|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 03/2008
Woda słodka + woda słona = energia
|
|
|
Autor: opr. red.
|
Data publikacji: 10.03.2008 17:52
|
Prąd z... osmozy.
Opracowano na podstawie materiałów firmy Statkraft
Gdy rzeka wpływa do morza i słodka woda miesza się ze słoną, wyzwalają się ogromne ilości energii. Energii powstającej przy mieszaniu wód o różnym zasoleniu nie sposób dostrzec gołym okiem, lecz ona rzeczywiście powstaje. Po raz pierwszy wykrył ją francuski fizyk Jean Nollet w 1784 roku, gdy umieścił świński pęcherz wypełniony winem w naczyniu z wodą. Ku jego zdziwieniu pęcherz zaczął pęcznieć i w końcu pękł. Stało się tak, ponieważ błona pęcherza przepuszcza wodę, zaś zatrzymuje wino. Wskutek różnicy stężeń wina po obu stronach, woda przenikała przez błonę, jednak zanim nastąpiło wyrównanie koncentracji, pęcherz pękł. W tym doświadczeniu energia osmotyczna uległa zamianie na energię mechaniczną cieczy, której ciśnienie wzrosło.
|
Takie procesy osmotyczne zachodzą nieustannie w mikroskali w organizmach żywych i ogólnie w przyrodzie. Chociaż naukowcy badają je od ponad 200 lat, dopiero w latach 70. XX wieku zaczęli przyglądać się im pod kątem przemian energii. Od tej pory trwa doskonalenie praktycznych sposobów utylizacji ogromnych zasobów energii utajonej w tym niepozornym zjawisku.
Pierwsze doświadczalne instalacje powstały w Norwegii (Sunndalsora i Trondheim). Badania finansowane ze środków unijnych są prowadzone w tym kraju przy ścisłej współpracy z producentami membran w Niemczech, Finlandii i Portugalii. Wyniki prób rokują duże nadzieje dla plastików polietylenowych jako najwłaściwszych materiałów do tych zastosowań. Od początku wiadomo było, że właśnie ten element instalacji stanowi klucz do doskonalenia rodzącej się technologii energetycznej. W trakcie dotychczasowych prób uzyskano wzrost wydajności energetycznej z 0.02 do 1.5 W/m2 (wata na metr kwadratowy powierzchni membrany), lecz dopiero po przekroczeniu poziomu 4-5 W/m2 będzie można rokować ostateczny sukces. Chociaż przed przemysłowym zastosowaniem technologii osmotycznych w energetyce jeszcze długa droga, norweski prekursor - energetyczny koncern Statkraft - wyraża niezachwianą wiarę w powodzenie przedsięwzięcia. Przemawia za nim ogromny norweski potencjał tej całkowicie odnawialnej energii – 25 TWh/rok czyli 20% obecnej rocznej produkcji energii elektrycznej w tym kraju. Jej utylizacja nie wywiera praktycznie żadnego istotnego wpływu na otoczenie (brak emisji CO2 oraz jakichkolwiek zanieczyszczeń). Przyszłe elektrownie osmotyczne będą odznaczać się wyjątkową elastycznością w zakresie lokalizacji i rozwiązań konstrukcyjnych. Siłownie te o stosunkowo niewielkiej kubaturze będzie można umieszczać również w istniejących budowlach, pod ziemią lub nawet pod wodą. Można je będzie „dostawiać” do innych elektrowni korzystając z ich infrastruktury drogowej i sieciowej, co pozwoli na znaczną redukcję nakładów inwestycyjnych. Następnym udogodnieniem będzie modułowa budowa instalacji, przyspieszająca montaż i obniżająca koszty eksploatacji oraz remontów. Czynniki te zapewnią minimalną ingerencję nowych elektrowni w środowisko naturalne. Ocenia się, że zakład o mocy 20-25 MW zajmie obszar nie przekraczający 2 ha. Szczególną zaletą energetyki osmotycznej ma być jej niezrównana dyspozycyjność sięgająca 8000 godzin w roku (8760 godzin). Takim wskaźnikiem nie może się pochwalić żadna ze stosowanych technologii wytwórczych – dla przykładu farmy wiatrowe pracują średnio do 4000 godzin rocznie.
