Принцип работы и потенциал солевых станций
В основу солевой генерации положен естественный процесс, называемый осмосом. Он широко представлен в природе, как в живой, так и в неживой. В частности, за счёт осмотического давления соки в деревьях в ходе обмена веществ преодолевают значительное расстояние от корней до вершины, поднимаясь на внушительную высоту — к примеру, для секвойи она составляет порядка сотни метров. Аналогичное явление — осмос — присуще водным объектам и проявляется в перемещении молекул. Движение частиц осуществляется из зоны с большим количеством молекул воды в среду с солевыми примесями.
Перепады солёности возможны в ряде случаев, в том числе при контакте моря или озёр с более пресными водами — реками, лиманами и лагунами у побережья. Кроме того, соседство солёных и пресных вод возможно в регионах с засушливым климатом, в районах расположения подземных солевых месторождений, соляных куполов, а также под морским дном. Разница в солёности сообщающихся масс воды может возникать искусственным путём — в испарительных водоёмах, солнечных стратифицированных прудах, в растворах сбросов химической промышленности и в водных ёмкостях энергетических объектов, в том числе АЭС.
Движение ионов, как и любая природная сила, может быть использовано для выработки энергии. Классический принцип солевой генерации предусматривает обустройство проницаемой для ионов мембраны между пресным и солёным растворами. При этом частицы пресного раствора будут переходить через мембрану, давление солёной жидкости повышается и компенсирует осмотические силы. Так как в природе поступление пресной воды в реках постоянно, то движение ионов будет стабильным, поскольку разница давлений не изменится. Последняя приводит в действие гидротурбины генераторов и производит таким образом энергию.
Возможности выработки энергии зависят прежде всего от показателей солёности воды, а также от уровня её расхода в речном потоке. Усреднённая отметка солёности Мирового океана составляет 35 килограммов на кубометр воды. Осмотическое давление при таком показателе достигает 24 атмосферы, что эквивалентно силе падения воды с высоты плотины в 240 метров. Совокупный сброс воды из пресных водоёмов в моря составляет 3,7 тыс. кубических километров в год. Если применить для генерации 10% потенциала крупнейших рек Евросоюза — Вислы, Рейна и Дуная, то выработанный объём энергии превысит среднее потребление в Европе втрое.
Ещё немного впечатляющих цифр: при обустройстве электростанций в зоне впадения Волги в Каспий можно будет произвести за год 15 ТВт⋅ч энергии. Генерация 10 ТВт⋅ч и 12 ТВт⋅ч энергии вполне возможна в районах слияния Днепр-Чёрное море и Амур-Татарский пролив соответственно. По мнению специалистов норвежской компании Statkraft, суммарный потенциал солевой энергетики достигает 0,7–1,7 тыс. ТВт⋅ч или 10% от мировых потребностей. По самым оптимистичным оценкам экспертов, максимальное задействование возможностей использования солёности воды позволит получить больше электроэнергии, чем человечество потребляет в настоящее время.
Европа: реализованные проекты
Первые попытки учёных добиться выработки электроэнергии путём создания осмотического давления, которое было бы способно приводить в движение турбины генераторов, относятся к семидесятым годам двадцатого века. Уже тогда было предложено задействовать в качестве основного компонента генерирующей установки нового типа полупроницаемую мембрану, неприступную для обратного хода солей, но вполне свободно пропускающую молекулы воды.
Первые разработки вряд ли можно было назвать удачными — мембраны не обеспечивали достаточно мощного потока. Требовались материалы, которые выдерживали бы давление в два десятка раз большее, чем в водопроводных сетях, и при этом имели бы пористую структуру. Прогресс в разработках наметился в середине восьмидесятых годов, после того, как в норвежской компании SINTEF создали дешёвый модифицированный полиэтилен на основе керамики.
После получения новой технологии норвежцы фактически открыли путь к практической реализации проектов солевой генерации. В 2001 году правительство страны выделило компании Statkraft грант на постройку экспериментальной осмотической установки с совокупной площадью мембран в 200 квадратных метров. На возведение станции ушло около $20 млн. Объект построили в городе Тофте (расположен в коммуне Хурум). Базой для строительства послужила инфраструктура бумажного комбината Södra Cell Tofte.
