Опубликовано

Энергия из воды

Осмотическая электростанция в Норвегии

Категория: Гидроэнергетика, 03 декабря 2009 9629 Метки:

Думая о возобновляемой энергии, сразу на ум приходит энергия ветра, солнца, приливов и отливов, и устройства их преобразовывающие – это уже привычные на сегодня ветроэнергетические установки, солнечные фотоэлектрические преобразователи, гидротурбины. Все это уже массово используются во всем мире. Но на этом список возобновляемых источников энергии не заканчивается. Есть еще один вид получения энергии, который еще не стал распространенным, но это дело будущего, — это осмотическая энергия.

Недавно стало известно о запуске в Норвегии первой в мире электростанции, позволяющей извлекать энергии из разности концентрации соли в пресной воде и в соленой воде. Производство электроэнергии осуществляется в результате явления осмоса. Станция расположена недалеко от столицы Норвегии Осло на берегу залива Осло-фьорд. Инвестором строительства выступила норвежская энергетическая компания Statkraft, которая является третьей по величине производителем энергоресурсов в скандинавском регионе, а также крупнейшим производителем энергии, основанной на возобновляемых источниках энергии в Европе. Эта новость и послужила поводом для написания данного материала.

Итак, что же такое осмотическая энергия?

Осмотическая энергия – это энергия, получаемая в результате осмоса, или как еще можно сказать, в результате процесса диффузии растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор.

Согласно Wikipedia.org, явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя.

Осмос играет большую роль в биологических процессах. Благодаря ему в клетку попадают питательные вещества, и наоборот – выводятся ненужные. Благодаря осмоса листья растений впитывают влагу.

Осмотическая энергия относится к возобновляемому источнику, который, в отличие от солнечной или ветровой энергий, производит предсказуемое и устойчивое количество энергии независимо от погоды. И это можно сказать главное одно из преимуществ этой технологии.

Почему осмос не стали использовать раньше для получения энергии, а только сейчас?

Главная сложность заключается в эффективности и стоимости использующихся мембран. Это и является камнем преткновения. Производство электроэнергии осуществляется в генераторах, на которые подается соленая вода из резервуаров, где смешивается пресная и соленая вода. Чем быстрее происходит процесс смешения, тем быстрее вода подается на турбины, тем больше можно получить энергии.

Идея производить энергию, используя осмос, появилась в 70-х годах прошлого столетия. Но тогда мембраны были еще недостаточно эффективными, как сегодня.

Осмотическая электростанция в Норвегии

Построенная опытная электростанция использует разность концентрации соли в пресной и соленой воде. Морскую и речную воду направляют в камеру, разделённую мембраной. Благодаря явлению осмоса, молекулы стремятся перейти в ту область камеры, где концентрация растворенных веществ, в данном случае соли, выше. Этот процесс приводит к увеличению объема в отделении с соленой водой. Что в результате образуется повышенное давление, которое создает напор, эквивалентное воздействию водяного столба высотой 120 метров. Этот напор направляется на турбину, вращающую генератор.

В построенной электростанции применяется мембрана с эффективностью 2-3 Ваттт/м2. Поэтому главной задачей является поиск более эффективных мембран. По словам исследователей, чтобы применение осмотической энергии было выгодным, необходимо добиться эффективности мембран более 5 Ватт/м2.

Сейчас станция генерирует не много энергии — 4 кВатт. В будущем планируется постоянно увеличивать мощность. В планах компании Ststkraft к 2015 году вывести станцию на самоокупаемый уровень.

К недостаткам можно отнести то, что не везде возможно построить такую электростанцию. Ведь для этого одновременно необходимо два источника воды – пресной и соленой. Поэтому строительство невозможно в глубине континента, а только на побережьях вблизи источника соленой воды. В будущем планируется создать мембраны, использующие разность концентрации соли только морской воды.

Еще одним недостаток – это эффективность работы станции, связанная прежде всего с эффективностью работы применяемых мембран.

Задача станции состоит главным образом в исследовании и разработки технологий для коммерческого применения в дальнейшем. Это определенно шаг вперед. Ведь мировой потенциал осмотической энергии, как заявляет компания Statkraft, оценивается в 1600-1700 ТВатт·часов энергии ежегодно, которая эквивалентна 50 процентам полного производства энергии в Европейском союзе.

Явление осмоса используется в промышленных масштабах уже более 40 лет. Только это не классический прямой осмос аббата Нолле, а так называемый обратный осмос – искусственный процесс проникновения растворителя из концентрированного в разбавленный раствор под действием давления, превышающего естественное осмотическое давление. Такая технология применяется в опреснительных и очистительных установках с начала 1970-х. Соленая морская вода нагнетается на специальную мембрану и, проходя через ее поры, лишается значительной доли минеральных солей, а заодно бактерий и даже вирусов. Для прокачивания соленой или загрязненной воды приходится затрачивать большие объемы энергии, но игра стоит свеч – на планете существует множество регионов, где дефицит питьевой воды является острейшей проблемой.

Трудно поверить, что одна лишь разница в концентрации двух растворов способна создать серьезную силу, однако это действительно так: осмотическое давление может поднять уровень морской воды на 120 м.

Опыты по превращению осмотического давления в электрическую энергию проводились различными научными группами и компаниями с начала 1970-х. Принципиальная схема этого процесса была очевидной: поток пресной (речной) воды, проникающий сквозь поры мембраны, наращивает давление в резервуаре с морской водой, тем самым позволяя раскручивать турбину. Затем отработанная солоноватая вода выбрасывается в море. Проблема была лишь в том, что классические мембраны для PRO (Pressure retarded osmosis) были слишком дороги, капризны и не обеспечивали необходимой мощности потока. С мертвой точки дело сдвинулось в конце 1980-х, когда за решение задачи взялись норвежские химики Торлейф Хольт и Тор Торсен из института SINTEF.

На схематичных изображениях осмотическую мембрану рисуют в виде стенки. На самом деле она представляет собой рулон, заключенный в цилиндрический корпус. В его многослойной структуре чередуются слои пресной и соленой воды.

