CC BY
292
УДК 621.311.212
ОСМОТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
С.В. Котеленко, А.В. Протасов
Рассмотрены преимущества и недостатки осмотических электростанций, их принцип действия, российские патенты, связанные с преобразованием осмотического давления в электрическую энергию.
Ключевые слова: осмотические электростанции, осмос, альтернативные источники энергии, гидроэлектростанция.
В отличие от традиционных источников электроэнергии альтернативные способы её получения пока распространены не так широко, но имеют преимущества в относительно меньшем экологическом ущербе и использовании возобновляемых источников.
Изучение альтернативных источников энергии, таких как, например, солнечная, волновая, геотермальная, ветровая и другие, является наиболее перспективным в настоящее время. По мере развития науки и техники появляются новые альтернативные источники. Одним из таких источников является прототип электростанции, работающей по принципу осмоса. Данный прототип заработал 24 ноября 2009 года к югу от столицы Норвегии г. Осло в г. Тофте.
Ещё во второй половине прошлого века появилась идея использовать осмос в качестве альтернативного источника энергии, но уровень развития технологий тогда не позволял создать мембраны - важнейшие элементы нового альтернативного источника - с достаточной пропускной способностью. Подсчитано, что для выгодного использования энергии осмоса требуется эффективность мембраны не ниже 5 Вт/м2 [4]. В настоящее время анализируются способы повышения пропускной способности мембран, в том числе использование новых материалов. Прототип рядом со столицей Норвегии является первым в мире преобразователем солевой энергии в электрическую. Мощность этой электростанции - 5 кВт. Дальнейшее повышение мощности подобных электростанций возможно с помощью изменения материала мембран. На норвежской ОЭС использована спиральная мембрана из модифицированной полиэтиленовой плёнки на керамической основе. Перспективными материалами для мембран являются углеродные нанотрубки и ещё более эффективные графеновые плёнки.
Осмотическая электростанция (ОЭС) - это гидроэлектростанция, работающая по принципу диффузии пресной и соленой воды через полупроницаемую мембрану (проницаемую только для молекул растворителя), т. е. на эффекте осмоса.
Осмос - это процесс одностороннего проникновения молекул растворителя (чистой воды в случае ОЭС) через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией (пресной воды) в раствор с большей концентрацией (соленую воду).
Рис. 1. Принципиальная схема работы осмотической электростанции
Аналогом, служащим для объяснения принципа работы осмотической электростанции, является перенос соков деревьев из корневой системы в зону фотосинтеза, который происходит за счет работы физического эффекта - осмоса. Заключается он в следующем явлении: в двух растворах, помещенных в единый сосуд с полупроницаемой мембраной, спустя некоторое время появляется разность уровней, но обязательным условием для этого является разная концентрация растворенных веществ в этих растворах. На ОЭС в качестве растворимого вещества используют морскую соль. В дословном переводе с греческого языка осмос - это толчок, давление.
Если в сосуд с полупроницаемой мембраной М (рис. 2), которая пропускает только воду, поместить морскую и пресную воду, то за счет разной концентрации растворенных солей появляется осмотическое давление и уровень морской воды поднимется. Как известно, концентрация солей в морской воде больше, чем в пресной воде. Молекулы пресной воды стремятся туда, где концентрация соли больше, именно поэтому в части сосуда Ш2 с морской водой объём жидкости увеличивается (рис. 2). Мембрана задерживает соли. В отсеке с морской водой будет создаваться избыточное давление Р, которое обусловлено непрерывным потоком через мембрану пресной воды в сторону солёной.
СОЛЕНАЯ ВОДА
Перемещение молекул воды заканчивается, когда концентрация раствора в двух отсеках станет равной.