Opracowano kilka koncepcji elektrowni wykorzystujących procesy osmozy; różnice polegają zarówno na sposobie przetwarzania energii tego zjawiska jak i na lokalizacji instalacji (naziemna, podziemna, podmorska). Jednak ich wspólną cechą jest fakt, iż proces ten nie jest bezpośrednim źródłem wytwórczym energii, lecz jedynie wymusza przepływ czynnika napędzającego turbiny.
Najbardziej perspektywiczną technologią dla elektrowni osmotycznych jest metoda PRO (Pressure Retarded Osmosis) wykorzystująca osmozę pokonującą nadciśnienie wody słonej. W tym przypadku używa się membran, które są znacznie bardziej przepuszczalne dla wody niż soli. Gdy słodka i słona woda (z mórz naszej szerokości geograficznej) są oddzielone taką membraną, naturalna osmoza wymusza przenikanie wody słodkiej do słonej, wskutek czego w tej komorze poziom może wzrosnąć nawet o 260 m (różnica ciśnień statycznych między komorami 26 bar). Natomiast możliwości śródlądowych jezior słonych są - z uwagi na wyższą zawartość soli - o wiele większe. Rekordową, bo aż 20-krotnie większą różnicę ciśnień można uzyskać w instalacji osmotycznej nad Morzem Martwym: 5000 metrów!!! W instalacji PRO uzyskuje się więc po stronie słonej wody znaczny wzrost energii potencjalnej wody; ten „darmowy” przyrost można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej przepuszczając wodę przez turbinę. Pierwsza przemysłowa elektrownia PRO powstanie w 2008 r. w fabryce papieru w Hurum koło Oslo. Instalacja o mocy 4 kW zostanie zbudowana przez Statkraft kosztem 18 mln USD. Niekwestionowany pionier i zarazem lider w wyścigu po tę nową technologię energetyczną, państwowy koncern Statkraft jest trzecim co do wielkości producentem energii elektrycznej w Skandynawii (42 TWh), a drugim w Europie wytwórcą energii ze źródeł odnawialnych. Firma licząca łącznie zaledwie 2100 pracowników jest właścicielem 133 elektrowni w Norwegii, 12 w Szwecji i 4 w Finlandii, przy czym w większości są to hydroelektrownie. Posiada także 4 farmy wiatrowe. Od 10 lat Statkraft systematycznie zwiększa nakłady na rozwój kolejnego segmentu „zielonej” energii czyli elektrowni osmotycznych zaliczanych do tzw. „niebieskiej” energetyki.
Oryginalnym pomysłem jest umieszczenie elektrowni osmotycznej na dnie morza. W instalacji o nazwie SHEOPP słodka woda spływa rurociągiem do turbiny, po opuszczeniu której praktycznie całkowicie rozprężona wpływa do zbiornika wyposażonego w półprzepuszczalną membranę oddzielającą od środowiska morskiego. Woda słodka przenika do morza wytwarzając w zbiorniku podciśnienie wspomagające (zasysające) dopływ słodkiej wody. Do oczyszczania membrany z osadów pozostawianych przez wodę słodką przewidziano pompę wody spłucznej. Instalacja SHEOPP ma osiągać maksymalną sprawność dla lokalizacji na głębokości około 110 m. W tych warunkach elektrownia powinna osiągać moc rzędu jednego megawata z jednego metra sześciennego wody słodkiej. Alternatywna wersja tej instalacji zakłada usytuowanie siłowni na odpowiedniej głębokości pod ziemią z doprowadzeniem wody słodkiej i słonej rurociągami. Z norweskich doświadczeń wynika, że dla utrzymania wymaganej sprawności membran konieczna będzie mechaniczna filtracja wody słodkiej dla ograniczenia wielkości zanieczyszczeń do 50 mikrometrów oraz systematyczne oczyszczanie przegród. Takie przygotowanie wody powinno zapewnić żywotność membran w przedziale 7-10 lat. Prognozowana cena energii elektrycznej wytwarzanej w przyszłych instalacjach typu PRO wyniesie 0,035 – 0,07 USD/kWh.