Мембраны Лоэба требовали клинической чистоты для поддержания максимальной производительности. Конструкция мембранного модуля опреснительной станции предусматривала обязательное наличие первичного фильтра грубой очистки и мощного насоса, сбивавшего мусор с рабочей поверхности мембраны.

Хольт и Торсен, проанализировав характеристики большинства перспективных материалов, остановили свой выбор на недорогом модифицированном полиэтилене. Их публикации в научных журналах привлекли внимание специалистов из Statcraft, и норвежских химиков пригласили продолжить работу под покровительством энергетической компании. В 2001 году мембранная программа Statcraft получила государственный грант. На полученные средства была построена экспериментальная осмотическая установка в Сунндальсьоре для тестирования образцов мембран и обкатки технологии в целом. Площадь активной поверхности в ней была чуть выше 200 м2.

Разница между соленостью (по-научному – градиент солености) пресной и морской воды – базовый принцип работы осмотической электростанции. Чем она больше, тем выше объем и скорость потока на мембране, а следовательно, и количество энергии, вырабатываемой гидротурбиной. В Тофте пресная вода самотеком поступает на мембрану, в результате осмоса давление морской воды по ту сторону резко возрастает. Силища у осмоса колоссальная – давление может поднять уровень морской воды на 120 м.

Далее полученная разбавленная морская вода устремляется через распределитель давления на лопатки турбины и, отдав им всю свою энергию, выбрасывается в море. Распределитель давления отбирает часть энергии потока, раскручивая насосы, закачивающие морскую воду. Таким образом удается значительно повысить эффективность работы станции. По оценке Рика Стовера, главного технолога компании Energy Recovery, производящей такие устройства для опреснительных заводов, КПД передачи энергии в распределителях приближается к 98%. Точно такие же аппараты при опреснении помогают доставлять питьевую воду в жилые дома.

Как замечает Скиллхаген, в идеале осмотические электростанции нужно совмещать с опреснительными установками – соленость остаточной морской воды в последних в 10 раз выше естественного уровня. В таком тандеме эффективность выработки энергии возрастет не менее чем вдвое.

Строительные работы в Тофте начались осенью 2008 года. На территории завода по производству целлюлозы компании Sódra Cell был арендован пустующий склад. На первом этаже устроили каскад сетчатых и кварцевых фильтров для очистки речной и морской воды, а на втором – машинный зал. В декабре того же года был осуществлен подъем и монтаж мембранных модулей и распределителя давления. В феврале 2009-го группа водолазов проложила по дну залива два параллельных трубопровода – для пресной и морской воды.

Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 м – 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 забивающих микропоры органических остатков.

С апреля 2009 года электростанция эксплуатировалась в пробном режиме, а в ноябре, с легкой руки принцессы Метте-Марит, была запущена на всю катушку. Скиллхаген уверяет, что вслед за Тофте у Statcraft появятся и другие аналогичные, но более совершенные проекты. И не только в Норвегии. По его словам, подземный комплекс размером с футбольное поле способен бесперебойно снабжать электричеством целый город с 15 000 индивидуальных домов. Причем, в отличие от ветряков, такая осмотическая установка практически бесшумна, не изменяет привычный ландшафт и не влияет на здоровье человека. А о пополнении запасов соленой и пресной воды в ней позаботится сама природа.

Автор оригинальной статьи: Владимир Санников

Оригинал статьи: Осмос: будущее энергетики / Hi-Tech.Mail.ru

Осмос колеса – без спиц

February 20, 2010

Как вы представляете себе колесо? Шина, обод, спицы, ось. Эта конструкция кажется настолько аксиомной, что выкинуть её из головы врят ли получится. Отсюда же пошло выражение – “вставлять палки в колеса” – заклинит ведь, между спицей и рамой.

Но тем не менее, давным давно инальянец Франко Сбарро сумел изобрести колесо не только без спиц, но и вез центральной оси. Констркуция кажется невероятной, но тем не менее она суествует и смотрится крайне эффектно. Ниже мы приведем фото транспорта, сделанного на таких колесах.

Как это работает? Довольно просто. Само колесо представляет из себя либо обод, за который цепляется спаренный комплект роликов (как на американских горках), либо здоровенный подшипник, внутренняя часть которого при движении остается неподвижной. К ней то собственно и крепится обычно рама.

Недавно группа студентов из Йелльского университета, в качестве эксперимента сделала велосипед, задне колесо которого было сделано без спиц. На приведенных ниже фотографиях хорошо видны некоторые особенности конструкции.

Теоретически, колеса без спиц имеют преимущества перед стандартными – это априори меньший вес, лучшая устойчивость, понижение центра тяжести и эффектный вид. Но их сложно и дорого изготавливать (подшипник 500 мм!), а также их нельзя просто взять и поставить на обычный мотоцикл например. Возникают также проблемы с защитой от изгибов, грязи, мощностью крепления и технологией установкой тормозов.

Попытки поставить колеса на серийное производство были. Зарегестрированный во Франции завод Осмос (Osmos), основанный Домиником Моттасом, проводил технические и коммерческие эксперименты в 90-х годах. Большого коммерческого успеха они не имели, зато Моттасу удалось получить на них патент.

В процессе сборки

Конечно конструкция уж очень непредсказуемая. Попробуйте на таких колесах заехать в какую ни будь грязь – весь механизм выйдет из стройя, забившись всевозможным мусором. Вообще смотря на все эти мотоцикля мне кажется что такое колесо может просто вылететь повернувшись не под тем углом в гнезде. Но это ощущение.

Однако для выставок и концептов колеса подходят идеально, если нужно эффектно выступить – Осмос-колеса самая лучшая идея.

В теории, такие колеса имеют преимущества перед стандартными – меньший вес, снятие некоторых технических ограничений и эффектный вид. Но они более дороги в изготовлении и их трудно приспосабливать к обычной мото-технике. Возникают также проблемы с защитой от изгибов/прочностью и установкой тормозов.