Бумажный комбинат Södra Cell Tofte с экспериментальной установкой
Мощность генератора оказалась более чем скромной — станция производит максимум 4 кВт энергии, чего достаточно лишь для работы двух электрочайников. В перспективе планируется нарастить мощностной показатель до 10 кВт. Тем не менее, следует помнить, что пилотный проект был запущен в качестве эксперимента и предназначался прежде всего для отработки технологий и проверки теоретических выкладок на практике. Предполагается, что станция может быть переведена на коммерческий режим эксплуатации, если эксперимент признают удачным. Рентабельная мощность генератора при этом должна быть повышена до 5 Вт из расчёта на квадратный метр площади мембран, сейчас же этот показатель для норвежской станции — не более 1 Вт на квадратный метр.
Экспериментальная осмотическая установка
Следующим этапом развития солевой генерации на мембранных технологиях стал запуск в 2014 году электростанции в нидерландском Афслёйтдейке. Начальная мощность объекта составила 50 кВт, по непроверенным данным, она может быть наращена до десятков мегаватт. Станция, построенная у побережья Северного моря, в случае развития проекта сможет удовлетворять потребности в энергии 200 тыс. домохозяйств, рассчитали в компании Fudji, выступившей в роли поставщика мембран.
Россия и Япония как перспективные территории
Если говорить о том, в каких регионах мира появятся следующие станции, то больше всего перспектив у такого вида энергетики в Японии. Это связано в первую очередь с налаженным производством необходимых компонентов — компании страны выпускают 70% от мирового объёма осмотических мембран. Вероятно, сработает и географический фактор —специалисты Токийского технического института пришли к выводу о том, что Япония обладает большим потенциалом для развития солевой энергетики. Острова страны со всех сторон окружены океаническими водами, в которые впадает большое количество рек. Задействование осмотических станций даст возможность получать 5 ГВт энергии, что эквивалентно выработке нескольких АЭС, большая часть которых в японском регионе была закрыта после фукусимской катастрофы.
Осмотические мембраны
Не менее привлекательной для развития данного сегмента является и российская территория. По мнению отечественных специалистов, строительство осмотической станции в зоне впадения Волги в Каспийское море может быть вполне реализуемым проектом. Уровень расхода воды в устье реки составляет 7,71 тыс. кубометров в секунду, при этом потенциальная мощность солевой генерации будет колебаться в пределах 2,83 ГВт. Мощность станции, использующей 10% речного стока, составит 290 МВт. Впрочем, развитая хозяйственная деятельность в регионе, обилие фауны и флоры в дельте Волги в некоторой степени осложнит проект строительства станции — потребуется возведение ряда инженерных сооружений, каналов для пропуска рыбы и водоразделов.
Кроме того, в качестве одной из перспективных площадок для внедрения генерации осмоса выступает Крым. Хотя совокупный потенциал рек полуострова невысок, всё же он мог бы удовлетворить энергетические потребности отдельных объектов, к примеру, гостиниц. Специалисты чисто гипотетически рассматривают даже возможность использования канализационных стоков в Крыму в качестве пресного источника для осмотических станций. Объём стоков, которые сейчас сбрасываются в морскую акваторию, в летний период в регионе может превышать интенсивность потока отдельных рек. Тем не менее, в данном случае особо острым становится вопрос технологии эффективной очистки оборудования от загрязнений.
С другой стороны, несмотря на благоприятные географические условия и возможность широкого выбора для размещения генерирующих объектов, системные разработки по данным вопросам в России пока не ведутся. Хотя, по некоторым данным, в 1990 году на базе научной группы Дальневосточного научного центра Академии наук СССР проводилось изучение возможности развития солевой энергетики вплоть до состоявшихся лабораторных опытов, однако результаты этой работы остались неизвестны. Для сравнения — в той же Европе исследования в области создания осмотических станций резко активизировались под давлением экологических организаций ещё с начала девяностых годов. К этой работе в ЕС активно привлекаются всевозможные стартапы, практикуются государственные дотации и гранты.