Już nawet przybliżone obliczenia wskazują na ogromny potencjał wytwórczy „niebieskiej energii”. Dla przykładu w Holandii rzeki niosą do morza ponad 3300 m3 wody na sekundę. Moc tej masy wód w razie jego utylizacji w elektrowniach osmotycznych o przykładowej różnicy poziomów 100 m wynosi w przybliżeniu m*g*h = 3300 000*10*100 W = 3300 MW, oczywiście przy założeniu pełnego wykorzystania zasobów wszystkich rzek. Natomiast łączne zasoby energii „osmotycznej” mórz i oceanów całego świata określono na poziomie 2,6 TW czyli 2,6 miliona megawatów.
Inna metoda bezpośredniej konwersji energii zjawiska osmozy na elektryczną czyli technologia RED (Reverse ElectroDialysis) polega na wykorzystaniu ruchu jonów o różnoimiennych ładunkach przez półprzepuszczalne membrany do elektrod, między którymi powstaje napięcie. Metoda ta wymaga doprowadzenia wody słodkiej i osobno słonej do komór oddzielonych wspomnianymi membranami. Aniony sodu wędrują na zasadzie naturalnej dyfuzji w stronę elektrody ujemnej, zaś kationy chloru w kierunku elektrody dodatniej. Na każdej membranie powstaje napięcie elektrochemiczne około 80 miliwoltów; suma napięć tych szeregowo połączonych miniogniw daje wypadkowe napięcie między elektrodami tej swoistej baterii elektrochemicznej. Moduł takich baterii o mocy 250 kW posiadałby gabaryty okrętowego kontenera. Kluczem do realizacji tej koncepcji jest dostępność odpowiednich jonowo-selektywnych membran ułatwiających migrację poszczególnych jonów w wybranym kierunku. Instalację RED testowano już m.in. we Władywostoku, gdzie bateria o napięciu 4 V wydawała średnio 0,15 kWh/m3 wody słodkiej. Próbna instalacja realizująca tę technologię o mocy 50 kW ma powstać wkrótce w Harlingen (Holandia), następną elektrownię RED w tym kraju planuje się zlokalizować w Afsluitdijk. Testowanie obu instalacji wyznaczono na lata 2008 - 2010. Następnie moc tej drugiej siłowni ma wzrosnąć do 1000 kW, a docelowo powinna osiągnąć imponujący poziom 200 MW.
Zamiast podsumowania podajmy skróconą historię rozwoju badań nad wykorzystaniem zjawiska osmozy w energetyce.
1973 – Sidney Loeb odkrywa metodę PRO
1973- 1997 – doskonalenie produkcji membran dla technologii osmotycznych
1997 – Statkraft rozpoczyna badania energetycznej utylizacji osmozy
2003 – uruchomienie pierwszej w świecie pilotażowej instalacji PRO
2004 – uzyskanie półprzepuszczalnych membran dla PRO w ramach projektu finansowanego przez UE
2008 – planowane uruchomienie pierwszej elektrowni osmotycznej w Hurum (Norwegia) i pierwszych elektrowni RED w Holandii.
Jeśli przyjęte plany rozwoju technologii osmotycznych dla energetyki będą realizowane, to do powyższego zestawienia zostaną wkrótce dopisane nowe kamienie milowe, a ludzkość zyska nowe, niewyczerpalne źródło energii.
|
|
|
|