Выработка энергии из температурного градиента воды

Потенциал температурного градиента

Явление температурного градиента в Мировом океане возникает вследствие того, что солнечное излучение нагревает лишь верхние слои воды. Средняя температура воды в верхних слоях океанов в тропических поясах достигает 25–30 градусов по Цельсию, по мере увеличения глубины она резко падает. К примеру, на глубине 400 метров температура уменьшается до 12 градусов. На километровой глубине температура снижается до 3–5 градусов.

Для того чтобы понять масштаб энергетического потенциала температурного градиента, нужно прибегнуть к нехитрым расчётам. Каждый грамм нагретой воды у поверхности при разнице температур в 15 градусов содержит примерно на 15 калорий больше энергии, чем глубинный слой. В каждом кубометре воды — миллион граммов, таким образом, в этом объёме содержится 15 млн калорий энергии или 60 млн джоулей. При высвобождении такого количества энергии за одну секунду её генерируемая мощность составит 60 МВт. Если за секунду извлечь энергию одновременно из 20 кубометров воды, будет получено 1,2 ГВт, что сопоставимо с выработкой современной атомной электростанции.

Разница температур на поверхности и глубине океана

Поскольку Мировой океан занимает порядка 70% поверхности нашей планеты, он получает статус самого крупного солнечного коллектора и энергетического хранилища. За световой день в воды океана попадает столько же солнечной энергии, сколько можно выработать из нефти в количестве 250 млрд баррелей. Даже при использовании 5% солнечного излучения, которое попадает в океаны, можно наладить работу генераторов суммарной мощностью 10 ТВт. Такие мощности соответствуют примерно 80 трлн кВт·ч годовой выработки, что вчетверо превышает совокупную мировую генерацию. Теоретический предел запасов мощности температурного градиента океанов достигает колоссального значения в 40 тыс. ТВт.

Как получить энергию нагретого океана

Конверсия энергии температурного градиента морской воды (Ocean thermal energy conversion, OTEC) осуществляется при помощи гидротермальных станций, которые устанавливаются в океанической акватории. Впрочем, ввиду несовершенства технологий реализованные проекты имеют по большей части экспериментальный характер. Принцип работы таких станций не нов — они представляют собой типичные машины с термодинамическим циклом, как и существующие тепловые насосы, холодильники или кондиционеры. Работа таких механизмов основана на переносе тепла с параллельным получением полезной работы или энергии. Потенциал гидротермальных станций зависит от показателя разницы температур воды в океане — чем он больше, тем более высокими будут КПД и продуктивность генерации.

Вне зависимости от того, какая конкретно схема реализуется при постройке станций, основным и неотъемлемым их элементом является труба большого диаметра длиной в несколько сотен метров. Данная труба погружается на глубину с целью забора воды из холодных слоёв. Вода поднимается к поверхности, охлаждая свою часть системы циркуляции. В свою очередь, тёплая вода с поверхности «отвечает» за нагретую часть системы. Внутри системы циркулирует рабочее тело — вода или низкокипящий компонент. В нагретом секторе системы он испаряется с образованием газа под давлением. Полученный газ вращает турбины генератора, вырабатывающего электроэнергию. В охлаждённом сегменте системы вещество рабочего тела конденсируется и процесс повторяется по циклу.

На современном этапе развития технологий реализуются проекты станций открытого, закрытого и гибридного типов:

  1. Работа открытой схемы предполагает применение морской воды в качестве рабочего тела. Вода циркулирует в одноконтурной системе. В условиях снижения давления по мере подъёма на поверхность вода закипает уже при нагреве 27 градусов по Цельсию. Для вращения турбины используется образовавшийся пар. Такой вариант станции менее эффективен в сравнении с проектами других типов, однако избавляет оператора от необходимости применения опасных низкокипящих компонентов, таких, как аммиак или фреон.

Открытая схема работы гидротермальной станции

  1. Гидротермальные станции со схемой закрытого типа имеют два контура системы и используют в качестве промежуточного рабочего тела низкокипящие вещества. Последние испаряются в теплообменниках в результате подвода к ним тёплой воды из верхних океанических слоёв. После перехода в газообразное состояние рабочие тела начинают вращать турбину, после чего перекачиваются в конденсаторы, охлаждаемые водой с глубины. После конденсации компоненты подаются в насос и вновь транспортируются в теплообменник. В качестве рабочего тела, кроме упомянутых выше агентов, может применяться и пропан. КПД закрытой схемы не намного больше открытой и не превышает 5%.

Закрытый принцип работы гидротермальной станции

  1. Гибридные станции совмещают в себе конструктивные решения предыдущих двух типов. Они включают два контура, в одном из которых происходит испарение морской воды, во втором — низкокипящих компонентов. Водяной пар подаётся в теплообменник и нагревает его, одновременно испаряя низкокипящее вещество. Последнее в процессе газообразования раскручивает турбину. Таким образом, основным отличием гибридной системы от остальных проектов станций является нагрев низкокипящего рабочего тела не непосредственно водой, а её паром.

Российские исследователи ещё в 1998 году предложили усовершенствовать систему работы гидротермальных станций. Их проект предусматривает размещение конденсатора для рабочего тела не у поверхности океана, а на глубине, в холодных слоях воды. Такая схема даст возможность избавиться от стадии подъёма холодной воды к станции, поскольку конденсация низкокипящего агента будет осуществляться сразу на глубине. Специалисты подсчитали, что рабочее тело с малой температурой кипения, к примеру, аммиак, имеет удельную теплоту парообразования при температуре 10 градусов по Цельсию на уровне 1,2 тыс. килоджоулей на килограмм, что больше показателя воды в несколько сотен раз.

Следовательно, низкокипящая жидкость способна переносить гораздо большие количества энергии, чем вода при сопоставимом расходе вещества. В таком случае требования к величине температурной разницы снижаются не только ввиду значительного повышения эффективности установки, но и отсутствия энергозатрат на закачку воды. Такие станции смогут вполне эффективно работать не только в тропической зоне, но и в умеренных широтах. По мнению российских исследователей, постройка станций возможна даже в условиях Арктики, если при этом применить иной способ получения энергии из океана. Речь идёт об использовании разницы температур воды океана и атмосферного воздуха. Последний намного холоднее воды и разница температур достигает 40 градусов по Цельсию.

