Осмос с замедлением давления

Осмос с замедленным давлением ( PRO ) — это метод отделения растворителя (например, пресной воды ) от более концентрированного раствора (например, морской воды ), находящегося под давлением. Полупроницаемая мембрана позволяет растворителю проникать в сторону концентрированного раствора путем осмоса . ^[1] Этот метод можно использовать для выработки электроэнергии за счет энергии градиента солености , возникающей из-за разницы в концентрации соли в морской и речной воде.

История

Этот метод получения электроэнергии был изобретен профессором Сидни Лебом в 1973 году в Университете Бен-Гуриона в Негеве , Беэр-Шева , Израиль. ^[2]^[3]

Ричард Норман представил рукопись с описанием этой концепции журналу Science в мае 1974 года. ^[4] В этой рукописи Норман ясно указал, что ему не известны какие-либо предыдущие работы по этой теме. Леб представил комментарий к анализу затрат Нормана журналу Science в январе 1975 года. ^[5] В этой публикации Леб предложил термин «осмос с замедлением давления». Далее он написал: «Чтобы облегчить детальное изучение этой концепции, американо-израильский двунациональный научный фонд в мае 1974 года предоставил грант (№ 337) нашему исследовательскому управлению».

Научно-техническая база

Формула идеального производства энергии, применимая к идеализированной ситуации, предсказывает, что оптимальная разница гидравлического давления, $\Delta P$ составляет половину разницы осмотического давления между потоками соленой и чистой воды. $\Delta \Pi /2$ . ^[4]^[6] Для системы PRO от морской воды до пресной воды идеальный случай соответствует оптимальному рабочему давлению 26 бар . Это давление эквивалентно столбу воды ( гидравлическому напору ) высотой 270 метров. ^[7]

В реальной системе как гидравлическое, так и осмотическое давление будут меняться в системе PRO в результате трения, удаления воды и накопления солей возле мембран. Эти факторы снижают достижимую мощность ниже идеального предела. Площадь мембраны, которую можно использовать, ограничена стоимостью и другими практическими соображениями, и этот фактор ограничивает достижимую выработку энергии. ^[8] Значительная часть электроэнергии, вырабатываемой PRO, должна использоваться насосами, обеспечивающими циркуляцию воды по установке. ^[9] Также необходимы соответствующие мембраны. Все эти факторы ограничили экономическую жизнеспособность PRO. ^[10]

PRO имеет потенциал для извлечения осмотической энергии из потоков отходов, таких как на опреснительных установках сброс рассола или очищенные сточные воды . Потенциальная выходная мощность пропорциональна разнице солености между потоками пресной и соленой воды. Опреснение дает очень соленый рассол, а очищенные городские сточные воды содержат относительно мало соли. Объединение этих потоков могло бы производить энергию для питания обоих объектов. Однако для питания существующей станции очистки сточных вод путем смешивания очищенных сточных вод с морской водой в городе среднего размера может потребоваться мембранная площадь в 2,5 миллиона квадратных метров. ^[11]

Процесс

PRO использует водопроницаемую мембрану с разницей осмотического давления для направления потока воды из потока «разбавленного» вещества с низкой концентрацией в поток с более высокой концентрацией под небольшим давлением. Устройство рекуперации энергии в этом потоке обеспечивает выходную энергию и должно превышать входное давление накачки для производства чистой энергии.

Тестирование

Первая в мире осмотическая установка мощностью 10 кВт была открыта компанией Statkraft государственной гидроэнергетической 24 ноября 2009 года в Тофте , Норвегия. ^[13] Было подсчитано, что PRO может генерировать 12 ТВтч ежегодно в Норвегии , что достаточно для удовлетворения 10% общего спроса Норвегии на электроэнергию. ^[14]

В январе 2014 года компания Statkraft прекратила пилотный проект по осмосу с замедлением давления. ^[15] из соображений экономической целесообразности.

Начиная с 2021 года SaltPower строит еще одну коммерческую осмотическую электростанцию в Дании, использующую рассол очень высокой солености из геотермальной электростанции. ^[16]