Пути дальнейшего развития технологий
Наиболее перспективные исследования в отрасли солевой энергетики направлены в основном на повышение эффективности производства энергии с применением упомянутой мембранной технологии. Французским исследователям, в частности, удалось увеличить показатель выработки энергии до уровня 4 кВт на квадратный метр мембраны, что уже вплотную приблизило к реальности вероятность перевода станций на коммерческую основу. Ещё дальше пошли учёные из США и Японии — они сумели применить в мембранной структуре технологию графеновых плёнок. Высокая степень проницаемости достигнута за счёт сверхмалой толщины мембраны, которая не превышает величину атома. Предполагается, что с использованием графеновых мембран выработку энергии на квадратный метр из поверхности можно будет нарастить до 10 кВт.
Группа специалистов из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) занялась исследованием возможности эффективного захвата заряда энергии сторонним путём — без применения турбин генераторов, а непосредственно в процессе прохождения ионов через мембраны. Для этого они использовали в тестовых установках пластины из дисульфида молибдена толщиной в три атома. Данный материал является сравнительно дешёвым, а количество его запасов в природе достаточно велико.
В пластинах делаются микроотверстия для прохождения заряженных частиц солей, которые в процессе движения генерируют энергию. Одна такая пора мембраны может давать до 20 нановатт. По данным Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, мембраны такого типа с площадью в 0,3 квадратных метра вырабатывают порядка мегаватта энергии. Очевидно, что такой показатель в случае успешных экспериментов можно будет считать настоящим прорывом в отрасли. К настоящему же времени исследования находятся на начальном этапе, учёные уже столкнулись с первой проблемой — они пока не в состоянии сделать большое количество равномерно расположенных наноотверстий в мембранах.
В США, Израиле и Швеции тем временем разрабатываются способы получения энергии путём обратного электродиализа — одной из разновидностей мембранной технологии. Данная методика, предусматривающая применение мембран ионоселективного типа, позволяет реализовать схему прямого преобразования солёности воды в электроэнергию. В роли номинального элемента генерации выступает электродиализная батарея, состоящая из электродов и помещённых между ними нескольких мембран, предназначенных отдельно для обеспечения обмена катионов и анионов.
Схема обратного электродиализа
Мембраны образуют несколько камер, в которые поступают растворы с разной степенью насыщенности солями. При прохождении ионов между пластинами в определённом направлении на электродах накапливается электроэнергия. Возможно, с применением самых новых мембранных технологий эффективность таких установок будет высокой. Пока же эксперименты с созданием установок схожей конструкции — с диалитическими батареями — не показали впечатляющих результатов. В частности, применение катионных и анионных мембран даёт всего лишь 0,33 ватта на квадратный метр мембран. Последние же достаточно дороги и недолговечны.
В целом мембранные технологии не осваиваются с нуля — принципиально такие конструкции похожи на пластины, применяемые в установках для опреснения воды, однако при этом они гораздо тоньше и сложнее в производстве. Компании-лидеры выпуска опреснительных мембран, в том числе General Electric, пока не берутся за поставки пластин для осмотических станций. По данным пресс-службы корпорации, к налаживанию производства мембран для энергетики она приступит не ранее, чем через пять или десять лет.
На фоне сложностей с развитием традиционных мембранных технологий ряд исследователей посвятили свою деятельность поиску альтернативных способов солевой генерации. Так, физик Дориано Броджоли из Италии предложил использовать солёность воды для извлечения энергии при помощи ионистора — конденсатора с большой ёмкостью. Накопление энергии происходит на электродах из активированного угля в процессе последовательного поступления в одну и ту же камеру пресной и солёной воды. Учёному в ходе практического эксперимента удалось сгенерировать за один цикл наполнения резервуара 5 микроджоулей энергии. Потенциал своей установки он оценил гораздо выше — до 1,6 килоджоуля на один литр пресной воды при условии использования ионисторов более высокой ёмкости, что вполне сопоставимо с мембранными генераторами.
