Сразу необходимо предупредить: в заголовке нет ошибки, о космической энергии, созвучной названию, рассказа не будет. Ее мы оставим эзотерикам и фантастам. А речь пойдет о привычном явлении, с которым мы в течение всей жизни сосуществуем рядом.
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.
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 . 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.
В заголовке нет ошибки, не из "космоса" , а именно из "осмоса"
Мы каждый день убеждаемся, что нас окружает масса самых неожиданных источников возобновляемой энергии. Кроме Солнца, ветра, течений и приливов для выработки электроэнергии можно использовать генераторы, работающие на соли – верней, на разнице, которую она создает между пресной и морской водой. Эта разница именуется градиентом солености, и благодаря явлению осмоса может быть использована для получения избыточного давления жидкости, которое преобразуется в электрическую привычными турбинами.
Известно несколько способов преобразования энергии градиента солености в электроэнергию. Наиболее перспективный на сегодня - преобразование с помощью осмоса, поэтому часто говорят об энергии градиента солености как об энергии осмоса. Но принципиально возможны и другие способы преобразования энергии градиента солености.
Явление осмоса заключается в следующем. Если взять полупроницаемую мембрану (перепонку) и поместить ее в качестве перегородки в каком-либо сосуде между пресной и соленой водой,
то осмотические силы начнут как бы перекачивать пресную воду в соленую. Молекулы пресной воды будут переходить через разделительную мембрану во вторую половину сосуда, заполненную соленой водой, а молекулы соли мембрана не будет пропускать в первую половину с пресной водой. За это свойство мембрана и называется полупроницаемой. Выделяющаяся при этом процессе энергия проявляется в виде повышенного давления, возникающего в части сосуда с соленой водой. Это - осмотическое давление (иногда называют осмотическим водопадом). Максимальное значение осмотического давления - разность давлений между раствором (т. е. соленой водой) и растворителем (т. е. пресной водой), при которой осмос прекращается, что происходит из-за образования равенства давлений по обе стороны полупроницаемой мембраны. Образовавшееся повышенное давление в половине сосуда с соленой водой уравновешивает осмотические силы, вытеснявшие молекулы пресной воды через полупроницаемую мембрану в соленую воду.
Явление осмоса известно давно. Впервые его наблюдал А. Подло в 1748 г., но детальное изучение началось более столетия спустя. В 1877 г. В. Пфеффер впервые измерил осмотическое давление при изучении водных растворов тростникового сахара. В 1887 г. Вант-Гофф на основе данных опытов Пфеффера установил закон, определяющий осмотическое давление в зависимости от концентрации растворенного вещества и температуры. Он показал, что осмотическое давление раствора численно равно давлению, которое оказали бы молекулы растворенного вещества, если бы находились в газообразном состоянии при тех же значениях температуры и концентрации.
Для получения осмотической энергии необходимо иметь вблизи более или менее концентрированного раствора источник с малой концентрацией соли. В условиях Мирового океана такими источниками являются устья впадающих в него рек.
Энергия градиента солености, рассчитанная по осмотическому давлению, не подвергается ограничениям по КПД, связанным с циклом Карно; в этом заключается одна из положительных особенностей этого вида энергии. Вопрос состоит в том, как лучше преобразовать ее в электроэнергию.
