Солоний кіловат: осмос
В один прекрасний день 1747 французький абат Нолле злив недопиту напередодні бордо в свинячий сечовий міхур, доставлений з кухні, і занурив його в бочку з водою. Через 262 роки, 24 листопада 2009-го, норвезька кронпринцеса Метте-Маріт пригубила келих з шампанським. Як же пов'язані ці дві події? І Нолл, і принцеса здійснили видатні відкриття. Абат першим в світі зумів описати феномен осмосу і базові властивості мембрани, а Метте-Маріт, розрізавши символічну стрічку, відкрила першу в світі осмотичну електростанцію Statcraft в Тофте.
Про те, чим насправді наповнив увійшов в історію свинячий міхур абат, а за сумісництвом великий фізик-експериментатор Жан-Антуан Нолле, можна дискутувати. Але наявність води в обох судинах (міхурі і бочці) незаперечно. Різниця полягає лише в концентрації розчиненого в ній спирту. Саме ця різниця дала поштовх дифузії води через напівпроникну мембрану з барильця в міхур. По тому, як роздувся міхур, можна було зрозуміти, що явище це породжує дуже велику односпрямовану силу, яку Нолле назвав осмотичним тиском. А осмос він визначив як процес дифузії розчинника з менш концентрованого розчину в більш концентрований.
В наші дні норвезька компанія Statcraft, лідер європейського ринку екологічно чистої енергетики, знайшла спосіб перетворити це тиск в електрику. Нова технологія - єдина, здатна витягувати джоулі з природною різниці вмісту мінеральних солей в прісній і морській воді, а не з кінетичної енергії їх руху. За оцінками норвежців, світові ресурси відновлюваної осмотичної енергії складають від 1,6 до 1,7 терават - приблизно стільки ж в 2004 році було потрібно мільярдного Китаю! На відміну від примхливого вітру, прибою і сонця, процеси осмосу не зупиняються ні на секунду 24 години на добу круглий рік.
Для роботи осмотической електростанції не потрібні спеціальні інженерні споруди: печі, реактори, греблі, градирні. Перша в світі електростанція на осмосі розташувалася в порожньому складі деревопереробного заводу.
випити море
Взагалі-то явище осмосу використовується в промислових масштабах вже більше 40 років. Тільки це не класичний прямий осмос абата Нолле, а так званий зворотний осмос - штучний процес проникнення розчинника з концентрованого в розбавлений розчин під дією тиску, що перевищує природне осмотичний тиск. Така технологія застосовується в опріснювальних і очисних установках з початку 1970-х. Солона морська вода нагнітається на спеціальну мембрану і, проходячи через її пори, позбавляється значної частки мінеральних солей, а заодно бактерій і навіть вірусів. Для прокачування солоної або забрудненої води доводиться витрачати великі обсяги енергії, але це того варте - на планеті існує безліч регіонів, де дефіцит питної води є найгострішою проблемою.
Теоретичні розробки в цій області з'явилися ще на початку ХХ століття, але для їх реалізації не вистачало головного - підходящої осмотической мембрани. Така мембрана повинна була витримувати тиск, в 20 разів перевищує тиск звичайного побутового водопроводу, і мати надзвичайно високу пористість. Створення матеріалів з подібними властивостями стало можливим після Другої світової, коли накопичений в ході військових проектів науковий потенціал дав поштовх розвитку технологій виробництва синтетичних полімерів.
Принципова схема Важко повірити, що одна лише різниця в концентрації двох розчинів здатна створити серйозну силу, проте це дійсно так: осмотичний тиск може підняти рівень морської води на 120 м.
Найбільш значний прорив в цій області стався в 1959 році. Сідней Лоеб і Шрініваса Суранджан з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі розробили спіральну анізотропну мембрану, здатну витримувати величезний тиск, ефективно затримувати мінеральні солі і механічні частинки розміром до 5 мкм і головне - володіє високою пропускною здатністю при мінімальних розмірах. Винахід Лоеба і Суранджана зробило осмотичний опріснення економічно вигідним бізнесом. На початку 1960-х в каліфорнійській Коалинге Лоеб побудував першу в світі опріснювальну станцію на ефекті PRO (Pressure retarded osmosis), а потім перебрався до Ізраїлю, де на кошти ЮНЕСКО продовжив свої дослідження. За участю Лоеба в 1967 році в містечку Йотвата була побудована опреснительная установка потужністю 150 м³ на добу, яка виробляла чисту питну воду з підземного озера з солоністю, десятикратно перевищувала морську. Ще через три роки технологія PRO була захищена американським патентом.
