Všeobecné

Táto nová technológia vyrába elektrinu, keď sladká voda spĺňa slanú vodu


Vedci z Penn State nedávno ohlásili nový hybridný systém obnoviteľnej energie, ktorý generuje nebývalé množstvo elektriny z rozdielu medzi sladkou a slanou vodou.

Región, kde sa v Gruzínskom prielive stretáva sladká a slaná voda.[Zdroj obrázku:Stephengg cez Flickr]

Nový systém vedie k uskutočniteľnému systému, ktorý využíva energiu z miest, kde sa v pobrežných oblastiach stretávajú sladká a slaná voda.

Výroba elektriny z rozdielov v slanosti

Vedci neustále vyvíjajú obnoviteľné technológie, ktoré poháňajú budúcnosť. Aj keď sa za najbežnejšie typy výroby energie z obnoviteľných zdrojov všeobecne považuje solárna, veterná, vodná alebo prílivová energia, existuje aj iná, o niečo menej známa metóda. Vo vodných útvaroch s rôznymi koncentráciami solí existuje prakticky nevyužitý zdroj energie.

Keď sa dve vodné plochy stretnú s dvoma rôznymi úrovňami slanosti (t. J. Slaná a sladká voda), prírodné sily sa pokúsia vyrovnať koncentráciu soli. Soľné ióny budú prúdiť z oblasti s vysokou koncentráciou do oblastí s nižšou koncentráciou, keď sa voda neustále mieša. Nakoniec sa gradient vyrovná a koncentrácia zostane rovnaká.

Účinky sú však dosť pozemské, keď si dve vodné plochy môžu voľne vymieňať ióny soli.

Zavedenie polopriepustnej membrány, ktorá slúži ako bariéra medzi dvoma vodnými útvarmi, však môže účinok zvýšiť. Umožnenie priechodu vodného toku a obmedzenie priechodu väčších iónov soli vedie k vytvoreniu jedinečného druhu tlaku - formálne známeho akoosmotický tlak.

Keď je bariéra na svojom mieste, voda zo sladkovodnej strany sa pokúša vyrovnať koncentrácie solí v druhej časti. Pretože však soľ nemôže prechádzať bariérou, zostáva v rovnakom tele.

Aj keď soľ zostane na svojom mieste, sladká voda bude naďalej prúdiť do slaného útvaru a spôsobovať stúpanie slanej vody.

Príklad osmózy medzi dvoma vodnými plochami s rôznymi koncentráciami cukru. Hladina tekutín na jednej strane stúpa s prídavkom cukru, keď sa sladkovodné pokusy vyrovnajú (podobne ako soľ). [Zdroj obrázku: Wikimedia Commons]

Osmotická sila: nevyužitý obnoviteľný zdroj energie

Po celom svete existuje veľa pobrežných oblastí, kde sladká voda prúdi do mora. Podľa Penn State University

„Tento rozdiel v koncentrácii soli má potenciál generovať dostatok energie na splnenie tejto požiadavky 40 percent globálnych požiadaviek na elektrinu. ““

Osmotická sila je energia dostupná medzi dvoma vodnými plochami s rôznymi koncentráciami solí. Stáva sa tiež jedným z najvýznamnejších zdrojov nevyužitej energie na svete. Kdekoľvek sa sladká voda stretne so slanou vodou, má potenciál generovať takmer polovicu svetového dopytu po energii.

Vedci však čelia výzve nájsť efektívny spôsob získavania jeho sily.

V súčasnosti existujú dve významné metódy využívania energie zo slanej vody vrátane reverznejelektrodialýza (ČERVENÉ) atlakovo retardovaná osmóza (PRO).

Systémy PRO sa konkrétne spoliehajú na tok sladkej vody do slanej cez membránu. Metóda spočíva v čerpaní sladkej a slanej vody do veľkej polopriepustnej membrány. Themembránový systém prednej osmózy umožňuje iba výmenu vody z čerstvej strany k prúdeniu slanej vody. Vďaka tomu sa zvyšuje tlak slanej vody. Turbínový generátor môže využívať energiu z tlakovej vody a prevádzať ju na elektrinu.

Výroba energie pomocou tlakovej retardovanej osmózy (PRO).[Zdroj obrázku: Wikipedia]

Reverzná elektrodialýza

Druhá bežná metóda získavania energie zo solných gradientov je známa ako reverzná elektrodialýza (RED). ČERVENÉ v podstate funguje ako soľná batéria.

Systémy RED zvyčajne fungujú tak, že čerpajú slanú vodu do systému, ktorý má dva samostatné iónomeniče. Jeden umožňuje prúdenie pozitívneho sodíka a druhý iba prechod záporne nabitého chlóru. Pretože soľ je zložená z chlóru a sodíka, je hojne zastúpená v oceánoch.

Schéma reverznej elektrodialýzy.[Zdroj obrázku: Endy Nugroho cez SlideShare]

Medzi sadami filtrov sa strieda prúd vody, ktorý vytvára rozdiel v koncentráciách a núti tak anióny a katióny tiecť cez membránu. Rozdiel v náboji generuje napätie medzi dvoma doskami, ktoré je možné transformovať na elektrinu zmenou prietoku na nižšiu koncentráciu soli.