Первая в мире электростанция, использующая для выработки электричества явление осмоса, открылась на днях в Норвегии. Используя в своей работе только соленую и пресную воду, нынешний прототип электростанции будет вырабатывать 2-4 киловатта, но в перспективе эта цифра значительно увеличится.Для производства энергии станция, построенная норвежской компанией Statkraft, использует явление осмоса, то есть движения растворов через мембрану в сторону большей концентрации солей. Поскольку концентрация солей в обычной морской воде выше, чем в пресной, между разделенными мембраной пресной и соленой водой развивается явление осмоса, и движение потока воды заставляет работать турбину, вырабатывающую энергию.Мощность уже запущенного прототипа невелика и составляет два-четыре киловатт-часа. Как пояснил менеджер проекта Штейн Эрик Скилхаген, цели сразу построить промышленных масштабов электростанцию перед компанией не стояло, важнее было показать, что данная технология в принципе может использоваться в энергетике.Идея использовать явление осмоса для выработки электричества была впервые предложена активистами экологических движений еще в 1992 году, отмечает сайт компании Statkraft. По расчетам инженеров, сегодня можно построить осмотическую электростанцию мощностью 1700 киловатт в час. При этом, в отличие от других станций на альтернативных источниках энергии – солнечной или ветровой – погода не будет оказывать никакого влияния на режим работы станции. Мощности существующего прототипа хватит, чтобы обеспечить электричеством всего лишь кофеварку, но уже к 2015 году Statkraft надеется построить электростанцию, снабжающую электричеством поселок из 10 тысяч частных домов.
Среди предстоящих задач – поиск более энергоэффективных мембран. У применяющихся на станции в Хуруме, что в 60 км к югу от Осло, этот показатель составляет 1 Вт/м2. Через некоторое время Statkraft увеличит мощность до 2-3 Вт, но для выхода на рентабельный уровень необходимо добиться 5 Вт.
Специальная мембрана, пропускающая воду, но не пропускающая молекулы соли, ставится между двумя резервуарами. В один из них наливается пресная вода, в другой - соленая. Поскольку такая система стремится к равновесию, более соленая вода как бы вытягивает пресную воду из резервуара. Если перед мембраной поставить генератор, избыточное давление будет вращать его лопасти и вырабатывать электричество.
Идею, как это часто бывает, подсказала живая природа: по этому же принципу происходит перенос веществ в клетках - такие же частично проницаемые мембраны обеспечивают упругость клеток. Осмотическое давление уже давно успешно применяется человеком при опреснении морской воды, но для выработки электричества пока использовано впервые.
На данный момент прототип вырабатывает около 1 кВт энергии. В ближайшее время эта цифра может увеличиться до 2-4 кВт. Для того чтобы можно было говорить о рентабельности производства, необходимо получить выработку около 5 кВт. Однако, это вполне реальная задача. К 2015 году планируется построить большую станцию, которая обеспечит выработку 25 МВт, что позволит питать электричеством 10000 средних домохозяйств. В перспективе же предполагается, что ОЭС станут такими мощными, что смогут вырабатывать 1700 ТВт в год, столько, сколько сейчас вырабатывает половина Европы. Главная задача на данный момент - найти более эффективные мембраны.
Игра, безусловно, стоит свеч. Преимущества осмотических станций очевидны. Во-первых, соленая вода (для работы станции подходит обычная морская вода) является неисчерпаемым природным ресурсом. Поверхность Земли на 94% покрыта водой, 97% которой является соленой, поэтому для таких станций всегда будет топливо. Во-вторых, для организации ОЭС не требуется строительства специальных площадок: подойдут любые неиспользуемые помещения уже существующих предприятий или других служебных зданий. Кроме того, ОЭС могут быть поставлены в устьях рек, где пресная вода втекает в соленое море или океан - и в этом случае не понадобится даже специально заливать в резервуары воду.
Пресная вода + морская вода = источник энергии
Обычно там, где река впадает в море, пресная вода просто перемешивается с соленой, и никакого давления, которое могло бы послужить источником энергии, там не наблюдается. Профессор Клаус-Виктор Пайнеман (Klaus-Viktor Peinemann) из Института изучения полимеров при Научно-исследовательском центре GKSS в городке Гестхахт на севере Германии, называет те условия, которые необходимы для возникновения осмотического давления: "Если перед смешиванием морскую воду и пресную разделить фильтром - специальной мембраной, пропускающей воду, но непроницаемой для соли, - то стремление растворов к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций сможет реализоваться только за счет того, что вода будет проникать в раствор соли, а соль в пресную воду не попадет".