Схожим путём пошли американские специалисты из Стэнфордского университета. Конструкция их батарей предусматривает заполнение камеры батареи пресной водой с дальнейшей небольшой подзарядкой из внешнего источника. После смены пресной на морскую воду за счёт возрастания количества ионов в десятки раз электрический потенциал между электродами повышается, что приводит к выработке большего количества энергии, чем потраченное на подзарядку батареи.
Совсем другой принцип использования солёности воды является достаточно сложным в реализации, однако он уже опробован на макетах генерирующих установок. Он предусматривает использование разницы давлений насыщенных паров над водными объектами с солёной и пресной водой. Дело в том, что с наращиванием степени солёности воды давление пара над её поверхностью снижается. Разницу давления можно использовать для выработки энергии.
При задействовании микротурбин можно добиться получения до 10 ватт энергии с каждого квадратного метра теплообменника, однако для этого требуются только водные объекты с высокой степенью солёности — к примеру, Красное или Мёртвое моря. Кроме того, технология предусматривает необходимость поддержания низкого, близкого к вакууму, атмосферного давления внутри установки, обеспечение чего в условиях нахождения генератора в открытой акватории является проблематичным.
Энергия из соли: плюсов больше
В сфере солевой генерации, как и в других энергетических отраслях, приоритетным стимулом развития является экономический фактор. В этом плане солевая энергетика выглядит более чем привлекательной. Так, по мнению специалистов, при условии усовершенствования существующих технологий производства энергии с использованием мембран, себестоимость выработки составит €0,08 за 1 кВт — даже при отсутствии субсидирования генерирующих компаний.
Для сравнения, себестоимость производства энергии на ветряных станциях в европейских странах составляет от €0,1 до €0,2 за киловатт. Угольная генерация обходится дешевле — в €0,06–0,08, газоугольная — €0,08–0,1, однако следует учесть, что тепловые станции загрязняют атмосферный воздух. Таким образом, в ценовом сегменте осмотические станции имеют явное преимущество перед остальными видами альтернативной энергетики. В отличие от ветряных и солнечных станций, солевые генераторы более эффективны и технически — их работа не зависит от времени суток и сезона, а уровень солёности воды — практически постоянен.
Строительство осмотических станций, в противовес ГЭС и иным типам станций на водных объектах, не требует затрат на возведение специальных гидротехнических сооружений. В других видах морской энергетики ситуация обстоит хуже. Пронедра писали ранее, что строительство приливных станций требует возведения масштабной и сложной инфраструктуры. Напомним, аналогичные проблемы касаются объектов энергетики, работающих на силе океанических течений и морских волн.
Как одно из направлений альтернативной энергетики, солевой генерации характерен «экологический плюс» — работа осмотических станций абсолютно безопасна для окружающей среды, она не нарушает естественный баланс живой природы. Процесс генерации энергии из солёности воды не сопровождается шумовыми эффектами. Для запуска станций не приходится изменять ландшафт. У них нет выбросов, отходов или каких-то испарений, в связи с чем такие станции могут устанавливаться в том числе непосредственно в городах. Станции всего лишь используют для выработки энергии обычные природные процессы опреснения солёной воды в устьях рек и никак не влияют на их ход.
Несмотря на ряд очевидных преимуществ, солевая энергетика имеет и определённые недостатки, связанные в первую очередь с несовершенством имеющихся технологий. Кроме упомянутых выше проблем с созданием высокопродуктивных надёжных и при этом недорогих мембран, остро стоит вопрос о разработке эффективных фильтров, поскольку поступающая на осмотическую электростанцию вода должна тщательно очищаться от органики, забивающей каналы, предназначенные для прохождения ионов.
К недостаткам станций можно отнести и географическую ограниченность возможности их применения — такие генераторы устанавливаются только на границах пресных и солёных водоёмов, то есть в устьях рек, или на солёных озёрах. Тем не менее, даже при имеющихся недостатках и на фоне своих огромных преимуществ, и при условии преодоления проблем технологического плана, солевая энергетика, бесспорно, получает большие шансы занять одну из ключевых позиций на мировом рынке генерации.
пронедра.ру