Основной целью запуска гидротермальных станций является обеспечение энергией островных и удалённых регионов, которые живут на привозном топливе. Стоимость энергоресурсов в таких районах крайне высока. К примеру, тарифы на электроэнергию в американском штате Гавайи в три раза выше материковых. По этой причине, а не только в силу благоприятных климатических условий, именно в гавайском регионе уже несколько десятков лет реализуются гидротермальные проекты.

Видео: DCNSgroup

Кроме того, станции нового типа позволят решить проблему поставок энергии для осуществления морских производственных процессов, в том числе связанных с получением сырья из вод океана и топлива из газогидратов. В роли источника сырья могут послужить и продукты работы самих станций — к примеру, работе гидротермальной генерации с парообразованием воды сопутствует образование большого количества солей, которые могут применяться в химической промышленности. Кроме того, производственный процесс предусматривает опреснение морской воды вследствие её перегонки, что может быть крайне востребовано в регионах с засушливым климатом.

История появления отрасли и первые шаги

Гидротермальную установку впервые спроектировал ещё в 19-м веке французский изобретатель Арсен д’Арсонваль, выдвинувший предположение о возможности использования солнечного нагрева океана для производства энергии в 1881 году. Конструкция его генератора предусматривала поступление тёплой морской воды в теплообменник с аммиаком, который после испарения и выполнения работы по вращению лопастей турбин попадал в конденсатор. Таким образом, по сути установка была спроектирована по схеме закрытого типа. В 1930 году интерес к тематике гидротермальной энергетики проявил знаменитый физик Никола Тесла, однако он признал, что технологии того времени не позволят реализовать эффективные проекты таких станций.

Арсен д’Арсонвал

Первая в мире гидротермальная станция была построена в 1927–1930 годах на Кубе Жоржем Клодом — французским физиком и последователем Арсена д’Арсонваля. Мощность станции, включающей схему открытого типа и паровую турбину низкого давления, то есть рассчитанную на циркуляцию морской воды в качестве рабочего тела, составляла 22 киловатта. Полноценного запуска станции не вышло — конструкция была уничтожена штормовыми волнами.

Слева: Жорж Клод. Справа: подводящие трубы кубинской установки

Вторая попытка учёного была предпринята уже в Бразилии в 1935 году. Станция, которую смонтировали на старой барже, обладала мощностью в 1,2 МВт. Однако и этот эксперимент оказался неудачным — баржу не удалось намертво пришвартовать к берегу и потому она была повреждена в результате неблагоприятных погодных условий. В любом случае, кубинский и бразильский генераторы имели нетто-положительную мощность, то есть вырабатывали больше энергии, чем потребляли (хотя на этот счёт есть иные мнения — по некоторым данным, станция на Кубе тратила вчетверо больше энергии, чем генерировала). Эксперименты, тем не менее, достигли своей цели — исследователь доказал, что получение энергии из нагретых вод океана вполне возможно.

Исследовательская работа была прервана Второй мировой войной и возобновлена через несколько лет после её окончания. В 1956 году французы пытались реализовать проект строительства гидротермальной станции у африканского Берега Слоновой Кости, однако не сумели довести дело до конца. Примерно в это же время в регионе была запущена обычная ГЭС, полностью удовлетворившая спрос потребителей. Ввиду дешевизны эксплуатации традиционных электростанций никто не заинтересовался идеей французов.

В пятидесятых за дело взялись и американские специалисты. Они смонтировали экспериментальную станцию с закрытой схемой на списанном танкере. Суммарная длина труб теплообменника достигала 140 километров, холодная вода подавалась с шестисотметровой глубины. Тогда же на Гавайях американцы построили первый береговой объект температурной генерации, однако результаты его работы оказались неудовлетворительными.

Хилберт Андерсон

Значительный вклад в развитие отрасли сделал исследователь из США Хилберт Андерсон, учредивший специализированную фирму Sea Solar Power. Именно ему принадлежит заслуга изобретения станции закрытого цикла современного типа с эффективным хладагентом, в частности, пропиленом. В сравнении с открытыми схемами генерации его проект, запущенный в 1972 году, имел в два раза больший КПД. Показательная станция работала на водопроводной воде и могла запитывать полтора десятка ламп накаливания. Инженер разработал проект плавучей станции мощностью 100 МВт и водоизмещением в 25 тыс. тонн, однако не получил финансовой поддержки для воплощения его в жизнь.

Состоявшиеся и будущие проекты

Технологии гидротермальной энергетики были неинтересны крупному бизнесу до тех пор, пока в середине семидесятых не разразился нефтяной кризис. Тогда начался настоящий всплеск популярности гидротермальных решений. Впрочем, активизация развития отрасли продлилась относительно недолго и в восьмидесятых, после падения стоимости «чёрного золота», она пошла на убыль. Нельзя сказать, что данный сегмент энергетики сейчас не идёт вперёд, вплоть до последнего времени темпы его роста значительно замедлялись.

Одним из самых известных проектов стала американская станция Mini-OTEC мощностью 53 кВт на Гавайях, проработавшая с 1979 по 1981 годы. Постройка станции была частью исследовательской программы, которую выполняла специализированная лаборатория с 1974 года с привлечением специалистов Lockheed Martin, Dillingham Corp и Makai Ocean Engineering. В качестве рабочего тела в проекте применили аммиак. Станция, установленная на барже, работала практически без сбоев и показала высокую эффективность, дав полезную нагрузку в энергосистему региона.

Плавучая гидротермальная станция Mini-OTEC

В рамках развития проекта в 1981 году была запущена вторая по счёту гавайская станция аналогичной конструкции, однако с большей мощностью в 1 МВт — OTEC-1. Она, также не предназначенная для коммерческого использования, была смонтирована на борту танкера с электродвигательной установкой, запитываемой от этой же станции. Длина труб для извлечения холодной воды достигала почти километра. Совокупная масса сооружения составила 300 тыс. тонн.