Если же это происходит в закрытом резервуаре, то со стороны морской воды возникает избыточное гидростатическое давление, называемое осмотическим. Чтобы использовать его для производства энергии, в месте впадения реки в море нужно установить большой резервуар с двумя камерами, отделёнными друг от друга полупроницаемой мембраной, пропускающей воду и не пропускающей соль. Одна камера заполняется соленой, другая - пресной водой. "Возникающее при этом осмотическое давление может быть очень велико, - подчеркивает профессор Пайнеман. - Оно достигает примерно 25-ти бар, что соответствует давлению воды у подножия водопада, низвергающегося с высоты в 100 метров".
Находящаяся под столь высоким осмотическим давлением вода подается на турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию.
Главное - правильная мембрана
Казалось бы, все просто. Потому неудивительно, что идея использовать осмос как источник энергии зародилась почти полвека назад. Но… "Одним из главных препятствий в то время стало отсутствие мембран должного качества, - говорит профессор Пайнеман. - Мембраны были чрезвычайно медленными, поэтому эффективность осмотического электрогенератора была бы очень низкой. Но в последующие 20-30 лет произошло несколько технологических прорывов. Мы научились сегодня производить чрезвычайно тонкие мембраны, а это значит, что их пропускная способность стала значительно выше".
Специалисты Научно-исследовательского центра GKSS внесли весомый вклад в разработку той самой мембраны, что позволила теперь на практике реализовать осмотическое энергопроизводство - пусть пока и сугубо экспериментальное. Один из разработчиков, Карстен Бликке (Carsten Blicke), поясняет: "Толщина мембраны составляет около 0,1 микрометра. Для сравнения: человеческий волос имеет в диаметре от 50 до 100 микрометров. Именно эта тончайшая пленка и отделяет, в конечном счете, морскую воду от пресной".
Понятно, что столь тонкая мембрана не может сама по себе выдержать высокое осмотическое давление. Поэтому она наносится на пористую, напоминающую губку, но чрезвычайно прочную основу. В целом такая перегородка выглядит как глянцевая бумага, и то, что на ней имеется пленка, невооруженным глазом заметить невозможно.
Радужные перспективы
Для строительства пилотной установки были необходимы капиталовложения в размере нескольких миллионов евро. Инвесторы, готовые пойти на риск, хоть и не сразу, все же нашлись. Финансировать новаторский проект вызвалась фирма Statkraft - одна из крупнейших энергетических компаний Норвегии, европейский лидер по части использования возобновляемых энергоресурсов. Профессор Пайнеман вспоминает: "Они услышали об этой технологии, пришли в восторг и подписали с нами договор о сотрудничестве. Евросоюз выделил на реализацию этого проекта 2 миллиона евро, остальные средства внесли фирма Statkraft и ряд других компаний, в том числе и наш Институт".
"Ряд других компаний" - это научные центры Финляндии и Португалии, а также одна из норвежских исследовательских фирм. Пилотная установка мощностью от 2 до 4 киловатт, возведенная в Осло-фьорде близ городка Тофте и торжественно вступившая сегодня в строй, предназначена для испытания и совершенствования новаторской технологии. Но руководство компании Statkraft уверено, что уже через несколько лет дело дойдет и до коммерческого использования осмоса. А суммарный мировой потенциал осмотического энергопроизводства оценивается ни много ни мало в 1600-1700 тераватт-часов в год - это примерно половина энергопотребления всего Евросоюза. Важнейшим преимуществом таких установок является их экологичность - они не шумят и не загрязняют атмосферу выбросами парниковых газов. Кроме того, их легко интегрировать в уже имеющуюся инфраструктуру.
Экологичность
Отдельно хочется отметить абсолютную экологичность данного способа добычи электроэнергии. Никаких отходов, окисляющихся материалов для резервуаров, вредных испарений. ОЭС может быть установлена даже в черте города, не нанося никакого ущерба его жителям.
Также работа ОЭС не требует других источников энергии для запуска и не зависит от климатических условий. Все это делает ОЭС практически идеальным способом выработки электроэнергии.
Начала работу первая в мире электростанция, позволяющая извлекать энергию из разницы в солёности морской и пресной воды. Установка построена норвежской государственной компанией Statkraft в городке Тофте (Tofte) близ Осло.
