Осмотическая электростанция в норвегии. Энергия осмоса Европа: реализованные проекты

22.02.2024

Явление осмоса используется в промышленных масштабах уже более 40 лет. Только это не классический прямой осмос аббата Нолле, а так называемый обратный осмос – искусственный процесс проникновения растворителя из концентрированного в разбавленный раствор под действием давления, превышающего естественное осмотическое давление. Такая технология применяется в опреснительных и очистительных установках с начала 1970-х. Соленая морская вода нагнетается на специальную мембрану и, проходя через ее поры, лишается значительной доли минеральных солей, а заодно бактерий и даже вирусов. Для прокачивания соленой или загрязненной воды приходится затрачивать большие объемы энергии, но игра стоит свеч – на планете существует множество регионов, где дефицит питьевой воды является острейшей проблемой.

Трудно поверить, что одна лишь разница в концентрации двух растворов способна создать серьезную силу, однако это действительно так: осмотическое давление может поднять уровень морской воды на 120 м.

Опыты по превращению осмотического давления в электрическую энергию проводились различными научными группами и компаниями с начала 1970-х. Принципиальная схема этого процесса была очевидной: поток пресной (речной) воды, проникающий сквозь поры мембраны, наращивает давление в резервуаре с морской водой, тем самым позволяя раскручивать турбину. Затем отработанная солоноватая вода выбрасывается в море. Проблема была лишь в том, что классические мембраны для PRO (Pressure retarded osmosis) были слишком дороги, капризны и не обеспечивали необходимой мощности потока. С мертвой точки дело сдвинулось в конце 1980-х, когда за решение задачи взялись норвежские химики Торлейф Хольт и Тор Торсен из института SINTEF.

На схематичных изображениях осмотическую мембрану рисуют в виде стенки. На самом деле она представляет собой рулон, заключенный в цилиндрический корпус. В его многослойной структуре чередуются слои пресной и соленой воды.

Мембраны Лоэба требовали клинической чистоты для поддержания максимальной производительности. Конструкция мембранного модуля опреснительной станции предусматривала обязательное наличие первичного фильтра грубой очистки и мощного насоса, сбивавшего мусор с рабочей поверхности мембраны.

Хольт и Торсен, проанализировав характеристики большинства перспективных материалов, остановили свой выбор на недорогом модифицированном полиэтилене. Их публикации в научных журналах привлекли внимание специалистов из Statcraft, и норвежских химиков пригласили продолжить работу под покровительством энергетической компании. В 2001 году мембранная программа Statcraft получила государственный грант. На полученные средства была построена экспериментальная осмотическая установка в Сунндальсьоре для тестирования образцов мембран и обкатки технологии в целом. Площадь активной поверхности в ней была чуть выше 200 м2.

Разница между соленостью (по-научному – градиент солености) пресной и морской воды – базовый принцип работы осмотической электростанции. Чем она больше, тем выше объем и скорость потока на мембране, а следовательно, и количество энергии, вырабатываемой гидротурбиной. В Тофте пресная вода самотеком поступает на мембрану, в результате осмоса давление морской воды по ту сторону резко возрастает. Силища у осмоса колоссальная – давление может поднять уровень морской воды на 120 м.

Далее полученная разбавленная морская вода устремляется через распределитель давления на лопатки турбины и, отдав им всю свою энергию, выбрасывается в море. Распределитель давления отбирает часть энергии потока, раскручивая насосы, закачивающие морскую воду. Таким образом удается значительно повысить эффективность работы станции. По оценке Рика Стовера, главного технолога компании Energy Recovery, производящей такие устройства для опреснительных заводов, КПД передачи энергии в распределителях приближается к 98%. Точно такие же аппараты при опреснении помогают доставлять питьевую воду в жилые дома.

Как замечает Скиллхаген, в идеале осмотические электростанции нужно совмещать с опреснительными установками – соленость остаточной морской воды в последних в 10 раз выше естественного уровня. В таком тандеме эффективность выработки энергии возрастет не менее чем вдвое.

Строительные работы в Тофте начались осенью 2008 года. На территории завода по производству целлюлозы компании Sódra Cell был арендован пустующий склад. На первом этаже устроили каскад сетчатых и кварцевых фильтров для очистки речной и морской воды, а на втором – машинный зал. В декабре того же года был осуществлен подъем и монтаж мембранных модулей и распределителя давления. В феврале 2009-го группа водолазов проложила по дну залива два параллельных трубопровода – для пресной и морской воды.

Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 м – в этом слое ее соленость оптимальна. Кроме того, там она значительно чище, чем у поверхности. Но, несмотря на это, мембраны станции требуют регулярной чистки от забивающих микропоры органических остатков.

С апреля 2009 года электростанция эксплуатировалась в пробном режиме, а в ноябре, с легкой руки принцессы Метте-Марит, была запущена на всю катушку. Скиллхаген уверяет, что вслед за Тофте у Statcraft появятся и другие аналогичные, но более совершенные проекты. И не только в Норвегии. По его словам, подземный комплекс размером с футбольное поле способен бесперебойно снабжать электричеством целый город с 15 000 индивидуальных домов. Причем, в отличие от ветряков, такая осмотическая установка практически бесшумна, не изменяет привычный ландшафт и не влияет на здоровье человека. А о пополнении запасов соленой и пресной воды в ней позаботится сама природа.

Осмотические электростанции (ОЭС) имеют отношение к альтернативной экологически чистой энергетике и находятся на стадии внедрения. Осмотическая электростанция - это гидроэлектростанция, основанная на смешивании солёной и пресной воды через полупроницаемую мембрану, т. е. на процессе осмоса.

Осмос - это вид давления, играющий важную роль во многих естественных процессах, где регулируются концентрации веществ, например в экологии водоёмов. Людьми явление осмоса применяется в различных фильтрационных установках. Осмотическая электростанция по эффективности находится ниже солнечных батарей, ветрогенераторов, биотопливных станций, но выше приливных гидроэлектростанций.

Принцип работы осмотической электростанции.

ОЭС имеет резервуары с солёной морской водой и с пресной водой. Резервуары разделены полупроницаемой мембраной (на рисунке обозначена буквой М), которая пропускает только воду. Как известно солей в морской воде (на рисунке это левый отсек резервуарв W2) больше, чем в пресной воде. Молекулы пресной воды стремятся туда, где концентрация соли больше, при этом в резервуаре с морской водой объём жидкости увеличивается. Мембрана задерживает соли. Непрерывный поток через мембрану пресной воды в сторону солёной образует избыточное давление P в отсеке с морской водой.

Отводимая вода из морского резервуара приводит в действие гидротурбину (на рисунке ниже обозначена цифрой 6), вырабатывающую энергию. При концентрации соли в 35 г/литр путём осмоса создается перепад давления 2389464 Паскаля или примерно 24 атмосферы - это соответствует плотине высотой в 240 м. Сила давления зависит от площади мембраны. Важными также являются селективность и проницаемость мембран.

История развития осмотической электростанции.

Идея производства энергии с использованием осмоса появилась в 70-х годах прошлого века, но тогда мембраны ещё не обладали достаточной эффективностью. Для выгодного использования осмотической энергии нужно чтобы эффективность мембраны составляла более 5 Вт/м2. Повышение эффективности мембраны - это главная задача сейчас. На сегодняшний день отрабатываются технологии и испытываются материалы для мембран. Первый в мире прототип солевого генератора был запущен в Норвегии госэнергокомпанией Statkraft в 2009 году. Мощность этой электростанции - 5 кВт - это по прежнему очень мало, но первые шаги уже сделаны. На норвежской ОЭС использована спиральная мембрана из модифицированной полиэтиленовой плёнки на керамической основе, изобретённой в 80-х годах норвежскими учёными. В качестве материала для мембраны также рассматриваются углеродные нанотрубки и ещё более эффективные графеновые плёнки.

Преимущества осмотической электростанции:

Игнорирование климатических условий - ветра и солнца. Это выгодно отличает осмотическую от солнечной, ветровой или приливной электростанций
Не угрожает парниковыми газами, не создаёт выброса токсичных веществ
Ресурсы, затраченные на работу электростанции возобновляемы
Дешёвое сырьё
Производит постоянное предсказуемое количество энергии

Недостаток осмотической электростанции заключается в том, что её возможно использовать лишь на морских побережьях. Невозможность повсеместного её использования объясняется отсутствием одновременно в одном месте и солёной и пресной воды.