Практически не отставали от американцев их японские конкуренты. Корпорация Tokyo Electric Power Company ещё в 1971 году разработала проект электростанции мощностью 120 кВт и сумела реализовать его в 1981 году на тихоокеанском острове Науру. Впрочем, значительная часть мощности — 90 кВт — затрачивается на обеспечение работы самой станции. Остальные объёмы направлены на удовлетворение энергетических потребностей местной школы. Забегая вперёд, можно сказать, что японцы по-прежнему пытаются идти вровень с американцами в данной сфере. Токио уже реализовал проект возведения станции в районе индийского штата Тамилнад со стартовой мощностью в 1 МВт.

Работа над отраслевыми проектами активизировалась лишь в последние годы. В 2009 году Lockheed Martin получила грант американского правительства на сумму $8 млн для модернизации старых гавайских гидротермальных мощностей для гражданских целей. В свою очередь, оператор Hawaiian Electric Company привлёк корпорацию Sea Solar Power к созданию станции на Гавайях мощностью 25 МВт к 2020 году с перспективой её наращивания до 100 МВт.

Установка ОТЕС в Кихоул-Пойнт, Гавайи

Заинтересовались проектами и военные — ВМС США заказали Lockheed строительство станции на Гавайях мощностью 5 МВт с перспективой возведения мощностей в пределах 100 МВт. Корпорация в 2015 году заявила о состоявшемся запуске ещё одной станции на Гавайях мощностью 100 кВт. С военными работает не только Lockheed, но и OCEES International, которая построит на базе армии США на острове Диего-Гарсия в Индийском океане генератор мощностью 13 МВт. Станция сможет обеспечить также и опреснение миллионов литров морской воды. Пронедра писали ранее, что американское оборонное ведомство крайне заинтересовано в освоении разных видов морской энергетики для собственных нужд, в том числе в строительстве станций, вырабатывающих энергию из волн и течений.

Проблемы и перспективы гидротермальной энергетики

Гидротермальная энергетика, помимо колоссального потенциала для развития, и неисчерпаемости своих источников, имеет ряд очевидных преимуществ перед другими видами альтернативной генерации, в том числе солнечной и ветряной. В частности, энергетический задел температурного градиента на квадратный метр площади мирового океана колеблется в пределах 300 кВт. Для сравнения — данный показатель для ветряных станций составляет 1,7 кВт, для солнечных и того меньше — 1,4 кВт.

В расчёт нужно брать и то, что остывание поверхностных слоёв океана происходит не сразу, поэтому гидротермальные станции могут генерировать энергию и после заката. В отличие от них, наземные солнечные станции не могут работать в ночное время, а при сильной облачности их эффективность значительно падает. Аналогично, ветряки неработоспособны, если ветер прекращается. Обширность водных пространств, пригодных для размещения гидротермальных станций и небольшой размер генерирующих комплексов (в сравнении с солнечными станциями и ветропарками) дают значительно большую свободу для выбора районов их установки. Напомним, серьёзные плюсы присущи и другому сегменту морской генерации — с использованием солёности воды.

Гидротермальные объекты не только способствуют решению энергетических проблем регионов, но и в какой-то мере благотворно влияют на климатические и погодные условия, а также на состояние живой природы в районах размещения. В частности, благодаря искусственному снижению температуры поверхностных слоёв воды можно уменьшить вероятность зарождения ураганов. Дело в том, что тропические тайфуны возникают над тёплой акваторией океана вследствие движения наверх влажного воздуха, а сухого — вниз, с последующей конденсацией влаги в осадки и созданием ветров штормовой силы. Станции снижают и температуру воздуха в регионах, что положительно скажется на условиях жизни и деятельности людей в жарких зонах. Что касается фауны и флоры, то станции, работающие на температурном градиенте, в процессе эксплуатации поднимают богатую биоактивными компонентами и питательными веществами воду из глубин, вызывая бурный рост планктона на поверхности и, следовательно, увеличение как количества, так и степени активности организмов всей пищевой цепочки.

Вместе со значительными преимуществами, гидротермальная энергетика имеет и ряд существенных недостатков, связанных в первую очередь с несовершенством существующих технологий постройки электростанций. Несмотря на огромные запасы энергии в океане, коэффициент полезного действия станций при её извлечении в лучшем случае не превышает 8%. Это связано с большими объёмами энергетических потерь ввиду неэффективной конструкции генерирующих установок.

Так, все три типа проектов станций — открытого, закрытого и гибридного циклов — предусматривают подъём холодной воды с глубин, что само по себе является энергозатратным процессом. При подъёме воды с глубины в 600 метров разница температур для того, чтобы станция не работала «в минус», должна быть не менее 20 градусов по Цельсию. Такая ситуация с разницей температур наблюдается только в экваториальной зоне Мирового океана, что на современном этапе развития технологий ограничивает районы размещения станций.

Кроме энергозатратности, пока ещё не решён ряд других технических проблем. К примеру, для уменьшения массы и габаритов станций требуется добиться интенсификации теплового обмена. Кроме того, если для станций небольшой мощности (десятки киловатт) приемлем вариант трубы для забора глубинной воды из полиэтилена, то для экономически рентабельных генерирующих объектов, мощность которых должна быть не ниже 50 МВт, подходят лишь трубы крупного водоизмещения — до 250 тыс. тонн из стекловолокна диаметром до девяти метров. Особенности работы станций предполагают также задействование специальной подводной техники, строящейся с применением композитных, синтетических материалов и дефицитных металлов, в том числе магния и титана.

Серьёзными недочётами конструкций станций является обрастание их элементов морскими биологическими организмами и солями, а также коррозия компонентов оборудования, как это выяснилось в ходе опытной эксплуатации генераторов на Гавайях и Науру. В своём противодействии биологическому загрязнению станций разработчики пошли разными путями, в том числе установкой фильтров и принудительной чисткой оборудования мелкими частицами. В результате установки фильтров значительно выросли энергозатраты из-за затруднённой прокачки воды, а подача в трубопроводные каналы резиновой дроби для их прочистки по неизвестным пока причинам лишь стимулировало рост загрязнённости биофауной.