Гигантский агрегат вырабатывает электричество, используя природное явление осмоса (osmosis), которое позволяет клеткам наших организмов не терять влагу, а растениям поддерживать вертикальное положение.
Поясним. Если разделить два водных раствора с разными концентрациями солей полупроницаемой мембраной, то молекулы воды будут стремиться перейти в ту часть, где их меньше, то есть туда, где концентрация растворённых веществ выше. Этот процесс приводит к увеличению объёма раствора в одном из отделений.
Нынешняя опытная электростанция расположена у устья реки, впадающей в Северное море. Морскую и речную воду направляют в камеру, разделённую мембраной. В отсеке с солёной водой осмос создаёт давление, эквивалентное воздействию водяного столба высотой 120 метров. Поток идёт на турбину, вращающую генератор.
Правда, если вычесть ту энергию, что идёт на подпитывающие насосы, то получается, что пока норвежская махина создаёт очень мало энергии (2-4 киловатта). Отметим, что чуть позже планируется повысить выход до 10 киловатт, а через 2-3 года создать ещё одну тестовую версию, вырабатывающую до одного мегаватта энергии.
К тому же по ходу эксплуатации установки предстоит решить массу проблем. Например, нужно будет найти способ борьбы с загрязняющими фильтры бактериями. Ведь, несмотря на предварительную очистку воды, вредоносные микроорганизмы могут заселить все участки системы.
«Без сомнений, трудности будут, – говорит глава нового предприятия Стейн Эрик Скилхаген (Stein Erik Skilhagen). – Какие именно, мы пока предсказать не в состоянии». Но ведь надо же с чего-то начинать.
Схемы, иллюстрирующие явление осмоса и строение новой станции. Подробнее о технологии и предыстории её развития можно почитать в этом PDF-документе (иллюстрации University of Miami, Statkraft).
«Потенциал технологии очень высок», — добавил на церемонии открытия министр энергетики Терье Риис-Йохансен (Terje Riis-Johansen).
По оценкам Statkraft, занимающейся разработкой и созданием установок, вырабатывающих возобновляемую энергию, общемировой годовой потенциал осмотической энергии (osmotic power) составляет 1600-1700 тераватт-часов. А это ни много ни мало – 10% всего мирового потребления энергии (и 50% энергопотребления Европы).
Многие крупные города стоят близ устья рек, так почему бы им не обзавестись подобными электростанциями? Тем более что встроить такую машину можно даже в подвал офисного здания.
Осмос (от греческого слова Osmos - толчок, давление), диффузия вещества, обычно растворителя, через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель или два раствора различной концентрации. Полупроницаемую мембрану - перегородка, пропускающая малые молекул растворителя, но непроницаемая для больших молекул растворенного вещества. Явление осмоса (выравнивание концентраций растворов, разделенных полупроницаемой мембраной) лежит в основе обмена веществ, всех живых организмов. Например, стенки клеток растений, животных и человека представляют собой естественную мембрану, которая является частично проницаемой, поскольку она свободно пропускает молекулы воды, но не молекулы других веществ. Когда корни растений впитывало воду, стены их клеток формируют натуральную осмотическую мембрану, которая пропускает молекулы воды и отторгается большинство примесей. Травы и цветы стоят вертикально только за счет так называемого осмотического давления. Поэтому при недостатке воды они выглядят пожухлыми и вялыми. Фильтрующая способность природной мембраны уникальна, она отделяет вещества от воды на молекулярном уровне и именно это позволяет любому живому организму существовать.
Применение мембран для отделения одних компонентов раствора от других известно очень давно. В первой Аристотель обнаружил, что морская вода опресняется, если ее пропустить через стенки воскового сосуда. Изучение этого явления и других мембранных процессов началось гораздо позже, в начале XVIII века, когда Реомюр использовал для научных целей полупроницаемые мембраны природного происхождения. Но к середине 20-х годов прошлого века все эти процессы имели сугубо теоретический интерес, не выходя за пределы лабораторий. В 1927 году немецкая фирма "Сарториус" получила первые образцы искусственных мембран. И только в середине прошлого века американские разработчики, наладили производство ацетатцеллюлозных и нитроцеллюлозных мембран. В конце 50-х - начале 60-х годов с началом широкого производства синтетических полимерных материалов появились первые научные работы, которые легли с основу промышленного применения обратного осмоса.
