Centrale osmotica: pura energia di acqua salata

È necessario avvertire subito: non c'è errore nel titolo, non ci sarà storia sull'energia cosmica consonante con il nome. Lo lasceremo agli esoteristi e agli scrittori di fantascienza. E parleremo del solito fenomeno con cui conviviamo a fianco per tutta la vita.

Quante persone sanno a causa di quali processi i succhi degli alberi raggiungono un'altezza considerevole? Per la sequoia, è più di 100 metri. Questo trasporto di succhi di frutta nella zona della fotosintesi si verifica a causa del lavoro dell'effetto fisico - osmosi. Consiste in un fenomeno semplice: in due soluzioni di diverse concentrazioni, poste in un vaso con una membrana semipermeabile (permeabile solo per molecole di solvente), dopo qualche tempo appare una differenza di livello. Nella traduzione letterale dalla lingua greca l'osmosi è una spinta, una pressione.

E ora dalla fauna selvatica torneremo alla tecnologia. Se il mare e l'acqua dolce sono posti in una nave con un setto, a causa delle diverse concentrazioni di sali disciolti appare pressione osmotica e il livello del mare aumenta. Le molecole d'acqua si spostano da una zona ad alta concentrazione a una zona di soluzione, dove ci sono più impurità e meno molecole d'acqua.

La differenza nei livelli dell'acqua viene ulteriormente utilizzata nel solito modo: questo è il lavoro familiare delle centrali idroelettriche. L'unica domanda è Quanto è adatto l'effetto osmosi per uso industriale? I calcoli mostrano che quando la salinità dell'acqua di mare è di 35 g / litro, si crea una caduta di pressione di 2 389 464 Pascal o circa 24 atmosfere a causa del fenomeno dell'osmosi. In pratica, questo equivale a una diga con un'altezza di 240 metri.

Ma oltre alla pressione, la selettività delle membrane e la loro permeabilità sono anche una caratteristica molto importante. Dopotutto, le turbine non generano energia da una pressione differenziale, ma a causa del flusso di acqua. Qui, fino a poco tempo fa, c'erano delle difficoltà molto serie. Una membrana osmotica adatta deve resistere a una pressione pari a 20 volte la pressione nella normale fornitura d'acqua. Allo stesso tempo, hanno un'alta porosità, ma mantengono le molecole di sale. La combinazione di requisiti contrastanti per lungo tempo non ha consentito l'uso dell'osmosi per scopi industriali.

Nel risolvere i problemi di dissalazione, fu inventata l'acqua Membrana di Loebche ha resistito a un'enorme pressione e ha conservato sali minerali e particelle fino a 5 micron. Per molto tempo, non è stato possibile applicare le membrane Loeb per l'osmosi diretta (generazione di energia), perché erano estremamente costosi, capricciosi durante il funzionamento e avevano una bassa permeabilità.

Una svolta nell'uso delle membrane osmotiche avvenne alla fine degli anni '80, quando gli scienziati norvegesi Holt e Thorsen suggerirono di usare film plastico modificato a base ceramica. Migliorare la struttura del polietilene economico ci ha permesso di creare il design di membrane a spirale adatte per l'uso nella produzione di energia osmotica. Per testare la tecnologia per la generazione di energia dall'effetto di osmosi, nel 2009 il primo sperimentale al mondo centrale elettrica osmotica.

Dopo aver ricevuto una sovvenzione statale e speso più di $ 20 milioni, la compagnia energetica norvegese Statkraft è diventata pioniera in un nuovo tipo di energia. La centrale osmotica costruita produce circa 4 kW di potenza, sufficiente per far funzionare ... due bollitori elettrici. Ma gli obiettivi della costruzione della stazione sono molto più seri: dopo tutto, testando la tecnologia e testando in condizioni reali i materiali per le membrane aprono la strada alla creazione di strutture molto più potenti.

Il fascino commerciale delle stazioni inizia con un'efficienza di rimozione della potenza di oltre 5 watt per metro quadrato di membrane.Nella stazione norvegese di Toft, questo valore supera a malapena 1 W / m2. Ma già oggi vengono testate membrane con un'efficienza di 2,4 W / m2 e per il 2015 è previsto un valore economico di 5 W / m2.

Centrale elettrica osmotica in Toft

Ma ci sono informazioni incoraggianti da un centro di ricerca in Francia. Lavorando con materiali a base di nanotubi di carbonio, gli scienziati hanno ottenuto sui campioni l'efficienza dell'estrazione dell'energia a osmosi di circa 4000 W / m2. E questo non è solo conveniente, ma supera l'efficienza di quasi tutte le fonti energetiche tradizionali.