См. также

Ссылки

^ Хелфер Фернанда, Лемкерт Чарльз, Анисимов Юрий Г (2014). «Осмотическая сила осмоса с замедлением давления: теория, эффективность и тенденции - обзор». Журнал мембранной науки . 453 : 337–358. дои : 10.1016/j.memsci.2013.10.053 . hdl : 10072/61191 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Заявка на патент Израиля 42658. (3 июля 1973 г.) Патент США 3906250 .
^ Вайнтрауб, Боб. «Сидни Леб и истоки осмоса с замедлением под давлением» . Израильский химик и инженер-химик, 2021 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Норман, Ричард (25 октября 1974 г.). «Осоление воды: источник энергии». Наука . 186 (4161): 350–352. Бибкод : 1974Sci...186..350N . дои : 10.1126/science.186.4161.350 . ПМИД 17839865 .
^ Леб, Сидней (22 августа 1975 г.). «Осмотические электростанции». Наука . 189 (4203): 654–655. Бибкод : 1975Sci...189..654L . дои : 10.1126/science.189.4203.654 . ПМИД 17838753 .
^ Ли, КЛ; Бейкер, RW; Лонсдейл, Гонконг (1981). «Мембраны для выработки электроэнергии методом осмоса с замедлением давления». Журнал мембранной науки . 8 (2): 141–171. дои : 10.1016/S0376-7388(00)82088-8 .
^ Как это работает? Архивировано 28 ноября 2009 г. в Wayback Machine — Statkraft.
^ Банчик, Л.Д.; Шаркави, Миннесота; Линхард, Дж. Х. (15 октября 2014 г.). «Ограничения производства энергии из-за ограниченной площади мембраны при осмосе с замедлением давления». Журнал мембранной науки . 286 : 81–89. дои : 10.1016/j.memsci.2014.05.021 . hdl : 1721.1/103172 .
^ Чунг, Х.В.; Банчик, Л.Д.; Сваминатан, Дж.; Линхард, Дж. Х. (15 апреля 2017 г.). «О настоящей и будущей экономической целесообразности автономного осмоса с замедлением давления». Опреснение . 408 : 133–144. Бибкод : 2017Desal.408..133C . doi : 10.1016/j.desal.2017.01.001 . hdl : 1721.1/107716 .
^ Чанг, Х.В.; Сваминатан, Дж.; Банчик, Л.Д.; Линхард, Дж. Х. (15 декабря 2018 г.). «Экономическая основа чистой удельной мощности и приведенной стоимости электроэнергии при осмосе с замедлением давления». Опреснение . 448 : 13–20. Бибкод : 2018Desal.448...13C . дои : 10.1016/j.desal.2018.09.007 . hdl : 1721.1/118349 .
^ Акст, Дэниел (29 августа 2014 г.). «Новый вид энергии из соленой воды» . Уолл Стрит Джорнал .
^ Рао, Акшай К.; Ли, Оуэн Р.; Вреде, Люк; Коэн, Стивен М.; Элиас, Джордж; Кордова, Сандра; Роггенберг, Майкл; Кастильо, Лучано; Варсингер, Дэвид М. (2021). «Рамка синей энергии позволила хранить энергию в процессах обратного осмоса» . Опреснение . 511 . Elsevier BV: 115088. Бибкод : 2021Desal.51115088R . doi : 10.1016/j.desal.2021.115088 . ISSN 0011-9164 .
^ Войцех Москва (24 ноября 2009 г.). «Открывается первая в мире осмотическая электростанция» . Рейтер . Проверено 23 августа 2014 г.
^ Statkraft построит первую в мире осмотическую электростанцию. Архивировано 15 сентября 2008 г. в Wayback Machine.
^ «Является ли PRO экономически целесообразным? Нет, по данным Statkraft | ForwardOsmosisTech» . 22 января 2014 года. Архивировано из оригинала 18 января 2017 года . Проверено 18 января 2017 г.
^ «SaltPower в Сённерборге продала свою первую соляную электростанцию | SønderborgNYT» . СённерборгНЙТ . 1 марта 2021 г. Проверено 30 декабря 2023 г.

Дальнейшее чтение

Норман Р.С. (1974). «Осоление воды: источник энергии». Наука . 186 (4161): 350–2. Бибкод : 1974Sci...186..350N . дои : 10.1126/science.186.4161.350 . ПМИД 17839865 . S2CID 8550368 .
Леб С.; Норман Р.С. (1975). «Осмотические электростанции». Наука . 189 (4203): 654–655. Бибкод : 1975Sci...189..654L . дои : 10.1126/science.189.4203.654 . ПМИД 17838753 .
Леб С. (1988). «Комментарии о пригодности обратноосмотических мембран для рекуперации энергии на подводных осмотических электростанциях опреснения ( обзор )». Журнал мембранной науки . 68 : 75–76. дои : 10.1016/0011-9164(88)80044-4 .
Леб С. (1998). «Производство энергии на Мертвом море с помощью осмоса с замедлением давления: вызов или химера?». Опреснение . 120 (3): 247–262. Бибкод : 1998Desal.120..247L . дои : 10.1016/S0011-9164(98)00222-7 .
Леб С. (2002). «Крупномасштабное производство электроэнергии методом замедленного осмоса с использованием речной и морской воды, проходящей через спиральные модули опреснения ( Обзор )». Журнал мембранной науки . 143 (2): 115–122. дои : 10.1016/S0011-9164(02)00233-3 .
Кэт Тай; Чилдресс А.Е.; Элимелех М. (2006). «Прямой осмос: принципы, применение и последние разработки ( обзор )». Журнал мембранной науки . 281 (1–2): 70–87. дои : 10.1016/j.memsci.2006.05.048 .
Ахилли А.; Кэт Тай; Чилдресс А.Е. (2009). «Выработка электроэнергии с помощью осмоса с замедлением давления: экспериментальное и теоретическое исследование». Журнал мембранной науки . 343 (1–2): 42–52. дои : 10.1016/j.memsci.2009.07.006 .