Первые промышленные возвратно-осмотические системы появились только в начале 70 X лет, поэтому это сравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом или адсорбцией на активированных углях. Однако, в Западных странах обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию компонентов, находящихся в воде, на 96-99% и практически на 100% избавиться микроорганизмов и вирусов. Механизм переноса молекул воды через осмотическую мембраны чаще всего представляет собой обычную фильтрацию, при которой происходит задержка частиц размером больше диаметра поросмотичнои мембраны. Выравнивание концентраций по обе стороны такой мембраны возможно только при односторонней диффузии растворителя. Поэтому осмос всегда идет от чистого растворителя к раствору или от разбавленного раствора к концентрированному раствору. В частности, явление осмоса наблюдается, когда два соляные растворы с различными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Эта мембрана пропускает молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей - нет. Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солевмистни растворы воды с различной концентрацией солей, молекулы воды будут перемешаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Через явление осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением. Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением". На Рис. 23.1. Приведена схема, иллюстрирующая явление осмоса.
Рис. 23.1.
Принцип работы осмотического электростанции основан на образовании осмотического давления. В местах, где река впадает в море, пресная речная вода просто перемешивается с соленой морской водой, и никакого давления, которое могло бы послужить источником энергии, там не наблюдается. Однако, если перед смешиванием морскую воду и пресную разделить фильтром - специальной мембраной, пропускающей воду, но не пропускающей соли, то стремление растворов к термодинамического равновесия и выравниванию концентраций сможет реализоваться только за счет того, что вода будет проникать в раствор соли, а соль в пресную воду не попадет. Специальная мембрана, пропускающая воду, но не проницаема молекулы соли, ставится между двумя резервуарами. В один из них заполняется пресной водой, в другой заполняется соленой водой. Поскольку такая система стремится к равновесию, более соленая вода как бы вытягивает пресную воду из резервуара. Если же это происходит в закрытом резервуаре, то со стороны морской воды возникает избыточное гидростатическое давление. При этом, появляется давление, создает водный поток. Если теперь установить турбину с генератором, избыточное давление будет вращать лопасти турбины и производить электричество На Рис. 23.2. Показана упрощенная схема осмотического станции. На этом Рис.: 1 - морская вода; 2 речная вода; 3 - фильтры; 4 - мембрана; 5 - рабочая камера; 6 - вывод отработанной речной воды; 7 - турбина с электрическим генератором; 8 - вывод.
Рис. 23.2.
Теоретические разработки в этой области появились еще в начале XX века, но для их реализации не хватало главного - подходящей осмотического мембраны. Такая мембрана должна была выдерживать давление, в 20 раз превышающий давление обычного бытового водопровода, и иметь очень высокую пористость. Создание материалов с подобными свойствами стало возможным с развитием технологий производства синтетических полимеров. Действительно, толщина эффективной мембраны составляет около 0,1 микрометра. Для сравнения: человеческий волос имеет в диаметре от 50 до 100 микрометров. Именно эта тончайшая пленка и отделяет, в конечном итоге, морскую воду от пресной воды. Понятно, что столь тонкая мембрана не может сама по себе выдержать высокое осмотическое давление. Поэтому она наносится на пористую напоминающий губку но чрезвычайно прочную основу. Кстати, мембрана для прямого осмоса - это не тонкая стенка, которую рисуют на упрощенных схемах, а длинный рулон, заключенный в цилиндрический корпус. Соединение с корпусом сделаны таким образом, что во всех слоях рулона с одной стороны мембраны всегда находится пресная вода, а с другой - стороны морская, как это показано на Рис. 23.3. На этом Рис.: 1 - пресная вода; 2 - морская вода; 3 - мембрана. На Рис. 23.4. Показано устройство мембраны, помещенной в металлический корпус, цилиндрической формы. На этом Рис.: 1 - пресная вода; 2 - морская вода; 3 - мембрана; 4 - металлический корпус. Применяемые в настоящее время композитные мембраны позволяют значительно снизить гидродинамическое сопротивление. В них тонкий селективный слой наносится химическим путем на пористую основу (подложку). Толщина селективного слоя составляет 0,1-1,0 мкм, а толщина пористой основы - 50-150 мкм. Подложка практически не создает сопротивления потоку благодаря широким порам, а сопротивление селективного слоя значительно снижается благодаря значительному сокращению его толщины. В целом композитная структура мембраны обеспечивает механическую прочность за счет
Рис. 23.3.
