltarea energiei osmotice și face din nanotuburile de nitrură de bor o soluție extrem de eficientă pentru recoltarea energiei gradienților de salinitate pentru o energie electrică utilizabilă.
Echipa a susținut că o membrană de 1 metru pătrat ar putea genera aproximativ 4 kW și ar putea genera până la 30 MWh pe an.
La întâlnirea de toamnă din 2019 a Societății de cercetare a materialelor, o echipă de la Universitatea Rutgers a raportat că a creat o membrană care conținea aproximativ 10 milioane BNNT pe centimetru cub.
Utilizarea energiei cu deșeuri calorice reduse regenerează o soluție bogată de bicarbonat de amoniu într-o soluție cu o salinitate redusă
La Universitatea de Stat din Pennsylvania, Dr. Logan încearcă să utilizeze căldura reziduală cu o putere redusă, folosind faptul că bicarbonatul de amoniu dispare în NH 3 și CO 2 în apă caldă pentru a forma din nou bicarbonat de amoniac în apă rece. Deci, într-un sistem închis care produce energie RED, se păstrează cei doi gradienți diferiți de salinitate.
Posibil impact negativ asupra mediului
Mediile marine și fluviale au diferențe evidente în ceea ce privește calitatea apei, și anume salinitatea. Fiecare specie de plantă și animal acvatic este adaptată să supraviețuiască fie în medii marine, sărate sau de apă dulce. Există specii care le pot tolera pe amândouă, dar aceste specii se dezvoltă cel mai bine într-un mediu specific de apă. Principalul produs rezidual al tehnologiei cu gradient de salinitate este apa salmastra. Descărcarea de apă sălbatică în apele înconjurătoare, dacă se face în cantități mari și cu orice regularitate, va provoca fluctuații de salinitate. În timp ce unele variații ale salinității sunt obișnuite, în special în cazul în care apa dulce (râurile) oricum se varsă într-un ocean sau mare, aceste variații devin mai puțin importante pentru ambele corpuri de apă, cu adăugarea de ape reziduale salmastre. Schimbările extreme de salinitate într-un mediu acvatic pot avea ca rezultat densități scăzute atât ale animalelor, cât și ale plantelor, datorită intoleranței la picături brute de salinitate severă sau vârfuri. Conform opiniilor ecologiste predominante, posibilitatea acestor efecte negative ar trebui luată în considerare de către operatorii viitoarelor unități mari de energie albastră.
Impactul apei salmastre asupra ecosistemelor poate fi redus la minimum prin pomparea ei spre mare și eliberarea acesteia în stratul mediu, departe de ecosistemele de la suprafață și fund.
Implicarea și antrenarea la structurile de admisie sunt o preocupare datorită volumelor mari de apă de râu și de mare utilizate atât în schemele PRO, cât și în cele RED. Autorizațiile de construcție a admisiei trebuie să respecte reglementările stricte de mediu, iar centralele de desalinizare și centralele electrice care utilizează apa de suprafață sunt uneori implicate în diferite agenții locale, de stat și federale pentru a obține permisiunea care poate dura până la 18 luni.
Vezi si
- Osmoza directă
- Inversarea electrodializei (EDR)
- Electrodializă inversată
- Osmoză inversă - Proces de purificare a apei
- Membrană semipermeabilă - Membrană care va permite ca anumite molecule sau ioni să treacă prin ea prin difuzie
- Energia marină - Energia stocată în apele oceanelor
- Energie verde
- Energie regenerabilă - Energie colectată din resurse regenerabile
- Fugacitate - Presiune parțială efectivă
- Celula de concentrare
- Iazul solar