[1] Хелфер Фернанда, Лемкерт Чарльз, Анисимов Юрий Г (2014). «Осмотическая сила осмоса с замедлением давления: теория, эффективность и тенденции - обзор». Журнал мембранной науки . 453 : 337–358. дои : 10.1016/j.memsci.2013.10.053 . hdl : 10072/61191 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[2] Заявка на патент Израиля 42658. (3 июля 1973 г.) Патент США 3906250 .

[3] Вайнтрауб, Боб. «Сидни Леб и истоки осмоса с замедлением под давлением» . Израильский химик и инженер-химик, 2021 .

[norman74-4] Перейти обратно: ^а ^б Норман, Ричард (25 октября 1974 г.). «Осоление воды: источник энергии». Наука . 186 (4161): 350–352. Бибкод : 1974Sci...186..350N . дои : 10.1126/science.186.4161.350 . ПМИД 17839865 .

[5] Леб, Сидней (22 августа 1975 г.). «Осмотические электростанции». Наука . 189 (4203): 654–655. Бибкод : 1975Sci...189..654L . дои : 10.1126/science.189.4203.654 . ПМИД 17838753 .

[6] Ли, КЛ; Бейкер, RW; Лонсдейл, Гонконг (1981). «Мембраны для выработки электроэнергии методом осмоса с замедлением давления». Журнал мембранной науки . 8 (2): 141–171. дои : 10.1016/S0376-7388(00)82088-8 .

[7] Как это работает? Архивировано 28 ноября 2009 г. в Wayback Machine — Statkraft.

[8] Банчик, Л.Д.; Шаркави, Миннесота; Линхард, Дж. Х. (15 октября 2014 г.). «Ограничения производства энергии из-за ограниченной площади мембраны при осмосе с замедлением давления». Журнал мембранной науки . 286 : 81–89. дои : 10.1016/j.memsci.2014.05.021 . hdl : 1721.1/103172 .

[9] Чунг, Х.В.; Банчик, Л.Д.; Сваминатан, Дж.; Линхард, Дж. Х. (15 апреля 2017 г.). «О настоящей и будущей экономической целесообразности автономного осмоса с замедлением давления». Опреснение . 408 : 133–144. Бибкод : 2017Desal.408..133C . doi : 10.1016/j.desal.2017.01.001 . hdl : 1721.1/107716 .

[10] Чанг, Х.В.; Сваминатан, Дж.; Банчик, Л.Д.; Линхард, Дж. Х. (15 декабря 2018 г.). «Экономическая основа чистой удельной мощности и приведенной стоимости электроэнергии при осмосе с замедлением давления». Опреснение . 448 : 13–20. Бибкод : 2018Desal.448...13C . дои : 10.1016/j.desal.2018.09.007 . hdl : 1721.1/118349 .

[11] Акст, Дэниел (29 августа 2014 г.). «Новый вид энергии из соленой воды» . Уолл Стрит Джорнал .

[Rao_Li_Wrede_Coan_2021_p=115088-12] Рао, Акшай К.; Ли, Оуэн Р.; Вреде, Люк; Коэн, Стивен М.; Элиас, Джордж; Кордова, Сандра; Роггенберг, Майкл; Кастильо, Лучано; Варсингер, Дэвид М. (2021). «Рамка синей энергии позволила хранить энергию в процессах обратного осмоса» . Опреснение . 511 . Elsevier BV: 115088. Бибкод : 2021Desal.51115088R . doi : 10.1016/j.desal.2021.115088 . ISSN 0011-9164 .

[reuters241109-13] Войцех Москва (24 ноября 2009 г.). «Открывается первая в мире осмотическая электростанция» . Рейтер . Проверено 23 августа 2014 г.

[14] Statkraft построит первую в мире осмотическую электростанцию. Архивировано 15 сентября 2008 г. в Wayback Machine.

[15] «Является ли PRO экономически целесообразным? Нет, по данным Statkraft | ForwardOsmosisTech» . 22 января 2014 года. Архивировано из оригинала 18 января 2017 года . Проверено 18 января 2017 г.

[16] «SaltPower в Сённерборге продала свою первую соляную электростанцию | SønderborgNYT» . СённерборгНЙТ . 1 марта 2021 г. Проверено 30 декабря 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

v т и Морская энергетика
Волновая мощность	Список волновых электростанций Список проектов волновой энергетики Австралия Новая Зеландия Соединенные Штаты Шотландия
Приливная сила	Список приливных электростанций Приливный заграждение Генератор приливных потоков Разработка генераторов приливных течений
Другой	Список морских ветряных электростанций Морская текущая мощность Преобразование тепловой энергии океана Морское строительство Осмотическая сила
Энергетический портал Портал возобновляемой энергетики Портал океанов Категория