Осмос і космос
Мембранна лабораторія в Центрі NASA ім. Еймса вже багато років поспіль займається вирішенням проблеми забезпечення мешканців космічних станцій питною водою. Вчені розробили технологію DOC, що комбінує два різноспрямовані процеси - прямий і зворотний осмос. При зворотного осмосу мембрана працює як фільтр тонкого очищення і вимагає великих витрат енергії. Прямий осмос, навпаки, робить її. Кожен з цих процесів окремо позбавляє водні розчини переважної кількості домішок. В результаті виходить так звана сіра вода, яку можна використовувати для гігієнічних цілей. Для того щоб зробити з сірої води питну, розчин проходить етап мембранної очистки без додаткового нагрівання і далі очищення від бактерій і вірусів в підсистемі каталітичного окислення. Балансова енергоємність DOC досить низька для застосування в космосі.
Оригінальний спосіб очищення води для космічних станцій представила американська компанія Osmotek. Для збору продуктів життєдіяльності вона пропонує використовувати мембранні пакети на зразок чайних із які в них активованим вугіллям. Мембрана пропускає назовні лише воду з незначною кількістю забруднень. Цей первинний розчин потім потрапляє в мембранну камеру зі спеціальним концентрованим субстратом в іншій частині. Що виникає явище прямого осмосу завершує процес.
Компанія Oasys обіцяє знизити витрату енергії осмотических опріснювальних установок ні багато ні мало в десять разів. Правда, в даному випадку мова йде не про зворотне, а про пряме осмосі. І не простому, а модифікованому. Його суть полягає в наявності на відповідь стороні звичайної PRO-мембрани патентованого витягує розчину з високим вмістом аміаку, двоокису вуглецю та інших хімікатів. При контакті двох розчинів виникає явище осмосу і відбувається очищення вихідної сировини від домішок. Родзинка методики Oasys в тому, що потік чистої прісної води не змішується з витягають розчином.
Досліди по перетворенню осмотичного тиску в електричну енергію з використанням мембран Лоеба-Суранджана проводилися різними науковими групами і компаніями з початку 1970-х. Принципова схема цього процесу була очевидною: потік прісної (річковий) води, що проникає крізь пори мембрани, нарощує тиск в резервуарі з морською водою, тим самим дозволяючи розкручувати турбіну. Потім відпрацьована солонувата вода викидається в море. Проблема була лише в тому, що класичні мембрани для PRO були занадто дорогі, примхливі і не забезпечували необхідної потужності потоку. З мертвої точки справа зрушила в кінці 1980-х, коли за вирішення завдання взялися норвезькі хіміки Торлейф Хольт і Тор Торсен з інституту SINTEF.
космічний розмах
Мембрани Лоеба вимагали клінічної чистоти для підтримки максимальної продуктивності. Конструкція мембранного модуля опріснювальної станції передбачала обов'язкову наявність первинного фільтра грубої очистки і потужного насоса, збиває сміття з робочої поверхні мембрани.
Хольт і Торсен, проаналізувавши характеристики більшості перспективних матеріалів, зупинили свій вибір на недорогому модифікованому поліетилені. Їх публікації в наукових журналах привернули увагу фахівців з Statcraft, і норвезьких хіміків запросили продовжити роботу під заступництвом енергетичної компанії. У 2001 році мембранна програма Statcraft отримала державний грант. На отримані кошти була побудована експериментальна осмотична установка в Сунндальсьоре для тестування зразків мембран і обкатки технології в цілому. Площа активної поверхні в ній була трохи вище 200 м².
Чи не стінка, а шпалери На схематичних зображеннях осмотичну мембрану малюють у вигляді стінки. Насправді вона являє собою рулон, укладений в циліндричний корпус. У його багатошаровій структурі чергуються шари прісної і солоної води. Поперечний розріз демонструє, як організовані потоки води всередині осмотичного циліндра. Чим більше таких модулів встановлять на станції, тим більше енергії вона зможе виробляти.
Для прискорення процесу в команду були запрошені інженери зі спеціалізованої мембранної лабораторії NASA. Справа в тому, що ще з часів підготовки до місячній програмі Apollo при Центрі NASA ім. Еймса проводилися глибокі дослідження технологій опріснення та очищення водних розчинів. Досвід американців виявився до речі, і до 2008 року у Statcraft з'явилися перші зразки спіральних поліамідних мебран для майбутніх осмотичних електростанцій. Їх продуктивність склала 1 Вт на 1 м² при дифузії 10 л прісної води в секунду під тиском 10 бар.