Рис. 23.4.
толщины пористой подложки, а кроме того, позволяет снизить общее сопротивление мембраны за счет тонкости селективного слоя. Селективный слой обратных осмотических мембран выполнен из полиамидного материала.
На Рис. 23.S. показано устройство осмотического станции, использует рулонные мембраны.
На этом Рис.: 1 - введение морской воды; 2 - введение речной воды; 3 - фильтры; 4 - рулонные мембраны; 5 - герметичная камера с высоким осмотическим давлением; 6- турбина с электрогенератором.
В 2009 году в Норвегии в городе Тофте начала работу первая в мире электростанция, использующая разницу солености морской и пресной воды для получения электроэнергии. В построенной осмотического электростанции, в отсеке с морской водой создается давление, эквивалентное давления столба воды высотой 120 метров. Это давление приводит в действие вал турбины которой соединен с электрогенератором. Пресная вода самотеком поступает на мембрану. Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 метров - в этом слое ее соленость оптимальна. Кроме того, там она значительно чище, чем у поверхности. Но, несмотря на это, мембраны станции требуют регулярной чистки от органических остатков, забивают ее микропоры. На сегодняшний день эта осмотическое станция производит около 1 кВт энергии. В ближайшее время эта цифра может увеличиться до 2-4 кВт. Для того чтобы можно было говорить о рентабельности производства, необходимо
Рис. 23.5. Осмотическое станция с рулонными мембранами
получить выработка около 5 кВт. Однако, это вполне реальная задача. До 2015 года планируется построить большую станцию, которая обеспечит выработку 25 МВт, что позволит питать электричеством 10000 средних домохозяйств. В перспективе же предполагается, что осмотические электростанции станут такими мощными, что смогут производить 1700 ТВт в год, столько, сколько сейчас производит половина Европы.
Преимущества осмотических станций. Во-первых, соленая вода (для работы станции подходит обычная морская вода) является неисчерпаемым природным ресурсом. Поверхность Земли на 94% покрыта водой, 97% которой является соленой, поэтому для таких станций всегда будет топливо. Во-вторых, для строительства осмотических электростанций не нужно строительства специальных гидротехнических сооружений. Экологичность данного способа получения электроэнергии. Никаких отходов, окисляются материалов для резервуаров, вредных испарений. Осмотические электростанции могут быть установлены даже в пределах города, не нанося никакого ущерба его жителям.
Недавно Япония сообщила, что планирует производить энергию с помощью осмотических станций. Япония окружена со всех сторон океаном, в который впадают многочисленные реки. Потому что они текут постоянно, процесс добычи электроэнергии станет непрерывным. Среди плюсов осмотического способа получения энергии это независимость от рельефа местности, станция сможет работать и на равнине. Основными являются географические условия, при которых происходит смешение пресной и соленой воды. Таким образом, устанавливать осмотические электростанции можно в любых районах Японии, где реки впадают в океан. Осмотическая станция смогут производить 5-6 миллионов кВт энергии, для сравнения такой же объем производят 5-6 атомных электростанций, как утверждает Акихико Таниока, профессор Токийского технического университета. К тому же, Япония является одним из главных производителей осмотических мембран. Сейчас на долю японских компаний приходится 70% мирового импорта мембран.