Казалось, проблема была решена лёгким хлорированием воды в пропорции 70 на 1000000 частей в течение часа в сутки. По крайней мере, пластиковые, алюминиевые и титановые компоненты, обработанные таким образом, не загрязняются биоорганизмами. В то же время, одна станция мощностью 100 МВт в секунду будет прокачивать 720 кубометров холодной и 420 кубометров тёплой воды (для сравнения, секундный расход воды в Ниле составляет 1583 кубометра). При таких объёмах очистки вполне возможно серьёзное многолетнее загрязнение хлором океанической акватории.

Хлорные выбросы — это не единственная проблема, связанная с угрозой нанесения ущерба окружающей среде. Работа станций, вероятно, будет сопряжена с рисками аварийных утечек низкокипящих веществ, используемых в качестве рабочих тел, а также жидких компонентов, применяемых для промывки теплообменников. В связи с этим в настоящее время предпринимаются попытки поиска наименее токсичных агентов.

Также под большим вопросом находится безвредность гидротермических станций с точки зрения выбросов углекислоты и сероводорода. Глубинные воды вмещают гораздо больше углекислого газа, чем поверхностные. Вследствие подъёма больших объёмов воды в ней снижается парциальное давление углекислоты и сероводорода, повышается температура, что теоретически может вызвать интенсификацию выделения этих газов. По пессимистичным расчётам специалистов, выбросы углекислоты в атмосферу при работе гидротермальной станции будут даже большими на треть, чем в результате сжигания органического топлива на обычных ТЭС. Не нужно исключать и негативного воздействия факторов нарушения теплового баланса в океане в результате смешивания вод с разной температурой. Такое вмешательство в природную систему может негативно сказаться на состоянии теплолюбивой морской фауны.

Гидротермальная станция, построенная компанией Makai Ocean Engineering и расположенная в Гавайской лаборатории природной энергии

Несмотря на имеющиеся проблемы, в пользу развития гидротермальной энергетики говорят не только его преимущества перед другими видами генерации из возобновляемых источников, в частности, ветряной и солнечной. Развитию сегмента выработки энергии из температурного градиента воды способствуют и чисто экономические расчёты, свидетельствующие о сопоставимой эффективности работы гидротермальных, тепловых и атомных электростанций. Продуктивность производства такого уровня редко присуща объектам альтернативной энергетики.

Вместе с тем, отсутствие достижений в решении вопросов технологического характера, минимизации экологических угроз, снижения себестоимости и повышения эффективности работы температурных генерирующих комплексов значительно тормозят развитие данного сегмента. По словам Роберта Варли, руководителя специализированного подразделения одного из флагманов отрасли — компании Lockheed Martin — в ближайшие годы во всём мире технологии будут преимущественно отрабатываться на пилотных станциях мощностью не более 10 МВт. По мнению представителя корпорации, активное коммерческое освоение ресурса разницы температур океана стартует не ранее, чем через два или три десятка лет. Вероятно, если к тому времени проблемы гидротермальных технологий будут полностью или частично решены, то рынок альтернативной энергетики получит абсолютно новый вектор развития.

Источник: пронедра.ру

Получение энергии из воды

Новая технология фирмы BlackLight Power, Inc, под рабочим названием «Теория гидрино» — это процесс состоящий из химических реакций, в результате которых непосредственно вырабатывается электрическая энергия от преобразования водяного пара, в новую более стабильную форму молекул водорода. Исследователи заявили, что открытие компании «представляет собой фундаментальный прорыв в экологически чистых энергетических технологиях».

Академическая группа, в которую вошли кандидаты от Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института, подтвердили в своих независимых исследованиях, что BlackLight добился исключительного технологического прорыва в процессах создания чистой энергии со своей технологией Catalyst — Induced — Hydrino — Transition, к тому же ее внедрение не требует весомых капитальных затрат.

«Технология BlackLight — постоянно действующая, мощная система производства, использующая водяной пар для превращения его в электричество, кислород и новую, более стабильную форму водорода — Гидрино, потенциал энергии горения которого в 200 раз больше, чем непосредственно водорода»,- сказал Рэнделл Миллс, физик, исполнительный директор, президент BlackLight Power, Inc, и изобретатель процесса. Немаловажным является тот факт, что в свободной форме водород не доступен и может быть получен только с использованием энергии, а водяной пар повсеместно может быть получен даже из воздуха.

BlackLight Power, Inc задействовал в общей сложности 75 миллионов долларов активов для развития и коммерциализации своих технологий, и имеет лицензионные соглашения с компаниями, для использования своих запатентованных коммерческих проектов и процессов в системах отопления и производства электроэнергии. В ближайших планах компании реализовать пилотную установку в 100 Вт, которую планируют завершить к концу 2012 года и 1,5 кВт установку, которая сможет служить для сектора жилой электроэнергетики. В коммерческую продажу, она поступит после введения в эксплуатацию в начале 2013 года.

Дешевая энергия из воды

Идея получения энергии из водорода не нова. Все мы помним тотальную гонку вооружений, в которой не последнюю нишу занимали водородные бомбы. Однако радует тот факт, что ученые обратили свои усилия, чтобы обратить воду, а в частности ее составляющую – водород на благо человечества, а не для его уничтожения. Профессор Массачусетского технологического университета Дениел Носера вместе со своими помощниками разработали новую технологию получения экологически чистой энергии из воды.

Разработчики Sun Catalytix уверены, что их изобретение сможет применяться не только для обеспечения энергией отдельных домов и учреждений, но даже и в транспортных средствах. Их уверенность была подкреплена 4 млн. долларов в виде гранта от Агентства исследований в области энергетики и индийского машиностроительного гиганта Tata.

Компанией General Electriс в сотрудничестве с Национальной лабораторией им. Лоуренса в Беркли, расположенной в штате Калифорния США «Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab» разработана новейшая технология по накоплению энергии из воды.

Как утверждают ученые, заряда, которые создают новые батареи, хватает для преодоления расстояния до 400 километров на электрических автомобилях без дополнительной подзарядки. При этом стоимость новейшего устройства составляет четверть стоимости классических аккумуляторов.