На станції в Тофте працюють саме такі мембранні модулі загальної площею 2000 м². Для вироблення 4кВт цього цілком достатньо, але для повноцінної 25-мегаватної станції треба було б аж 5 млн квадратів. Зрозуміло, мембрани для осмотических електростанцій повинні бути набагато ефективніше нинішніх. Стайн Ерік Скіллхаген, віце-президент Statcraft, який курує програму, стверджує, що зараз компанія тестує спіральні зразки з порожнистих волокон продуктивністю 3 Вт / м2, а до 2015 року з'являться плоскі 5-ватні мембрани. Крім того, норвежці уважно вивчають сторонні розробки в цій області і активно співпрацюють з фахівцями з General Electric, Hydranautics, Dow і японської Toray.
Голландська батарейка У Голландії кожну секунду в солоне море падає 3300 кубометрів річкової води. Вчені підрахували, що її сумарний енергетичний потенціал становить 4,5 * 109 Вт. Дослідники з KEMA також мають намір виловити хоча б частину енергії з цієї бездонної бочки, але без зайвої, на їхню думку, механіки. І така можливість існує. Поки - у вигляді експериментальної установки зворотного електродіаліз RED (reverse electrodialysis). У ній також використовуються морська і прісна вода, розділені напівпроникними межами. Ось тільки мембран тут дві, і вони виконують роль електродів. Адже RED - це батарея, яка працює завдяки різниці в концентраціях іонів в двох середовищах. Ця різниця і створює слабке напруга на поверхні анодної і катодної мембран. Якщо з них зібрати пакет, то вольтаж вийде вельми відчутним. Наприклад, батарейка розміром із стандартний морський контейнер видає майже 250 кВт. KEMA з 2006 року експлуатує маленьку 50-кіловатний установку в Харлінгені. На ній тестуються способи очищення та запобігання забрудненню мембран біоматеріалом. Клінічна чистота - критично важливий фактор ефективної роботи системи.
До речі, мембрана для прямого осмосу - це не тонка стінка, яку малюють на спрощених схемах, а довгий рулон, укладений в циліндричний корпус. З'єднання з корпусом зроблені таким чином, що у всіх шарах рулону з одного боку мембрани завжди знаходиться прісна вода, а з іншого-морська.
енергія глибин
Різниця між солоністю (по-науковому - градієнт солоності) прісної і морської води - базовий принцип роботи осмотической електростанції. Чим вона більше, тим вище обсяг і швидкість потоку на мембрані, а отже, і кількість енергії, що виробляється гідротурбіною. У Тофте прісна вода самопливом надходить на мембрану, в результаті осмосу тиск морської води по ту сторону різко зростає. Силища у осмосу колосальна - тиск може підняти рівень морської води на 120 м.
Далі отримана розбавлена морська вода спрямовується через розподільник тиску на лопатки турбіни і, віддавши їм всю свою енергію, викидається в море. Розподільник тиску відбирає частину енергії потоку, розкручуючи насоси, закачує морську воду. Таким чином вдається значно підвищити ефективність роботи станції. За оцінкою Ріка Стовер, головного технолога компанії Energy Recovery, що виробляє такі пристрої для опріснювальних заводів, ККД передачі енергії в розподільниках наближається до 98%. Точно такі ж апарати при опріснення допомагають доставляти питну воду в житлові будинки.
Як зауважує Скіллхаген, в ідеалі осмотичні електростанції потрібно поєднувати з опріснювальних установками - солоність залишкової морської води в останніх в 10 разів вище природного рівня. У такому тандемі ефективність вироблення енергії зросте не менше ніж удвічі.
Будівельні роботи в Тофте почалися восени 2008 року. На території заводу з виробництва целюлози компанії Sódra Cell був орендований порожній склад. На першому поверсі влаштували каскад сітчастих і кварцових фільтрів для очищення річкової і морської води, а на другому - машинний зал. У грудні того ж року був здійснений підйом і монтаж мембранних модулів і розподільника тиску. У лютому 2009-го група водолазів проклала по дну затоки два паралельних трубопроводу - для прісної і морської води.
Забір морської води здійснюється в Тофте з глибин від 35 до 50 м - в цьому шарі її солоність оптимальна. Крім того, там вона значно чистіше, ніж у поверхні. Але, незважаючи на це, мембрани станції вимагають регулярного чищення від забивають мікропори органічних залишків.
З квітня 2009 року електростанція експлуатувалася в пробному режимі, а в листопаді, з легкої руки принцеси Метте-Маріт, була запущена на всю котушку. Скіллхаген запевняє, що слідом за Тофте у Statcraft з'являться і інші аналогічні, але більш досконалі проекти. І не тільки в Норвегії. За його словами, підземний комплекс розміром з футбольне поле здатний безперебійно забезпечувати електрикою ціле місто з 15 000 індивідуальних будинків. Причому, на відміну від вітряків, така осмотична установка практично безшумна, не змінює звичний ландшафт і не впливає на здоров'я людини. А про поповнення запасів солоної і прісної води в неї подбає сама природа.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2011 ).
Як же пов'язані ці дві події?