Открыт новый источник чистой энергии с огромным потенциалом

Новый источник чистой энергии открыли ученые Лаборатории нанобиологии Политехнической школы Лозанны — осмотический. Энергия производится при контакте пресной воды с соленой через мембрану толщиной в три атома, в которой и заключается главная инновация. Материал об открытии опубликован в журнале Nature. Идея очень проста: полупроницаемая мембрана отделяет две жидкости с различной концентрацией солей. Ионы соли проходят сквозь мембрану, пока концентрация соли не достигнет равновесия. Этот феномен называется осмосом. А поскольку ион это просто атом с электрическим зарядом, при движении ионов соли может вырабатываться электричество.

Система, изобретенная учеными Лозанны, состоит из двух емкостей с водой, разделенных мембраной из дисульфида молибдена. В мембране есть мельчайшие отверстия, нанопоры, через которые проходят ионы соли. В этот момент электроны ионов переносятся на электрод, который потом используется для выработки электроэнергии.

Стоимость чистой энергетики сократится на 59% к 2025 году

Согласно новому отчету Международного агентства возобновляемой энергетики (IRENA), средняя стоимость ветряной и солнечной энергии к 2025 году сократится на 26-59%. Однако чтобы добиться таких показателей, понадобится ввести новые правила регулирования.

Авторы отчета отмечают, что технологические инновации, рост конкуренции и экономия за счет роста производства приведут к повсеместному удешевлению возобновляемых источников энергии. Траты на солнечные установки на фотоэлектрических элементах сократятся на 59%, а на концентрированные солнечные установки — на 43%. Прибрежные ветрогенераторы будут обходиться на 35% дешевле, а обычные — на 26%.

Согласно отчету IRENA, к 2025 году стоимость электричества от солнечных источников составит от 5 до 6 центов за кВт/ч. Средняя цена на солнечную энергию от коммунальных предприятий в США уже упала до 5 центов за кВт/ч. Об этом сообщает отчет Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли.

«Учитывая, что солнечные и ветряные установки уже являются самыми дешевыми источниками энергии на рынке разных стран, снижение цен на их эксплуатацию сделает тенденцию повсеместной и позволит перейти с ископаемых источников на возобновляемые ресурсы», — отметил генеральный директор IRENA Аднан Амин.

Потенциал такой системы огромен. Согласно расчетам ученых, мембрана площадью 1 кв. м, 30% которой покрыто нанопорами, сможет производить 1 МВт электричества, достаточно, чтобы подключить 50 000 обычных энергосберегающих лампочек. А поскольку дисульфид молибдена часто встречается в природе, всю систему нетрудно увеличить до промышленных масштабов.

Осмотическая электростанция: чистая энергия соленой воды

Многие ли знают, за счет каких процессов соки в деревьях поднимаются на значительную высоту? Для секвойи она составляет более 100 метров. Происходит эта транспортировка соков в зону фотосинтеза за счет работы физического эффекта – осмоса. Заключается он в простом явлении: в двух растворах разной концентрации, помещенных в сосуд с полупроницаемой (проницаемой только для молекул растворителя) мембраной, спустя некоторое время появляется разность уровней. В дословном переводе с греческого языка осмос – это толчок, давление.

А теперь от живой природы вернемся к технике. Если в сосуд с перегородкой поместить морскую и пресную воду, то за счет разной концентрации растворенных солей появляется осмотическое давление и уровень морской воды поднимется. Молекулы воды перемещаются из зоны высокой их концентрации в зону раствора, где примесей больше, а молекул воды меньше.

Перепад в уровнях воды дальше используется обычным образом: это знакомая работа гидроэлектростанций. Вопрос только состоит в том,насколько эффект осмоса пригоден для промышленного применения? Расчеты показывают, что при солености морской воды 35 г/литр за счет явления осмоса создается перепад давления 2 389 464 Паскаля или около 24 атмосфер. На практике это эквивалентно плотине высотой 240 метров.

Но кроме давления еще очень важной характеристикой является селективность мембран и их проницаемость. Ведь турбины вырабатывают энергию не от перепада давления, а благодаря расходу воды. Вот здесь, до недавнего времени, существовали очень серьезные трудности. Подходящая осмотическая мембрана должна выдерживать давление, превышающее в 20 раз давление в привычном водопроводе. При этом иметь высокую пористость, но задерживать молекулы солей. Сочетание противоречивых требований долго не позволяло использовать осмос в промышленных целях.

При решении задач опреснения воды была изобретена мембрана Лоэба, которая выдерживала колоссальное давление и задерживала минеральные соли и частицы до 5 микрон. Применить мембраны Лоэба для прямого осмоса (выработки электроэнергии) долго не удавалось, т.к. они были чрезвычайно дороги, капризны в эксплуатации и обладали низкой проницаемостью.

Прорыв в использовании осмотических мембран наступил в конце 80-х годов, когда норвежские ученые Хольт и Торсен предложили использовать модифицированную полиэтиленовую пленку на керамической основе. Совершенствование структуры дешевого полиэтилена позволило создать конструкцию спиральных мембран, пригодных для использования в производстве осмотической энергии. Для проверки технологии получения энергии от эффекта осмоса в 2009 году была построена и запущена первая в мире экспериментальная осмотическая электростанция.

Норвежская энергетическая компания Statkraft, получив государственный грант, и затратив более 20 млн. долларов, стала пионером в новом виде энергетики. Построенная осмотическая электростанция вырабатывает около 4 кВт мощности, которой хватает для работы … двух электрических чайников. Но цели постройки станции гораздо серьезней: ведь отработка технологии и испытание в реальных условиях материалов для мембран открывают путь к созданию значительно более мощных сооружений.

Коммерческая привлекательность станций начинается с эффективности съема мощности более 5 Вт с квадратного метра мембран. На норвежской станции в Тофте это значение едва превышает 1 Вт/м2. Но уже сегодня испытываются мембраны с эффективностью 2,4 Вт/м2, а к 2015 году ожидается достижение рентабельного значения 5 Вт/м2.

Осмотическая электростанция в Тофте
Турбина на электростанции
Модули с мембранами на электростанции

 Осмотическая электростанция в Тофте

Но есть обнадеживающая информация из исследовательского центра Франции. Работая с материалами на основе углеродных нанотрубок, ученые получили на образцах эффективность отбора энергии осмоса около 4000 Вт/м2. А это уже не просто рентабельно, а превышает эффективность практически всех традиционных источников энергии.

Еще более впечатляющие 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. В гонку по созданию мембран высокой эффективности включились ведущие корпорации Японии и Америки.

Если удастся в течении ближайшего десятилетия решить проблему мембран для осмотических станций, то новый источник энергии займет ведущее место в обеспечении человечества экологически чистыми энергоносителями. В отличие от энергии ветра и солнца, установки прямого осмоса могут работать круглые сутки и не зависят от погодных условий.

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 1,5ТВт/часов электрической энергии, т.е. около 50% европейского потребления.

Но не только этот источник может помочь решить энергетическую проблему. При наличии высокоэффективных мембран можно использовать энергию глубин океана. Дело в том, что соленость воды зависит от температуры, а она на разных глубинах разная.

Используя температурные градиенты солености, можно не привязываться к устьям рек в строительстве станций, а просто размещать их в акватории океанов. Но это уже задача отдаленного будущего. Хотя практика показывает, что делать прогнозы в технике – это неблагодарное занятие. И будущее уже завтра может постучаться в нашу действительность.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *