Нгай Йин Йип и Менахем Элимелех из (Коннектикут, США) провели исследование границ возможностей осмотических электростанций по утилизации энергии смешивания пресной и солёной воды в местах впадения рек в моря. Из отчёта, опубликованного в журнале , следует нечто парадоксальное: экономическая эффективность осмоЭС будет выше, если они... снизят количество энергии, извлекаемой из одного кубометра смешиваемой воды. Как так? Давайте разбираться.
Обычно энергию гидроресурсов принято осваивать, глядя на неё с физической точки зрения: скорость потока, перепад высот, объём стока... До недавнего времени никто не задумывался над количеством энергии, таящемся в эстуариях рек — местах, где они впадают в море. Концентрация солей в морской воде выше, чем в пресной, поэтому там, где они смешиваются, между солёной и пресной водой, если их разделить полупроницаемой мембраной, возникает осмос (процесс односторонней диффузии через молекулы растворителя — речной воды — в сторону большей концентрации растворённого вещества — морских солей, в результате чего давление солёной воды самопроизвольно возрастает). Так как давление солёной воды, подвергшейся осмосу, больше, чем атмосферное, возникает мощный поток, который может быть использован для приведения в действие гидротурбины, вырабатывающей энергию.
Первая опытная станция такого рода, мощностью в сакраментальные 4 кВт (столько же потребляют два электрочайника), была в конце 2009 года в Норвегии.
Солоноватая вода эстуария смешивается с солёной морской водой и при этом позволяет получать экологически чистую электроэнергию. (Здесь и ниже иллюстрации Environmental Science & Technology.)
Одна беда: нынешние мембраны позволяют получать всего 1 Вт с квадратного метра поверхности. Поэтому для выработки 4 кВт требуется 4 000 м² мембран, что исключает экономическую целесообразность такого рода станций.
В новом исследовании выясняются реальные ограничения эффективности такой технологии и постулируется, что они гораздо больше сегодняшних. Так, хотя общая потенциальная энергия процесса перемешивания пресной и морской воды составляет 0,81 кВт•ч/м³, теоретически извлекаемая энергия равна лишь 0,75 кВт•ч/м³, в то время как практически извлекаемая — всего 0,37 кВт•ч/м³. Под разницей между теоретически возможным и практически разумным извлечением энергии учёные понимают отказ от того, что, по их словам, ограничивает возможности нынешних мембран, — жадность. А попросту то, что разработчики нынешней экспериментальной станции хотели добиться максимального использования потенциала смешивания солёных и несолёных вод и для этого внедрили мембраны с максимальными задерживающим характеристиками. Обратной стороной этого стало снижение скорости процесса смешивания и бόльшая площадь требующихся для этого мембран — а значит, и их высокая цена на киловатт установленной мощности. Кроме того, такие мембраны быстро забивались органикой и коллоидными взвесями.
По мнению авторов работы, высокая эффективность осмотических электростанций требует снижения доли энергии осмоса, которую она использует. Для этого рекомендуется повысить проницаемость мембран. Это приведёт как к радикальному уменьшению их площади на единицу мощности осмоЭС, так и к росту их устойчивости к загрязнениям речной воды.
Первая в мире осмотическая электростанция, мягко говоря, не впечатляет: это внушительное задание производит всего 4 кВт. Повышение проницаемости мембран может решить проблему, считают исследователи.
И даже несмотря на то, что это вызовет снижение формального КПД таких станций до 40–45% с нынешних 60%, они останутся весьма значимым источником энергии. Годовой сброс речных вод составляет 3 730 км³, то есть с использованием 10% от этого количества — если воспользоваться предложенной исследователями схеме — можно будет добиться выработки чистой электроэнергии в 1,37 трлн кВт•ч в год, притом что мировое энергопотребление сегодня составляет всего около 20 трлн кВт•ч. Возможно, это выглядит не так внушительно, как огромный потенциал эоловых и солнечных электростанций, однако их осмотические конкуренты гораздо стабильнее, поскольку работают круглые сутки 365 дней году.
Комментариев нет:
Отправить комментарий