Суть работы нового аккумулятора состоит в следующем: данное изобретение – это электрохимическая батарея, которая способна накапливать энергию и отдавать ее при протекании электрохимических реакций в емкости, наполненной водой. Однако стоит заметить, что в данных батареях используется непривычная нам вода. Скорее всего это можно назвать химическим раствором различных соединений. Данный раствор способен выделять одновременно несколько свободных электронов, что стало возможным благодаря качественно подобранному составу электролита. Данное свойство позволяет создать высокие показатели плотности энергии.

Давайте теперь рассмотрим строение этой аккумуляторной батареи. Данная система называется потоковой. В ней применяются два резервуара: в одном находится первоначальный электролит, а во втором электролит, который получил электрический заряд. В процессе подзаряда электрохимический раствор из первой емкости проходит во вторую, перемещаясь через электрохимический реактор, который состоит из определенного числа ячеек. Для получения электрической энергии рассматриваемый процесс движется в противоположном направлении. Эта система является достаточно безопасной, так как оба вида раствора хранятся в отдельных резервуарах и не смешиваются между собой. В результате чего полностью исключается возможность взрыва автомобиля в случае аварии из-за моментального выделения энергии.

Григорий Соловейчик , который является руководителем проекта, очень эмоционально отзывался о совместном изобретении. Он сообщил, что вся команды была очень взволнована тем, что их «детище» повлияет на все дальнейшее развитие электрических автомобилей. Соловейчик уточнил, что данные автомобили станут доступнее для граждан, благодаря низкой стоимости аккумуляторов и быстроте их заряда.

На сегодняшний день в электрических автомобилях используются в основном литий-ионные и литий-полимерные батареи. Новые аккумуляторы General Electric превосходят их по уровню безопасности в несколько раз. Эти аккумуляторы разработаны таким образом, что подойдут на все имеющиеся электрические автомобили. Таким образом, можно сказать, что изобретение компаний General Electric и Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab является прорывом в области создания аккумуляторных батарей.

Найден новый способ добычи энергии из воды

Группа ученых сконструировала электрохимический элемент, способный эффективно использовать разность солёностей морской и пресной воды в качестве источника энергии. Энергию будут добывать из разницы между пресной и солёной водой.

В природе такая химическая энергия, запасаемая под действием Солнца, которое поддерживает водооборот, рассеивается при смешивании пресной и морской воды. Первый проект её использования появился в 1954 году, а одну из наиболее перспективных современных схем в 2009 году представил итальянский исследователь Дориано Броджоли. Разработанное им устройство во многом напоминает ионистор с электродами из активированного угля.

Реализовать схему Броджоли на практике, однако, довольно трудно, поскольку она чувствительна к примесям и растворённому кислороду. Рассматриваемый вариант электрохимической установки таких проблем лишён.

Работу нового элемента обеспечивают «анионный» и «катионный» электроды. В начале цикла эти электроды, в структуру которых включены соответствующие ионы, погружены в раствор низкой ионной силы — речную воду. На первом этапе батарея заряжается путём извлечения Cl- и Na+ из электродов, после чего речная вода заменяется морской, что сопровождается увеличением разности потенциалов между электродами. На третьем шаге батарея разряжается , а затем пресная вода вытесняет морскую, завершая цикл и снижая разность потенциалов.

Второй и четвёртый этапы проходят без выделения и поглощения энергии, тогда как на первой стадии энергия расходуется на «вытаскивание» ионов из кристаллической структуры. Третья фаза цикла сопровождается выработкой энергии, причём здесь можно получить определённый выигрыш за счёт того, что одинаковый объём заряда выделяется и поглощается на первом и третьем этапах при неодинаковой разности потенциалов. По расчётам авторов, функционирующая по такому принципу электростанция, которая обрабатывает речную воду со скоростью в 40 м3/с, могла бы выдавать до 100 МВт.

Устройство продемонстрировало эффективность преобразования энергии в 75% и стабильно и надёжно работало с «природными» образцами воды. Характеристики установки можно значительно улучшить, подобрав оптимальное расположение электродов.

Важным преимуществом своей технологии американцы считают то, что она работает и при низкой температуре. Если человечество полностью освоит этот возобновляемый источник энергии, оно сможет получать до 2 ТВт, что составляет около 13% от его нынешних потребностей.

Водород прекрасный возобновляемый, экологически чистый источник энергии. Одной из технологий получения водорода из воды является процесс электролиза, для реализации которого необходима электроэнергия. В свою очередь электроэнергию мы можем получать из таких условно бесплатных и экологически чистых источников как солнце и ветер. Кроме всех прочих преимуществ, реализация этой цепочки позволит аккумулировать и «хранить» энергию солнца и ветра, что в разы повысит эффективность использования этих источников энергии и откроет новые возможности ее использования.

С высокой вероятностью можем предположить, что получение водорода из воды в промышленных масштабах с помощью экономически обоснованной технологии ознаменует новый виток развития нашей цивилизации. Над решением этой задачи работают лучшие умы и множество научных лабораторий.

Водородная энергетика — новый шаг

Ученые SLAC National Accelerator Laboratory Университета Торонто сделали новый весьма значимый шаг для развития водородной энергетики. Они разработали новый тип геля-катализатора, который применяется при получении водорода из воды через электролиз. Эффективность их геля-катализатора в три раза превышает существующие аналоги.

Применение этого геля является экономически целесообразным, поскольку при его производстве используются относительно недорогие доступные для промышленного производства металлы, такие как – железо, кобальт и вольфрам. Так же преимуществом этого геля является то, что, как утверждает один из его создателей Aleksandra Vojvodic, производство геля несложно поставить на промышленные рельсы.

Ученые SLAC National Accelerator Laboratory утверждают, что идеи и решения, благодаря которым был создан этот материал. весь свой потенциал еще не исчерпали – есть куда двигаться дальше. Будем ждать новых изобретений и решений.

У автора этого материала нет сомнений, что рано или поздно, источник экологически чистой энергии, альтернативный углеводородам, будет создан. И конечно хотелось что бы «рано», а не поздно, поскольку динамика экологической ситуации на нашей планете весьма удручающая.