Prospettive ancora più impressionanti promettono l'applicazione film di grafene. Una membrana con uno spessore di uno strato atomico diventa completamente permeabile alle molecole d'acqua, pur mantenendo qualsiasi altra impurità. L'efficienza di tale materiale può superare i 10 kW / m2. Aziende leader in Giappone e in America si sono unite alla corsa per creare membrane ad alte prestazioni.

Se nel prossimo decennio sarà possibile risolvere il problema delle membrane per le stazioni osmotiche, allora la nuova fonte di energia avrà un posto di primo piano nel fornire all'umanità fonti di energia rispettose dell'ambiente. A differenza dell'energia eolica e solare, gli impianti ad osmosi diretta possono funzionare 24 ore su 24 e non sono influenzati dalle condizioni meteorologiche.

La riserva globale di energia dell'osmosi è enorme: lo scarico annuale di acqua dolce fluviale è di oltre 3.700 chilometri cubi. Se è possibile utilizzare solo il 10% di questo volume, è possibile generare più di 1,5TW / h di energia elettrica, ad es. circa il 50% del consumo europeo.

Ma non solo questa fonte può aiutare a risolvere il problema energetico. Con membrane altamente efficienti, è possibile utilizzare l'energia dell'oceano profondo. Il fatto è che la salinità dell'acqua dipende dalla temperatura ed è diversa a diverse profondità.

Usando i gradienti di temperatura della salinità, non puoi essere attaccato alle foci dei fiumi nella costruzione di stazioni, ma semplicemente posizionarli negli oceani. Ma questo è il compito di un futuro lontano. Sebbene la pratica mostri che fare previsioni sulla tecnologia è un compito ingrato. E domani il futuro potrebbe bussare alla nostra realtà.

Comments

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E puoi spiegare più in dettaglio la meccanica del processo? E poi io, come quella nonna, che ho parlato in dettaglio del principio di funzionamento di un motore a vapore su una locomotiva a vapore, e poi lei dice: "Tutto è chiaro, figliolo, capisci. Mi hai appena detto dove si trova il cavallo?" Supponiamo che un impianto di trattamento scarichi le acque reflue dopo il trattamento in mare, ad es. abbiamo due fonti d'acqua di diversa salinità, inoltre, l'acqua di mare è presente come se fosse statica e l'acqua dolce viene costantemente scaricata. E allora? Diciamo, hanno organizzato un altro serbatoio con una membrana nel mezzo, in una metà - acqua dolce, nell'altra - qualcosa di salato - salato ... E allora? Vedremo davvero che il livello dell'acqua aumenta a metà con l'acqua salata? Sembra chiaro che la differenza di livelli può già essere utilizzata. Comunque, commenta.

[#2]

Idea interessante ...
Tuttavia, la domanda è: perché recintare un giardino di membrane per sollevare acqua salata alla foce del fiume? È dubbio che l'energia potenziale del volume di acqua salata sollevata dall'osmosi supererà significativamente l'energia del flusso del fiume alla foce ....
Perché è più redditizio creare una differenza per osmosi, quando è già disponibile - l'acqua dolce scorre nel mare da un fiume. ..... La tecnologia ad osmosi offre il blocco dell'acqua dolce con una membrana attraverso la quale la stessa acqua penetrerà nell'acqua salata .... beh, e salirà a un certo livello su ....Come si ottiene un bilancio energetico positivo in un sistema con una membrana rispetto all'uso diretto dell'energia di drenaggio di un determinato volume di acqua?

[#3 Giacobbe]

Una centrale osmotica controlla la miscelazione di acqua dolce e salata, estraendo così energia dalla crescente entropia dei liquidi. La miscelazione avviene in un serbatoio, che è diviso in due scomparti da una membrana semipermeabile. L'acqua di mare viene fornita a un compartimento e fresca ad un altro. A causa della diversa concentrazione di sali nel mare e nell'acqua dolce, le molecole d'acqua dal compartimento fresco, cercando di uniformare la concentrazione di sale, passano attraverso la membrana nel compartimento marino. Come risultato di questo processo, viene generata una pressione in eccesso nel compartimento dell'acqua di mare, che a sua volta viene utilizzato per ruotare l'idroturbina generando elettricità.

[#4]

Vorrei vedere un link a informazioni incoraggianti che dice 4 kW per m ^ 2. Bene, vorrei sapere come puliranno le membrane, che nell'acqua di mare si ostruiranno all'istante con ogni sorta di impurità.