р м
1т
щ
Рис. 2. Принцип создания избыточного давления в ОЭС
На схематичных чертежах осмотическую мембрану изображают в виде тонкой стенки. В действительности она представляет собой рулон, заключенный в цилиндрический корпус (рис. 3). В его многослойной структуре чередуются слои пресной и соленой воды. На поперечном разрезе указаны потоки воды внутри осмотического цилиндра. Чем больше таких модулей установят на станции, тем выше станет пропускная способность системы, повысится избыточное давление, а, следовательно, и энергии она сможет вырабатывать также больше.
Рис. 3. Осмотическая мембрана
Отводимая вода из резервуара с морской водой приводит в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию. Сила давления зависит от площади мембраны.
Расчеты показывают [3], что при концентрации солей в морской воде 35 г/литр за счет явления осмоса создается давление 2 389 464 Паскаля или около 24 атмосфер. На практике это эквивалентно плотине высотой 240 метров.
Важной характеристикой является селективность мембран и их проницаемость. Турбины вырабатывают механическую энергию по большей части не от перепада давления, а именно благодаря расходу воды. Подходящая осмотическая мембрана должна выдерживать большое давление, иметь высокую пористость, но при этом задерживать молекулы солей. Сочетание противоречивых требований долго не позволяло использовать осмос в промышленных целях.
Израильский и американский учёный Сидни Лёб при создании опреснительных систем, работающих по принципу обратного осмоса, изобрел мембрану, которая выдерживала колоссальное давление и задерживала минеральные соли и частицы до 5 микрон. Применить мембраны Лёба для прямого осмоса долго не удавалось, т.к. они были чрезвычайно дорогими и не обеспечивали необходимой мощности потока.
Прорыв в использовании осмотических мембран наступил в конце 80-х годов, когда норвежские ученые Торлейф Хольт и Тор Торсен предложили использовать модифицированную полиэтиленовую пленку на керамической основе. Совершенствование структуры дешевого полиэтилена позволило создать конструкцию спиральных мембран, пригодных для создания осмотической энергии. Данная технология изготовления полупроницаемых мембран позволила в 2009 году построить и запустить первую в мире экспериментальную ОЭС в г. Тофте.
Принадлежит норвежский прототип ОЭС крупной энергетической компании 81а1кгай. Она получила государственный грант и, затратив более 20 млн долларов, стала новатором в созданном виде энергетики. Построенная осмотическая электростанция на текущий момент должна вырабатывать около 5 кВт мощности [4]. Но цели строительства станции гораздо дальновиднее - испытание технологии и проверка в реальных условиях материалов для мембран открывают путь к созданию значительно более мощных электростанций.
Норвежская электростанция расположена у устья реки, впадающей в Северное море. Морскую и речную воду подают в осмотические цилиндры. В отсеке с солёной водой осмос создаёт давление, эквивалентное водяному столбу высотой 120 метров. Поток идёт на турбину, вращающую генератор.
Если вычесть ту энергию, что идёт на насосы, подающие пресную и морскую воду, то получается, что опытная станция создаёт очень мало энергии (в пределах 5 кВт). Планируется повысить мощность до 10 киловатт, а потом создать ещё одну опытную станцию, вырабатывающую до одного мегаватта энергии.
Самоокупаемость станции начинается с эффективности выработки более 5 Вт с квадратного метра полупроницаемых мембран [4]. На норвежской станции в г. Тофте (рис. 4) это значение едва превышает 1 Вт/м2.
Работая с материалами на основе углеродных нанотрубок, французские ученые из Национального центра научных исследований получили на образцах эффективность съема энергии осмоса около 4000 Вт/м2. Это значение является рентабельным и превышает показатели многих традиционных источников энергии.
Рис. 4. Камера с мембранами в осмотической электростанции 81а1кгаА в г. Тофте (Тв^е) близ г. Осло
Большие перспективы обещает применение графеновых пленок. Мембрана толщиной в один атомный слой становится полностью проницаема для молекул воды, задерживая при этом любые другие примеси. Эффективность такого материала может превышать 10 кВт/м2 [4].