В местах, где реки впадают в моря или океаны, пресная вода смешивается с солёной, и этот процесс способен поставлять человечеству немало даровой энергии. Ныне Дориано Броджиоли из университета Милана придумал простое и недорогое устройство для её извлечения.

О потенциале естественных источников такого рода учёные задумывались давно. Даже известны методы получения тока из мест контакта речной воды с морской. Экспериментальные установки вырабатывали мощность до киловатта на каждый литр пресной воды, протекающий через систему в секунду. Но методы эти базируются на специальных мембранах, через которые должна проходить вода. А мембраны эти дороги, и у них ограничен срок службы.

Дориано же разработал иной вариант технологии, основанный на конденсаторе с двойным электрическим слоем. «Основная идея заключается в том, что потенциал двойного электрического слоя зависит от концентрации ионов», — говорит изобретатель.

Он предложил построить такой конденсатор из двух пластин, созданных из высокопористого углерода. Сначала в него подаётся морская вода, в которой, как известно, всегда присутствует энное количество ионов хлора и натрия. Чтобы запустить систему в работу, на обкладки следует подать напряжение от «стартового» источника питания. Тогда положительный электрод привлечёт ионы хлора, а отрицательный — ионы натрия.

Далее в устройство подаётся пресная вода. Разность в концентрации соли заставляет ионы покидать обкладки и уходить прочь, преодолевая действие электростатических сил. Напряжение на электродах при этом заметно вырастает. В дальнейшем система уже сама вырабатывает ток, пока в аппарат поступают солёная и пресная вода. Только у него солёная морская вода пересекала линии поля от постоянного магнита.

Компьютерная симуляция устройства Броджиоли. Слева – при заполнении его солёной водой, справа – после добавления пресной. Яркость зелёного и красного отражает интенсивность электрического поля, возрастающего по мере диффузии ионов. Детали работы можно найти в статье в Physical Review Letters.

Лабораторные опыты Броджиоли показали, что идея работает. Теперь учёный мечтает построить установку большего масштаба.

Храм Книги в Иерусалиме

Самодостаточной частью главного музея Израиля является Храм Книги. Он расположен на склоне холма Гиват-Рам, что на западе …

Тайна Ноева ковчега

В 1840 году в турецком журнале (Стамбул) появилось сообщение об обнаружении ковчега. В статье детально рассказывалось …

Энергия пирамид

Давно известно, что на поверхности планеты пирамидальные комплексы расположены в определенном геометрическом порядке. Древние египтяне сделали это специально, …

Тайна Сириуса: догоны

Таинственное племя догонов давно не дает покоя ученым — слишком много загадок связано с этим народом. …

Фейри и пропавшая дочь

Жил-был в городке Сен-Каст работник по имени Марк Бордо, но, согласно обычаям страны, у него была кличка, поэтому …

Производство водорода из алюминия

Изготовлен генератор, представляющий собой герметичную емкость с внутренним объемом 220 мл и отделяемой крышкой, в которой находятся герметичные, …

История Бразилии

Коренные народы населяли Бразилию еще как минимум 8 000 лет назад. Португальцы, первые европейцы, открывшие Бразилию, прибыли …

  • Бартоломью Робертc

  • Битва за Москву

Клетка как осмотическая система. Осмотическое давление и факторы его определяющие. Вещества осмолиты.

Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Однако плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью, легко пропускают воду и менее проницаемы, а в некоторых случаях непроницаемы для растворенных веществ. В этом можно убедиться, рассмотрев явления плазмолиза и тургора.

Явление отставания цитоплазмы от клеточной оболочки получило на­звание плазмолиза. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор вода поступает в клетку. Количество воды в клетке увеличивается, объем вакуоли возрастает, клеточный сок давит на цитоплазму и прижимает ее к клеточной оболочке. Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка растягивается, в результате клетка переходит в напряженное состояние — тургор.

Тургорное давление противодействует притоку воды в клетку. Давление, с которым вода осмотически притекает в клетку, равно, таким образом, разности осмотического давления π и тургорного давления P. Эту величину называют сосущей силой S:

S = π – P.

Осмос — явление проникновения молекул растворителя через полупроницаемую перегородку — мембрану. Является основным механизмом поступления воды в растительную клетку.

Полупроницаемая мембрана – это мембрана, хорошо проницаемая для воды и непроницаемая или плохо проницаемая для растворенных в воде веществ.

Осмотическая ячейка – это пространство, окруженное полупроницаемой мембраной и заполненное каким-либо водным раствором, способным развивать определенное осмотическое давление.

Осмотическоедавление(диффузное давление) – это сила, которую необходимо приложить, чтобы прекратить проникновению воды в раствор, отделенный от него полупроницаемой мембраной.

Клеточныйсок — водный раствор различных органических и неорганических веществ. Его осмотическое давление (осмотический потенциал) зависит от концентрации и степени диссоциации этих веществ. Осмотическое давление клеточного сока определяет способность клетки «насасывать» воду из внешнего раствора.

π = i См RT,

Осмолиты – это низкомолекулярные органические соединения, такие как полиолы, некоторые аминокислоты и метиламины. Они защищают белки в условиях стресса путем стабилизации структуры белка. Осмолиты присутствуют в растительных и животных клетках, а также в микроорганизмах. Они стабилизируют нативную структуру белка при повышенных температурах, изменениях рН в клетке, высоких давлениях у глубоководных рыб, высоких концентрациях солей в растениях.

Пассивный транспорт. Уравнение диффузии фика. Аквопарины. Ионофоры. Ионный транспорт в каналах. Современное представление о строении и функционировании каналов. Облегченная диффузия, ее основные свойства и отличия от простой диффузии.


Пассивный транспорт — перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой без затрат энергии (например, диффузия,осмос). Диффузия— пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос— пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Существует три типа проникновения веществ в клетку через мембраны: простая диффузия, облегчённая диффузия, транспорт в-в через мембранные каналы( диффузия воды через мембраны-осмос)

По пути простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2, N2, бензол) и полярные маленькие молекулы (CO2, H2O, мочевина).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *