211service.com
Słone rozwiązanie dla wytwarzania energii
Różnica w zasoleniu wody słodkiej i słonej jest obiecująca jako duże źródło energii odnawialnej. Do odsalania wody potrzebna jest energia, a odwrócenie procesu może generować energię. Teraz nowatorskie podejście oparte na konstrukcji konwencjonalnej baterii wykorzystującej nanomateriały może zapewnić sposób na ekonomiczne pozyskiwanie tej energii.
Roztwór soli: To urządzenie wytwarza energię elektryczną, wykorzystując różnice w zasoleniu wody słodkiej i słonej. Dwie podobne do folii struktury służą jako elektrody dodatnie i ujemne; szklana bańka jest elektrodą odniesienia.
Nowe urządzenie, opracowane przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda, składa się z elektrody, która przyciąga dodatnie jony sodu oraz elektrody, która przyciąga ujemne jony chloru. Gdy elektrody są zanurzone w słonej wodzie, pobierają z niej jony sodu i chloru, a ruch jonów wytwarza prąd elektryczny. Elektrody są ładowane poprzez spuszczenie wody słonej, zastąpienie jej wodą słodką i przyłożenie prądu elektrycznego o stosunkowo niskim napięciu, który wyciąga jony z powrotem z elektrod. Kiedy słodka woda jest spuszczana, elektrody są gotowe do przyciągnięcia większej liczby jonów z następnej partii słonej wody.
Jest to proces odwrotny do odsalania wody, w którym wkładasz energię i próbujesz wytworzyć wodę słodką i bardziej skoncentrowaną wodę słoną, mówi Yi Cui , profesor materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda i główny autor badania. Tutaj zaczynasz od wody słodkiej i skoncentrowanej wody słonej, a następnie wytwarzasz energię.
Grupa Cui przekształciła w energię elektryczną 74% potencjalnej energii, która istnieje między wodą słoną a słodką, bez spadku wydajności w ciągu 100 cykli. Umieszczenie elektrod bliżej siebie, mówi Cui, może pozwolić akumulatorowi osiągnąć 85-procentową wydajność.
Elektrownia wykorzystująca tę technologię byłaby zlokalizowana w pobliżu delty rzeki, gdzie słodka woda spotyka się z morzem. Przyjmując 50 metrów sześciennych wody rzecznej na sekundę, mówi Cui, elektrownia może wytwarzać do 100 megawatów energii. Oblicza, że gdyby wykorzystano całą słodką wodę ze wszystkich przybrzeżnych rzek na świecie, jego proces gradientu zasolenia mógłby wygenerować 2 terawaty, czyli około 13% energii obecnie zużywanej na całym świecie.
Jednak stosowanie na szeroką skalę poważnie zakłóciłoby wrażliwe środowiska wodne. Myślę, że byłbyś w stanie wykorzystać tylko bardzo mały ułamek tego lub byłaby to katastrofa ekologiczna, mówi Menachem Elimelech , dyrektor Programu Inżynierii Środowiska na Uniwersytecie Yale. Elimelech mówi, że konieczne byłoby wstępne uzdatnienie wody w celu usunięcia zawieszonych materiałów, w tym żywych organizmów. Takie przetwarzanie wymagałoby energii, zwiększałoby koszty i samo w sobie poważnie zaburzyłoby ekosystem, gdyby było wykonywane na dużą skalę.
Wcześniejsze próby pozyskiwania energii z różnicy zasolenia wody słonej i słodkiej koncentrowały się przede wszystkim na procesie znanym jako osmoza ciśnieniowa. W tym podejściu woda słodka i słona znajdują się w oddzielnych komorach, które są oddzielone sztuczną membraną. Wyższe zasolenie wody słonej wciąga wodę słodką przez membranę, zwiększając ciśnienie po stronie słonej wody. Woda pod ciśnieniem jest następnie wykorzystywana do napędzania turbiny i wytwarzania energii elektrycznej.
Norweska firma elektryczna Statkraft obecnie testuje osmozę opóźnioną ciśnieniowo w pilotażowym zakładzie pod Oslo, a także pracuje nad opracowaniem bardziej wydajnych i trwałych membran. Urzędnicy Statkraft twierdzą, że ich celem jest przekształcenie 80 procent dostępnej energii chemicznej w energię elektryczną. Cui mówi, że wątpi, czy to podejście będzie w stanie przekroczyć wydajność 40 procent. Pod względem wydajności na pewno jesteśmy znacznie lepsi – mówi.
Aby osiągnąć wysoką wydajność, grupa Cui zastosowała nanopręty z dwutlenku manganu jako elektrodę dodatnią swojego akumulatora. Materiał ten daje jonom sodu około 100 razy większą powierzchnię do interakcji niż konwencjonalne materiały elektrodowe. A nanostruktura umożliwia szybkie dołączanie i odłączanie jonów od elektrody, dzięki czemu cała bateria jest wydajniejsza.
Zespół Cui użył srebrnej elektrody do połączenia z ujemnie naładowanymi jonami chloru. Srebro jest jednak zbyt drogie w przypadku wdrożeń na dużą skalę, a także jest toksyczne i może powodować szkody dla środowiska, jeśli rozpuści się w wodzie przepływającej przez baterię. Cui mówi, że jego grupa szuka substytutu, ale alternatywa może być trudna do znalezienia.