Осмотическая электростанция
Размещено на http://www.allbest.ru/
Ведение
Основным направлением альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии. Источники энергии — «встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию». Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Причина поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность
В 2010 году альтернативная энергия (не считая гидроэнергии) составляла 4,9% всей потребляемой человечеством энергии. В том числе для отопления и нагрева воды (биомасса, солнечный и геотермальный нагрев воды и отопление) 3,3%; биогорючее 0,7%; производство электроэнергии (ветровые, солнечные, геотермальные электростанции и биомасса в ТЕС) 0,9%.На возобновляемые (альтернативные) источники энергии приходится всего около 5 % мировой выработки электроэнергии в 2010г.В мае 2009 года 13 % электроэнергии в США были произведены из возобновляемых источников энергии. 9,4 % электроэнергии было выработано на гидроэлектростанциях, около 1,8 % были получены из энергии ветра, 1,3 % из биомассы, 0,4 % из геотермальных источников и 0,3 % от энергии солнца. В Австралии в 2009 году 8 % электроэнергии вырабатывается из возобновляемых источников.
В наше время людям энергии требуется всё больше и больше энергии, поскольку они придумывают всё больше и больше новых изобретений, для которых требуется энергия.
Энергетика зародилась много миллионов лет назад, когда люди научились добывать огонь: они охотились с помощью огня, получали свет и тепло, и он служил источником радости и оптимизма на протяжении многих лет. В своем реферате я расскажу о возможной экологически-чистом источнике энергии, которым люди не загрязняли бы окружающий мир.
1. Обоснование
Почему я выбираю осмотическую электростанцию, как альтернативный вид получения энергии?
Главное преимущества состоит в ее экологичности — нет шума и не загрязняют атмосферу выбросами парниковых газов; — предоставляется непрерывный возобновляемый источник энергии, с незначительными сезонными колебаниями; — легко внедрить уже имеющую инфраструктуру; Осмотическая электростанция может использоваться только в устьях рек, где пресная вода вливается в солёную. Явление осмоса широко распространено в природе, позволяя растениям поглощать влагу листьями, и обычно применяется в процессе опреснения воды.
2. Эффективность использования
Осмотическая электростанция — стационарная энергетическая установка, основанная на принципе диффузии жидкостей (осмос).
Первая и единственная, на данный момент в мире, осмотическая электростанция построена компанией Statkraft в норвежском городке Тофте, на территории целлюлозно-бумажного комбината «Sцdra Cell Tofte». Строительство электростанции обошлось в 20 миллионов долларов и 10 лет, проведенных в исследованиях и разработке технологии. Эта электростанция пока вырабатывает очень мало энергии: примерно 2—4 киловатта. Впоследствии планируется увеличить выработку энергии до 10 киловатт.
На данный момент электростанция имеет вид экспериментальной, но в случае успешного завершения испытаний, станция будет запущена для коммерческого использования.
Казалось бы, все просто. Потому неудивительно, что идея использовать осмос как источник энергии зародилась почти полвека назад. Но… «Одним из главных препятствий стало отсутствие мембран должного качества, -об этом говорил 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. И отсюда следует, что эффективность этой энергии хоть и мала, но это легко компенсируется массовостью таких установок.
осмотический электростанция альтернативный энергетика
3. Технологии
Итак, там где реки впадают в моря и океаны мы имеем огромные источники как пресной так и солёной воды по соседству — это идеальное место для строительства осмотических электростанций. Как же получить энергию? Наиболее простой способ — поместить воду в резервуар, который разделен на два отсека полупроницаемой мембраной.
В один отсек подается морская вода, а в другой пресная. За счёт разной концентрации солей в морской и пресной воде, молекулы воды из пресного отсека, стремясь выровнять концентрацию соли, переходят через мембрану в морской отсек. В результате этого процесса в отсеке с морской водой формируется избыточное давление, которое в свою очередь используется для вращения гидротурбины вырабатывающей электроэнергию.
Еще нужно выделить преимущества и недостатки осматической электроэнергии.
Преимущества:
В отличие от ветра и солнца, предоставляется непрерывный возобновляемый источник энергии, с незначительными сезонными колебаниями.
Отсутствует парниковый эффект.
Недостатки:
У текущей мембраны показатель составляет 1 Вт/мІ. Показатель, который позволит сделать станции рентабельными — 5 Вт/мІ. В мире есть несколько компаний, производящих подобные мембраны (General Electric, Dow Chemical, Hydranautics, Toray Industries), но устройства для осмотической станции должны быть гораздо тоньше производимых сейчас.
Осмотическая электростанция может использоваться только в устьях рек, где пресная вода вливается в солёную.
4. Перспективы
Главным преимуществом ОЭС перед другими типами электростанций является использование ею крайне дешевого сырья. По сути, оно бесплатно, ведь 92-93% поверхности планеты покрыто соленой водой, а пресную несложно получить тем же методом осмотического давления в другой установке. Установив электростанцию в устье реки, впадающей в море, можно одним махом решить все проблемы с поставками сырья. Климатические условия для работы ОЭС не важны — пока вода течет, установка работает.
При этом не создается каких-либо токсичных веществ — на выходе образуется все та же соленая вода. ОЭС абсолютно экологически безопасна, ее можно установить в непосредственной близости от жилых районов. Электростанция не наносит вред живой природе, а для ее сооружения нет необходимости перекрывать реки плотинами, как в случае с ГЭС.
Перспективы использования в России. Реки являются основой водного фонда России. Занимая порядка 12% территории суши, Россия отличается хорошо развитой речной сетью, а также уникальным водным побережьем, имеющим протяженность примерно 60 тыс. км. Реки России принадлежат к бассейнам трех океанов: Северного Ледовитого, Тихого и Атлантического. Таким образом у России есть огромный потенциал в освоении осмотической энергии интерес к этому источнику возобновляемой энергии растет, и ученые всего мира объединяют усилия по его освоению.
Канадская компания Hydro-Quйbec, являющаяся крупнейшим мировым производителем электроэнергии на основе гидроэнергии, совместно с Statkraft ведет исследования, связанные со следующим этапом разработки технологии PRO. Кроме того она изучает возможность создания осмотических станций вдоль береговой линии Канады.
В Японии Токийский технологический институт открыл научно-исследовательский центр по изучению осмотической энергии. По мнению его сотрудников, энергетический потенциал японских рек — если его реализовать, построив осмотические станции в местах впадения рек в море, — позволяет заменить 5-6 АЭС.
Заключение
Роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации очень велика. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы — прямо или косвенно — больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека. Потребление энергии — важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж: в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом — 100 МДж.
В процессе развития цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные не потому, что старый источник был исчерпан.
Самым мощным источником энергии является ядерный — лидер энергетики. Запасы урана, если сравнивать их с запасами угля, не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. При получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю… Всегда было так: следующий источник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться, «воинствующая» линия энергетики. В будущем при интенсивном развитии энергетики возникнут рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении. Например — быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная. Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее. Поэтому энергохимия , водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, — это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.
В заключение можно сделать вывод, что альтернативные формы использования энергии неисчислимы при условии, что нужно разработать для этого эффективные и экономичные методы. Главное — проводить развитие энергетики в правильном направлении.
Размещено на Allbest.ru
…
Осмотическая электростанция: чистая энергия соленой воды
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.
Осмотическая электростанция в Тофте
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 графеновых пленок. 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.