Понимая, что запасы ископаемых энергоресурсов ограничены, а использование ядерных технологий связано со значительным риском и упирается в проблему захоронения радиоактивных отходов, люди все активнее пытаются поставить себе на службу альтернативные источники энергии. Возобновляемые ресурсы обладают в сумме энергетическим потенциалом, в 3 тысячи раз превышающим сегодняшние потребности человечества. Правда, использованию поддается лишь незначительная часть этого потенциала, но даже этого - уже при нынешнем уровне развития техники - достаточно, чтобы перекрыть энергопотребности почти в 6 раз. Одной лишь солнечной энергии хватило бы с лихвой.

И все же инженеры продолжают изыскивать все новые и новые альтернативные энергоресурсы - или возвращаются к старым идеям, некогда признанным бесперспективными и потому отвергнутым, а теперь снова сулящим успех. Именно к таким проектам относится и пилотная установка, запущенная во вторник в Норвегии. В ее основу положена технология, позволяющая добывать энергию за счет давления, которое возникает при слиянии пресной и соленой воды там, где река впадает в море. Речь идет о так называемом осмосе.

Пресная вода + морская вода = источник энергии

Обычно там, где река впадает в море, пресная вода просто перемешивается с соленой, и никакого давления, которое могло бы послужить источником энергии, там не наблюдается. Профессор Клаус-Виктор Пайнеман (Klaus-Viktor Peinemann) из Института изучения полимеров при Научно-исследовательском центре GKSS в городке Гестхахт на севере Германии, называет те условия, которые необходимы для возникновения осмотического давления: "Если перед смешиванием морскую воду и пресную разделить фильтром - специальной мембраной, пропускающей воду, но непроницаемой для соли, - то стремление растворов к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций сможет реализоваться только за счет того, что вода будет проникать в раствор соли, а соль в пресную воду не попадет".

Если же это происходит в закрытом резервуаре, то со стороны морской воды возникает избыточное гидростатическое давление, называемое осмотическим. Чтобы использовать его для производства энергии, в месте впадения реки в море нужно установить большой резервуар с двумя камерами, отделёнными друг от друга полупроницаемой мембраной, пропускающей воду и не пропускающей соль. Одна камера заполняется соленой, другая - пресной водой. "Возникающее при этом осмотическое давление может быть очень велико, - подчеркивает профессор Пайнеман. - Оно достигает примерно 25-ти бар, что соответствует давлению воды у подножия водопада, низвергающегося с высоты в 100 метров".

Находящаяся под столь высоким осмотическим давлением вода подается на турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Главное - правильная мембрана

Казалось бы, все просто. Потому неудивительно, что идея использовать осмос как источник энергии зародилась почти полвека назад. Но… "Одним из главных препятствий в то время стало отсутствие мембран должного качества, - говорит профессор Пайнеман. - Мембраны были чрезвычайно медленными, поэтому эффективность осмотического электрогенератора была бы очень низкой. Но в последующие 20-30 лет произошло несколько технологических прорывов. Мы научились сегодня производить чрезвычайно тонкие мембраны, а это значит, что их пропускная способность стала значительно выше".
Специалисты Научно-исследовательского центра GKSS внесли весомый вклад в разработку той самой мембраны, что позволила теперь на практике реализовать осмотическое энергопроизводство - пусть пока и сугубо экспериментальное. Один из разработчиков, Карстен Бликке (Carsten Blicke), поясняет: "Толщина мембраны составляет около 0,1 микрометра. Для сравнения: человеческий волос имеет в диаметре от 50 до 100 микрометров. Именно эта тончайшая пленка и отделяет, в конечном счете, морскую воду от пресной".

Понятно, что столь тонкая мембрана не может сама по себе выдержать высокое осмотическое давление. Поэтому она наносится на пористую, напоминающую губку, но чрезвычайно прочную основу. В целом такая перегородка выглядит как глянцевая бумага, и то, что на ней имеется пленка, невооруженным глазом заметить невозможно.

Радужные перспективы

Для строительства пилотной установки были необходимы капиталовложения в размере нескольких миллионов евро. Инвесторы, готовые пойти на риск, хоть и не сразу, все же нашлись. Финансировать новаторский проект вызвалась фирма Statkraft - одна из крупнейших энергетических компаний Норвегии, европейский лидер по части использования возобновляемых энергоресурсов. Профессор Пайнеман вспоминает: "Они услышали об этой технологии, пришли в восторг и подписали с нами договор о сотрудничестве. Евросоюз выделил на реализацию этого проекта 2 миллиона евро, остальные средства внесли фирма Statkraft и ряд других компаний, в том числе и наш Институт".

"Ряд других компаний" - это научные центры Финляндии и Португалии, а также одна из норвежских исследовательских фирм. Пилотная установка мощностью от 2 до 4 киловатт, возведенная в Осло-фьорде близ городка Тофте и торжественно вступившая сегодня в строй, предназначена для испытания и совершенствования новаторской технологии. Но руководство компании Statkraft уверено, что уже через несколько лет дело дойдет и до коммерческого использования осмоса. А суммарный мировой потенциал осмотического энергопроизводства оценивается ни много ни мало в 1600-1700 тераватт-часов в год - это примерно половина энергопотребления всего Евросоюза. Важнейшим преимуществом таких установок является их экологичность - они не шумят и не загрязняют атмосферу выбросами парниковых газов. Кроме того, их легко интегрировать в уже имеющуюся инфраструктуру.

Думая о возобновляемой энергии, сразу на ум приходит энергия ветра, солнца, приливов и отливов, и устройства их преобразовывающие – это уже привычные на сегодня ветроэнергетические установки, солнечные фотоэлектрические преобразователи, гидротурбины. Все это уже массово используются во всем мире. Но на этом список возобновляемых источников энергии не заканчивается. Есть еще один вид получения энергии, который еще не стал распространенным, но это дело будущего, - это осмотическая энергия.

Недавно стало известно о запуске в Норвегии первой в мире электростанции, позволяющей извлекать энергии из разности концентрации соли в пресной воде и в соленой воде. Производство электроэнергии осуществляется в результате явления осмоса. Станция расположена недалеко от столицы Норвегии Осло на берегу залива Осло-фьорд. Инвестором строительства выступила норвежская энергетическая компания Statkraft, которая является третьей по величине производителем энергоресурсов в скандинавском регионе, а также крупнейшим производителем энергии, основанной на возобновляемых источниках энергии в Европе. Эта новость и послужила поводом для написания данного материала.

Итак, что же такое осмотическая энергия?

Осмотическая энергия – это энергия, получаемая в результате осмоса, или как еще можно сказать, в результате процесса диффузии растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор.

Согласно Wikipedia.org, явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя.

Осмос играет большую роль в биологических процессах. Благодаря ему в клетку попадают питательные вещества, и наоборот – выводятся ненужные. Благодаря осмоса листья растений впитывают влагу.

Осмотическая энергия относится к возобновляемому источнику, который, в отличие от солнечной или ветровой энергий, производит предсказуемое и устойчивое количество энергии независимо от погоды. И это можно сказать главное одно из преимуществ этой технологии.

Почему осмос не стали использовать раньше для получения энергии, а только сейчас?

Главная сложность заключается в эффективности и стоимости использующихся мембран. Это и является камнем преткновения. Производство электроэнергии осуществляется в генераторах, на которые подается соленая вода из резервуаров, где смешивается пресная и соленая вода. Чем быстрее происходит процесс смешения, тем быстрее вода подается на турбины, тем больше можно получить энергии.

Идея производить энергию, используя осмос, появилась в 70-х годах прошлого столетия. Но тогда мембраны были еще недостаточно эффективными, как сегодня.

Осмотическая электростанция в Норвегии

Построенная опытная электростанция использует разность концентрации соли в пресной и соленой воде. Морскую и речную воду направляют в камеру, разделённую мембраной. Благодаря явлению осмоса, молекулы стремятся перейти в ту область камеры, где концентрация растворенных веществ, в данном случае соли, выше. Этот процесс приводит к увеличению объема в отделении с соленой водой. Что в результате образуется повышенное давление, которое создает напор, эквивалентное воздействию водяного столба высотой 120 метров. Этот напор направляется на турбину, вращающую генератор.

В построенной электростанции применяется мембрана с эффективностью 2-3 Ваттт/м2. Поэтому главной задачей является поиск более эффективных мембран. По словам исследователей, чтобы применение осмотической энергии было выгодным, необходимо добиться эффективности мембран более 5 Ватт/м2.

Сейчас станция генерирует не много энергии - 4 кВатт. В будущем планируется постоянно увеличивать мощность. В планах компании Ststkraft к 2015 году вывести станцию на самоокупаемый уровень.

К недостаткам можно отнести то, что не везде возможно построить такую электростанцию. Ведь для этого одновременно необходимо два источника воды – пресной и соленой. Поэтому строительство невозможно в глубине континента, а только на побережьях вблизи источника соленой воды. В будущем планируется создать мембраны, использующие разность концентрации соли только морской воды.

Еще одним недостаток – это эффективность работы станции, связанная прежде всего с эффективностью работы применяемых мембран.

Задача станции состоит главным образом в исследовании и разработки технологий для коммерческого применения в дальнейшем. Это определенно шаг вперед. Ведь мировой потенциал осмотической энергии, как заявляет компания Statkraft, оценивается в 1600-1700 ТВатт·часов энергии ежегодно, которая эквивалентна 50 процентам полного производства энергии в Европейском союзе.

В один прекрасный день 1747 года французский аббат Нолле слил недопитый намедни бордо в свиной мочевой пузырь, доставленный с кухни, и погрузил его в бочонок с водой. Через 262 года, 24 ноября 2009-го, норвежская кронпринцесса Метте-Марит пригубила бокал с шампанским. Как же связаны эти два события? И Нолле, и принцесса совершили выдающиеся открытия. Аббат первым в мире сумел описать феномен осмоса и базовые свойства мембраны, а Метте-Марит, разрезав символическую ленточку, открыла первую в мире осмотическую электростанцию Statcraft в Тофте.

Владимир Санников

О том, чем на самом деле наполнил вошедший в историю свиной пузырь аббат, а по совместительству великий физик-экспериментатор Жан-Антуан Нолле, можно дискутировать. Но наличие воды в обоих сосудах (пузыре и бочке) неоспоримо. Разница состоит лишь в концентрации растворенного в ней спирта. Именно эта разница дала толчок диффузии воды через полупроницаемую мембрану из бочонка в пузырь. По тому, как раздулся пузырь, можно было понять, что явление это рождает весьма значительную однонаправленную силу, которую Нолле назвал осмотическим давлением. А осмос он определил как процесс диффузии растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный.

В наши дни норвежская компания Statcraft, лидер европейского рынка экологически чистой энергетики, нашла способ превратить это давление в электричество. Новая технология — единственная, способная извлекать джоули из естественной разницы содержания минеральных солей в пресной и морской воде, а не из кинетической энергии их движения. По оценкам норвежцев, мировые ресурсы возобновляемой осмотической энергии составляют от 1,6 до 1,7 тераватт — примерно столько же в 2004 году потребовалось миллиардному Китаю! В отличие от капризного ветра, прибоя и солнца, процессы осмоса не останавливаются ни на секунду 24 часа в сутки круглый год.

Для работы осмотической электростанции не требуются специальные инженерные сооружения: печи, реакторы, плотины, градирни. Первая в мире электростанция на осмосе расположилась в пустующем складе деревоперерабатывающего завода.

Выпить море

Вообще-то явление осмоса используется в промышленных масштабах уже более 40 лет. Только это не классический прямой осмос аббата Нолле, а так называемый обратный осмос — искусственный процесс проникновения растворителя из концентрированного в разбавленный раствор под действием давления, превышающего естественное осмотическое давление. Такая технология применяется в опреснительных и очистительных установках с начала 1970-х. Соленая морская вода нагнетается на специальную мембрану и, проходя через ее поры, лишается значительной доли минеральных солей, а заодно бактерий и даже вирусов. Для прокачивания соленой или загрязненной воды приходится затрачивать большие объемы энергии, но игра стоит свеч — на планете существует множество регионов, где дефицит питьевой воды является острейшей проблемой.

Теоретические разработки в этой области появились еще в начале ХХ века, но для их реализации не хватало главного — подходящей осмотической мембраны. Такая мембрана должна была выдерживать давление, в 20 раз превышающее давление обычного бытового водопровода, и иметь чрезвычайно высокую пористость. Создание материалов с подобными свойствами стало возможным после Второй мировой, когда накопленный в ходе военных проектов научный потенциал дал толчок развитию технологий производства синтетических полимеров.