Bohužiaľ, obe metódy trpia vážnymi nevýhodami.

Problémy, ktorým čelí generovanie súčasnej osmotickej energie

Systémy PRO sa spoliehajú na sieť neuveriteľne malých otvorov, ktoré tvoria membránu. Avšak tuhé častice (organické a anorganické) ľahko preniknú do malých otvorov. So všetkými časticami v oceáne je ťažké implementovať rozsiahly systém PRO. Systémy PRO ďalej nemôžu odolávať silám slaných vôd.

Vybudovanie komerčného závodu je pri súčasnej technológii nákladné a do značnej miery neefektívne.

„PRO je zatiaľ najlepšia technológia, pokiaľ ide o to, koľko energie môžete dostať von,“ vysvetľuje Gorski. "Hlavným problémom PRO je však to, že membrány, ktoré prenášajú vodu cez nečistoty, znamenajú, že na nich rastú baktérie alebo že sa častice uviaznu na ich povrchoch a už cez ne neprenášajú vodu."

Pri technológiách RED preteká cez ionexovú membránu iba rozpustená soľ - nie voda. Systém účinnejšie bráni zaneseniu membrány. Systém však nemá schopnosť produkovať značné množstvo energie.

Hybridizačné riešenia: revolúcia v oblasti obnoviteľnej energie

Riešenie zahrnujúce hybrid medzi dvoma technológiami môže slúžiť ako odpoveď na zmätený problém.

Tím vedcov z Penn State University navrhol riešenie hybridizáciou technológií RED a CapMix.

Podobne ako RED, CapMix sa spolieha na elektródy, ktoré zachytávajú energiu z napätia, ktoré sa vyvíja pri dvoch rôznych koncentráciách iónov. Avšak CapMix špecificky využíva rozdiel v úrovniach slanosti na generovanie náboja namiesto toku chlóru a sodíka.

Aby systém fungoval, soľná voda preteká trubicou, kde membrány extrahovali nabité častice. Hromadia sa dva náboje protivnej sily. Potom sa zavedie slaný soľný roztok, ktorý spôsobí vypustenie elektród do vody a následnú výrobu elektriny.

Napájací systém CapMix. [Zdroj obrázku: Hatzell a kol., Energy Environ. Sci. 7 cez štát Penn]

Dva za jedného

Tím vedcov nedávno vymyslel spôsob, ako sa tieto dve myšlienky spojiť. Systém generuje 12,6 wattu na meter štvorcový, podstatne viac ako iné generátory soľného roztoku.

„Kombináciou týchto dvoch metód vám dodajú oveľa viac energie,“ hovorí Gorski.

Prietoková cela vyrobená na mieru oddeľuje vodné kanály anexovou membránou. Systém využíva hexakyanoželezitan meďnatý ako elektródu s grafitovou fóliou na zachytávanie prúdu. Striedanie toku soľného roztoku a sladkej vody uvoľňuje energiu a umožňuje jej využitie.

"Robia sa tu dve veci, vďaka ktorým to funguje," dodal Gorski. "Prvý je, že soľ smeruje k elektródam." Druhým je chlorid, ktorý sa prenáša cez membránu. Pretože oba tieto procesy generujú napätie, nakoniec vyviniete kombinované napätie na elektródach a cez membránu. “

Pretože koncentrácia solí aj tok nabitých častíc prispievajú k výrobe energie, systém vygeneroval podstatne viac ako ktorýkoľvek iný generátor soľného roztoku. Rovnako nenesie rovnaké problémy, ktoré trápia iné systémy.

Koncentračná prietoková cela s dvoma doskami, ktoré ju držia pohromade. Rúrky napájajú systém soľou alebo sladkou vodou. [Zdroj obrázku: Jennifer Matthews prostredníctvom Penn State]

Sľubné riešenie

Táto technológia je stále v počiatočnom štádiu, ukazuje sa však oveľa účinnejšia ako iné metódy.

Hybridná technológia generuje podstatne viac ako iné samostatné techniky.

„O 12,6 wattu na meter štvorcový, táto technológia vedie k špičkovým hustotám výkonu, ktoré sú bezprecedentne vysoké v porovnaní s predtým hlásenou ČERVENOU (2,9 wattu na meter štvorcový) a rovnako ako maximálne vypočítané hodnoty pre PRO (9,2 wattu na meter štvorcový), ale bez problémov s faulovaním. “Nárokuje si vyhlásenie Penn State.

V súčasnosti vedci skúmajú stabilitu elektród po dlhšiu dobu. Výsledky sú sľubné, technológia však bude ešte potrebné podstatne zdokonaliť, kým bude pripravená na rozsiahle experimenty.

Hybridná technológia je napriek tomu podstatným krokom správnym smerom k čistej obnoviteľnej energii. Aj keď je mladá, využíva energiu na úplne nový zdroj energie - ten, ktorý by niekedy mohol čoskoro získať toľko energie 40 percent humanitného dopytu po energii.

Cez Penn State

POZRI TIEŽ: Čo by skutočne bolo potrebné na to, aby sme naštartovali svet z obnoviteľnej energie

Napísal Maverick Baker


Pozri si video: Vodu vaříme zásadně v rychlovarné konvici. Soutěžní video (Január 2022).