В дальнейшем процессе разработки данных электростанций предстоит решить массу проблем. Например, нужно будет найти способ уничтожения бактерий, загрязняющих фильтры. Даже несмотря на предварительную очистку пресной и морской воды, вредоносные микроорганизмы могут заселить все участки системы и тем самым нарушить её работу.
По оценкам 81а1кгай, занимающейся разработкой и созданием установок, вырабатывающих возобновляемую энергию, общемировой годовой потенциал осмотической энергии составляет 1600...1700 тераватт-часов. Эта мощность составляет 10 % всего мирового потребления энергии и 50 % энергопотребления Европы.
Ещё одним способом выработки электроэнергии на осмотической электростанции является использование только соленой (морской) воды. Иными словами, при наличии высокоэффективных мембран можно использовать энергию глубин океана. Дело в том, что степень концентрации солей в воде зависит от глубины.
Осмотическая электростанция по эффективности находится ниже солнечных батарей, ветрогенераторов, биотопливных станций, но выше приливных гидроэлектростанций.
Преимущества осмотической электростанции следующие.
1. Игнорирование климатических условий - ветра и солнца. Это выгодно отличает осмотическую от солнечной, ветровой или приливной электростанций.
2. Не угрожает парниковыми газами, не создаёт выброса токсичных веществ, что позволяет устанавливать её даже в черте города без ущерба его жителям.
3. Ресурсы, затраченные на работу электростанции возобновляемы.
4. Дешёвое сырьё.
5. Производит постоянное предсказуемое количество энергии.
6. Станции не нужно строить на отдельных специальных площадках, так как они не создают вредные выбросы. К примеру, можно оборудовать неиспользуемые помещения существующих предприятий (например, первая станция в Норвегии расположена на пустующем складе деревопе-рерабатывающего завода).
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, но этот недостаток можно не учитывать, если создать высокоэффективные мембраны, с помощью которых можно будет использовать градиент солености глубин океана.
К недостаткам, которые вызваны недоработкой проекта, относятся:
1) небольшая мощность установок (около 2-5 кВт);
2) потребность очистки мембран от забивающих микропоры органических остатков, несмотря на забор морской воды с глубины более 35 м;
3) сохранность безопасности флоры и фауны (например, сооружение рыбопропускных каналов).
Перспектива развития таких электростанций рассматривается, главным образом, в Японии и России.
В Японии налажено производство необходимого оборудования. Здесь осуществляется выпуск осмотических мембран до 70 % от мирового объёма [1]. Также важную роль играет географическое положение государства - острова со всех сторон омываются водами океана, в которые впадает большое количество рек.
Перспективы использования ОЭС в России обусловлены хорошо развитой речной сетью и водным побережьем, протяженностью почти 60 тыс. км. По подсчетам [2] специалистов при впадении Волги в Каспийское море можно получить в год около 15 млрд кВт-ч, Днепра в Черное море -10 млрд кВт- ч, Амура в Татарский пролив - 12 млрд кВт-ч.
В 1999 году был получен российский патент [6] на осмотическую силовую установку, напрямую преобразовывающую осмотическое давление в механическую работу, которая может быть использована для производства электрической энергии. Установка (рис. 5) содержит корпус 2,
разделенный полупроницаемой перегородкой 1 на пресный отсек 3, отдающий растворитель, и соленый отсек, принимающий растворитель. К данным отсекам трактами 7 и 5 подвода подключены соответственно источники раствора и растворителя, причем отсек раствора снабжен трактом 10 отвода отработанного раствора. Полупроницаемая перегородка выполнена в виде подвижного поршня, являющегося движущимся рабочим элементом силовой установки. Установка имеет простую конструкцию и позволяет осуществить прямое преобразование энергии осмоса.
Другой российский патент [7] содержит несколько вариантов производства электроэнергии посредством использования осмотического давления. Один из данных вариантов представлен на рис. 6.