Трудно поверить, что одна лишь разница в концентрации двух растворов способна создать серьезную силу, однако это действительно так: осмотическое давление может поднять уровень морской воды на 120 м.

Наиболее значительный прорыв в этой области произошел в 1959 году. Сидней Лоэб и Шриниваса Суранджан из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали спиральную анизотропную мембрану, способную выдерживать колоссальное давление, эффективно задерживать минеральные соли и механические частицы размером до 5 мкм и главное — обладающую высокой пропускной способностью при минимальных размерах. Изобретение Лоэба и Суранджана сделало осмотическое опреснение экономически выгодным бизнесом. В начале 1960-х в калифорнийской Коалинге Лоэб построил первую в мире опреснительную станцию на эффекте PRO (Pressure retarded osmosis), а затем перебрался в Израиль, где на средства ЮНЕСКО продолжил свои исследования. При участии Лоэба в 1967 году в местечке Йотвата была построена опреснительная установка мощностью 150 м³ в сутки, производившая чистую питьевую воду из подземного озера с соленостью, десятикратно превышавшей морскую. Еще через три года технология PRO была защищена американским патентом.

Осмос и космос

Мембранная лаборатория в Центре NASA им. Эймса уже много лет подряд занимается решением проблемы обеспечения обитателей космических станций питьевой водой. Ученые разработали технологию DOC, комбинирующую два разнонаправленных процесса — прямой и обратный осмос. При обратном осмосе мембрана работает как фильтр тонкой очистки и требует больших затрат энергии. Прямой осмос, наоборот, производит ее. Каждый из этих процессов по отдельности лишает водные растворы подавляющего количества примесей. В результате получается так называемая серая вода, которую можно использовать для гигиенических целей. Для того чтобы сделать из серой воды питьевую, раствор проходит этап мембранной очистки без дополнительного нагревания и далее очистку от бактерий и вирусов в подсистеме каталитического окисления. Балансовая энергоемкость DOC достаточно низка для применения в космосе.
Оригинальный способ очистки воды для космических станций представила американская компания Osmotek. Для сбора продуктов жизнедеятельности она предлагает использовать мембранные пакеты наподобие чайных с содержащимся в них активированным углем. Мембрана пропускает наружу лишь воду с незначительным количеством загрязнений. Этот первичный раствор затем попадает в мембранную камеру со специальным концентрированным субстратом в другой части. Возникающее явление прямого осмоса завершает процесс.
Компания Oasys обещает снизить расход энергии осмотических опреснительных установок ни много ни мало в десять раз. Правда, в данном случае речь идет не об обратном, а о прямом осмосе. И не простом, а модифицированном. Его суть заключается в наличии на ответной стороне обычной PRO-мембраны патентованного вытягивающего раствора с высоким содержанием аммиака, двуокиси углерода и других химикатов. При контакте двух растворов возникает явление осмоса и происходит очищение исходного сырья от примесей. Изюминка методики Oasys в том, что поток чистой пресной воды не смешивается с вытягивающим раствором.

Опыты по превращению осмотического давления в электрическую энергию с использованием мембран Лоэба-Суранджана проводились различными научными группами и компаниями с начала 1970-х. Принципиальная схема этого процесса была очевидной: поток пресной (речной) воды, проникающий сквозь поры мембраны, наращивает давление в резервуаре с морской водой, тем самым позволяя раскручивать турбину. Затем отработанная солоноватая вода выбрасывается в море. Проблема была лишь в том, что классические мембраны для PRO были слишком дороги, капризны и не обеспечивали необходимой мощности потока. С мертвой точки дело сдвинулось в конце 1980-х, когда за решение задачи взялись норвежские химики Торлейф Хольт и Тор Торсен из института SINTEF.

Космический размах

На схематичных изображениях осмотическую мембрану рисуют в виде стенки. На самом деле она представляет собой рулон, заключенный в цилиндрический корпус. В его многослойной структуре чередуются слои пресной и соленой воды. Поперечный разрез демонстрирует, как организованы потоки воды внутри осмотического цилиндра. Чем больше таких модулей установят на станции, тем больше энергии она сможет вырабатывать.