Рис. 6. Осмотическая силовая установка (патент Яи 2176031 С2)
Рис. 6. Одна из схем выработки электрической энергии на осмотической станции, запатентованная в России (Яи 2613768 С2)
211
Группа изобретений, описываемых этим патентом, относится к области выработки электроэнергии по технологии ограниченного давлением осмоса в замкнутом контуре посредством последовательности с периодической загрузкой или посредством непрерывной последовательности с использованием двух секций. Одна из секций представляет собой вышедший из взаимодействия боковой трубопровод, в котором происходит замена разбавленного концентрата с высокой минерализацией (морской воды) на свежий раствор. Другая секция представляет собой устройство с замкнутым контуром с тремя соединенными параллельно модулями, куда непрерывно поступает раствор с низкой минерализацией (пресная вода) и где часть разбавленного концентрата с высокой минерализацией претерпевает рециркуляцию через модули.
Другая часть установки использована для выработки электроэнергии посредством турбины и трех электрогенераторов. Периодическое подключение бокового трубопровода с раствором с высокой минерализацией в замкнутый контур дают возможность замены сжатого разбавленного концентрата с высокой минерализацией на свежий раствор без остановки процесса выработки электроэнергии.
Осмотические электростанции способны работать круглосуточно, независимо от климатических условий, что выгодно отличает их от других видов альтернативных источников энергии, таких как ветряные, солнечные, приливные электростанции.
Если удастся решить проблему разработки высокоэффективных мембран для осмотических станций, то новый источник энергии займет важнейшее место в обеспечении электрической энергией районов мира, расположенных на морских побережьях.
Мировой резерв энергии осмоса огромен - ежегодный сброс пресных речных вод составляет более 3700 кубических километров. Если удастся использовать только 10 % этого объема, то можно вырабатывать более 1,5 ТВт/часов электрической энергии [4], т.е. около 50 % европейского потребления.
Список литературы
1. Хисматуллина И.З., Закирзаков А.Г. Перспективы развития осмотических электростанций // III Всероссийская научно-практическая конференция «Энергетика и энергосбережение: теория и практика», 2017. 4 с.
2. Волшаник В.В., Бабаев Б. Д. Потенциальная мощность осмотической электростанции Волга - Каспий // Гидротехническое строительство. 2014. № 9. С. 36.
3. Чаженгина Е.А., Ханина Е.Я. Коллигативные свойства растворов: / методические указания для студентов технических специальностей. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2017. 21 с.
4. Осмотическая электростанция: чистая энергия соленой воды [Электронный ресурс]. URL: http://electrik.info/main/fakty/699-osmotic heskaya- elektrostanciya-chistaya-energiya-solenoy-vody.html (дата обращения: 07.10.2019).
5. Санников В. Соленый киловатт: осмос // Популярная механика [Электронный ресурс]. URL: https://www.popmech.ru/technologies/11203-solenyy-kilovatt-osmos/#part1 (дата обращения: 21.10.2019).
6. Патент на изобретение «Осмотическая силовая установка». № RU 2176031 C2 МПК F03G 7/00(2001.11). F03B 17/00(2001.11).
7. Патент на изобретение «Устройство и способ выработки энергоэнергии посредством ограниченного давлением осмоса (варианты)» №RU 2613768 C2 МПК F04B 17/00(2017.03). F15B 15/18(2017.03). F03G 7/04(2017.03).
Котеленко Светлана Владимировна, канд. техн. наук, ассистент, S. V.Kuzmina@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Протасов Алексей Вадимович, студент, protasoffalexei@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
OSMOTIC POWER PLANTS
S. V. Kotelenko, A. V. Protasov
The advantages and disadvantages of osmotic power plants, their principle of operation, Russian patents related to the conversion of osmotic pressure into electrical energy are considered.
Key words: osmotic power plants, osmosis, alternative energy sources, hydroelectric power plant.
Kotelenko Svetlana Vladimirovna, candidate of technical sciences, assistant, S.V. Kuzmina@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protasov Alexey Vadimovich, student, _protasoffalexei@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