Для ускорения процесса в команду были приглашены инженеры из специализированной мембранной лаборатории NASA. Дело в том, что еще со времен подготовки к лунной программе Apollo при Центре NASA им. Эймса проводились глубокие исследования технологий опреснения и очистки водных растворов. Опыт американцев пришелся как нельзя кстати, и к 2008 году у Statcraft появились первые образцы спиральных полиимидных мебран для будущих осмотических электростанций. Их производительность составила 1 Вт на 1 м² при диффузии 10 л пресной воды в секунду под давлением 10 бар.

На станции в Тофте работают именно такие мембранные модули общей площадью 2000 м². Для выработки 4кВт этого вполне достаточно, но для полноценной 25-мегаваттной станции потребовалось бы аж 5 млн квадратов. Разумеется, мембраны для осмотических электростанций должны быть гораздо эффективнее нынешних. Стайн Эрик Скиллхаген, вице-президент Statcraft, курирующий программу, утверждает, что сейчас компания тестирует спиральные образцы из полых волокон производительностью 3 Вт/м2, а к 2015 году появятся плоские 5-ваттные мембраны. Кроме того, норвежцы внимательно изучают сторонние разработки в этой области и активно сотрудничают со специалистами из General Electric, Hydranautics, Dow и японской Toray.

В Голландии каждую секунду в соленое море низвергается 3300 кубометров речной воды. Ученые подсчитали, что ее суммарный энергетический потенциал составляет 4,5*10 9 Вт. Исследователи из KEMA также намерены выловить хотя бы часть энергии из этой бездонной бочки, но без лишней, по их мнению, механики. И такая возможность существует. Пока — в виде экспериментальной установки обратного электродиализа RED (reverse electrodialysis). В ней также используются морская и пресная вода, разделенные полупроницаемыми границами. Вот только мембран здесь две, и они выполняют роль электродов. Ведь RED — это батарея, работающая благодаря разнице в концентрациях ионов в двух средах. Эта разница и создает слабое напряжение на поверхности анодной и катодной мембран. Если из них собрать пакет, то вольтаж получится весьма ощутимым. Например, батарейка размером со стандартный морской контейнер выдает почти 250 кВт. KEMA с 2006 года эксплуатирует маленькую 50-киловаттную установку в Харлингене. На ней тестируются способы очистки и предотвращения загрязнения мембран биоматериалом. Клиническая чистота — критически важный фактор эффективной работы системы.

Кстати, мембрана для прямого осмоса — это не тонкая стенка, которую рисуют на упрощенных схемах, а длинный рулон, заключенный в цилиндрический корпус. Соединения с корпусом сделаны таким образом, что во всех слоях рулона с одной стороны мембраны всегда находится пресная вода, а с другой- морская.

Энергия глубин

Разница между соленостью (по-научному — градиент солености) пресной и морской воды — базовый принцип работы осмотической электростанции. Чем она больше, тем выше объем и скорость потока на мембране, а следовательно, и количество энергии, вырабатываемой гидротурбиной. В Тофте пресная вода самотеком поступает на мембрану, в результате осмоса давление морской воды по ту сторону резко возрастает. Силища у осмоса колоссальная — давление может поднять уровень морской воды на 120 м.

Как замечает Скиллхаген, в идеале осмотические электростанции нужно совмещать с опреснительными установками — соленость остаточной морской воды в последних в 10 раз выше естественного уровня. В таком тандеме эффективность выработки энергии возрастет не менее чем вдвое.

Строительные работы в Тофте начались осенью 2008 года. На территории завода по производству целлюлозы компании Sódra Cell был арендован пустующий склад. На первом этаже устроили каскад сетчатых и кварцевых фильтров для очистки речной и морской воды, а на втором — машинный зал. В декабре того же года был осуществлен подъем и монтаж мембранных модулей и распределителя давления. В феврале 2009-го группа водолазов проложила по дну залива два параллельных трубопровода — для пресной и морской воды.

Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 м — в этом слое ее соленость оптимальна. Кроме того, там она значительно чище, чем у поверхности. Но, несмотря на это, мембраны станции требуют регулярной чистки от забивающих микропоры органических остатков.